格栅加强沥青路面结构设计分析

赵艳红

（北京市龙泰工程设计咨询有限公司，北京市 100045）

0 前言

玻璃纤维土工格栅（简称玻纤格栅）是以玻璃纤维无碱无捻粗纱为主要原料，采用一定的编织工艺制成的网状结构材料，经过特殊的涂复处理工艺而形成新型优良的土工织物。由于土工格栅自身具有较高的刚度和抗拉强度，所以与其他土工合成材料相比，土工格栅可以产生独特的加固效果。目前土工格栅主要被广泛用于路基土的加固和道路的加铺工程中，国外的研究结果表明，当土工格栅用于道路工程时，它具有减小路面永久竖向变形，限制侧向变形，控制裂缝开展，以及减小道路基层设计厚度的作用，所以土工格栅用于路基加固工程的技术已经较为成熟[1]。近几年，我国关于土工格栅用于路面面层结构也进行了一些研究[2,3]，然而将土工格栅用于路面面层结构则仍处于研究阶段，已有研究表明，将土工格栅用于沥青路面面层，可提高沥青混合料的强度与路用性能，并会改变路面结构的应力分布，因此有必要对土工格栅加强沥青路面结构进行力学分析与计算，探讨土工格栅对沥青路面结构的加强效果。

1 格栅加强沥青路面结构设计理论

国内外关于格栅加强沥青路面结构成熟的分析方法尚不多见，针对新建沥青路面，当认为路面结构各层处于完好状态时，土工格栅加强沥青路面结构的分析思路大致有以下几类：力学分析方法、经验方法、有限元数值分析方法、复合材料模拟法。本文中采用复合材料模拟法，即根据复合材料力学的有关原理把土工格栅与邻近的路面材料换算为一种复合材料作为沥青路面中的新结构层，即土工格栅与路面材料的复合材料层，该层是竖直方向受压，水平方向受弯拉的各向异性材料。据此，土工格栅加强沥青路面结构设计模型和复合材料参数分析如下。

1.1 土工格栅加强沥青路面结构设计模型

土工格栅加筋沥青混凝土路面结构仍假定为弹性层状体系，其结构设计示意见图1，其中，车辆荷载标准仍为均布标准车载，单圆直径为21.3 cm，均布压力为0.7 MPa，土工格栅铺设于第一层与第二层面层之间，实际厚度为0.5～1.0 mm。

图1 土工格栅加强沥青混凝土路面结构

1.2 格栅与沥青混合料复合层材料参数的确定

玻纤格栅属刚性网格，其刚度较大，经测定弹性模量高达67000 MPa，这种网格能够依靠自身的刚度扩散荷载分布范围，且本身强度很高，能够承受较大应力。因此，当将玻纤格栅用于沥青面层时，平行于格栅方向的“增强”性能极其明显。土工网格是一种网状结构，铺于路面中的网格会被沥青混合料所填充，同时土工网格的厚度较小，一般不大于1 mm，故在分析中把它独立作为一层计算与实际情况会有较大区别。根据复合材料力学的有关原理，将土工网格与其邻近的1cm厚的沥青混合料换算为一种复合材料，作为沥青路面中新的结构层，即土工网格（Geogrid）与沥青混合料（AC）的复合材料层，记为G-AC层。因此，可建立由土基、底基层、基层、面层和G-AC层等五层构成的弹性层状体系模型，并假定除基层可能存在裂缝外，其它各层均为连续体，各层间完全连续。则图1所示结构将变换为如图2所示的结构。

图2 格栅加强沥青路面结构变换模型

根据复合材料增强效应分析理论，对于G-AC层，确定其水平方向弹性模量的力学模型可考虑为并联模型，则复合材料的弹性模量的表达式为：

式中：EG-AC、EG、EAC——分别为复合材料、格栅、沥青混合料的弹性模量；

VG——格栅材料体积与复合材料总体积比。

当复合材料层厚度以1 cm厚度计，格栅层厚度为0.5～1.0 mm，网格尺寸为17～23 mm，格栅条筋宽度2～4 mm时，VG取值一般在0.02～0.1。复合材料弹性模量EG-AC计算结果见表1，由结果可知，格栅加强沥青路面复合材料弹性模量大体在3000～8000 MPa之间，随增大而增大。

表1 复合材料弹性模量EG-AC计算表（20℃）

2 格栅加强沥青路面结构分析

格栅在路面结构中起到“加筋”的作用，加入格栅后将明显改变路面结构的受力状态。表1已经证明，与普通沥青层相比，格栅加强沥青层的弹性模量显著增加，根据沥青路面设计理论可知，面层弹性模量的增加将使面层的层底拉应力和路表的弯沉值均减小。如此，若使路面达到同样的设计标准，格栅加强沥青路面的厚度可小于未使用格栅的常规沥青路面，本文通过计算对格栅加强沥青路面的厚度减薄效应进行具体的分析。

2.1 格栅加强沥青路面的力学性能的提高

根据现行《公路沥青路面设计规范》[6]的要求，沥青混凝土在整体强度验算时采用20℃抗压回弹模量指标，在拉应力验算时则采用15℃抗压回弹模量与劈裂强度指标。因此，在对格栅加强沥青路面减薄厚度效应进行分析前，首先分别对普通沥青混合料和加入格栅的沥青混合料的15℃劈裂抗拉强度和15℃及20℃抗压回弹模量进行测定。

劈裂试验结果表明，加入格栅的沥青混合料的15℃劈裂抗拉强度，较普通沥青混合料强度提高了10%～15%，可以说明加入格栅后沥青混合料的抗弯拉能力有较大的改善，具有一定的厚度效应。

抗压回弹模量的试验结果则显示，加入格栅的沥青混合料与未加入格栅的相比，不论试验温度是20℃还是15℃，抗压模量均有所提高，但是作用并不显著，这是由于在沥青混合料层中仅设置一层格栅，尺度效应有限所致。

通过上述分析，格栅的加入可有效提高沥青路面的力学性能，包括劈裂抗拉强度和抗压弹性模量。以此为基础，进行厚度减薄效应分析。

2.2 格栅加强沥青路面厚度减薄效应分析

（1）特定荷载交通条件下设计指标的确定。

在本研究中，以高等级沥青路面为设计条件，初拟路面结构为：3 cm细粒式沥青混凝土＋6 cm中粒式沥青混凝土＋2×18 cm水泥稳定碎石＋18 cm水泥稳定土。根据当地环境与土质条件确定路基弹性模量为35 MPa。路面设计年限为15 a，设计交通量为黄河标准车断面交通量4000辆/d，车道系数取0.25，交通量平均年增长率为6%；另外，公路等级系数、面层类型系数和基层类型系数均取1。利用路面结构计算程序HLS得到轴载换算及设计弯沉值和容许拉应力的计算结果如下：

当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，路面竣工后第一年日平均当量轴次为5436辆/d，设计年限内一个车道上累计当量轴次为1.016939×107辆；当进行半刚性基层层底拉应力验算时，路面竣工后第一年日平均当量轴次为4788辆/d，设计年限内一个车道上累计当量轴次为1.016939×107辆。路面设计弯沉值为23.2（0.01 mm）。各路面结构层的容许拉应力见表2。

表2 路面各结构层的容许应力计算结果

（2）利用路面结构设计程序HMPD对常规沥青路面进行结构设计。

设计的公路等级为一级公路，新建路面的层数为5层，标准轴载为BZZ-100，路面设计弯沉值为23.2（0.01 mm），路面设计层层位为第4层，设计层的最小厚度取15 cm。设计层的具体参数见表3。

表3 各结构层的设计参数

基于上述设计条件与参数，按设计弯沉值计算设计层厚度，其结果为17.9 cm，并对路面各结构层的层底拉应力进行验算，结果显示各层验算结果均满足要求。将设计厚度取整后得18 cm。在此基础上，还对路面的防冻厚度进行了验算，结果表明路面总厚度大于最小防冻厚度50 cm，满足防冻要求。

（3）格栅加强沥青路面减薄厚度效应分析

在上述常规沥青路面的设计结果基础上，再次利用路面结构设计程序HMPD，对沥青层厚度进行计算，考察格栅加强沥青路面厚度减薄效应。各结构层的设计参数见表4，由于将格栅置于上面层和下面层之间（见图2），所以在进行结构设计时，两面层间产生了一个新的结构层——格栅沥青混合料复合层，如前所述该层厚度取1 cm，复合材料模量取3200/4000 MPa（20/15℃）（体积比率VG为0.035左右），其中设计层位为第3层，该层最小设计层厚度为4 cm，其他条件和设计要求与常规沥青路面相同。

按照上述设计条件及参数，按容许弯沉值为23.2计算，得出设计结构层厚度为4.2 cm，按照该厚度验算各结构层的层底拉应力，结果显示均满足设计标准要求。在此基础上对路面防冻厚度亦进行了验算，结果表明路面总厚度大于50 cm，满足防冻要求。最后，设计层厚度取4.2 cm。

将格栅加强沥青层的路面结构设计结果与常规沥青路面相比较可以直观的得出，沥青混合料下面层厚度由5.5 cm减少至4.2 cm，减薄率高达23%。在本文所示试验中，格栅的体积比仅为0.035，若格栅层的刚度或体积比率进一步提高时，由表1可知复合材料模量也将随之增加，减薄沥青路面效果将更加显著。沥青层厚度的减少是有效降低路面造价的方法之一，同时减少沥青混合料的生产量也对环境保护大有益处。

表4 各结构层的设计参数

3 结论

本文将玻纤格栅作为加筋材料铺设于上下沥青面层之间，利用路面结构设计程序对常规沥青路面和格栅加强沥青路面分别进行计算，其中采用复合材料模拟法将格栅和沥青混合料等效为二者的复合材料，作为新的结构层置于路面中，并给出了复合材料参数的计算方法。路面结构设计结果显示，与常规沥青路面相比，格栅加强沥青路面厚度减薄效应显著，当格栅与复合材料体积比为0.035时，减薄率为23%，当体积比增加，即格栅的厚度增加，厚度减薄效应将更加显著。

[1]Perkins,S.W.Mechanistic-Empirical Modeling and Design Model Development of Geosynthetic Reinforced Flexible Pavements:Final Report[R].Montana Department of Transportation,Helena,Montana,Report No.FHWA/MT-01/002/99160-1a,2001.

[2]陈亭,孟玉平,于涛.玻璃纤维格栅加强沥青路面施加工艺研究[J].公路交通科技(应用技术版),2011(S1):34-36.

[3]肖永亮,张新天.玻纤格栅加强沥青路面抗疲劳性能试验研究[J].北京建筑工程学院学报,2008(3):35-38.

[4]JTG D50—2006,公路沥青路面设计规范[S].北京:人民交通出版社,2006.