复合式路面加筋防裂夹层防治反射裂缝性能模拟研究

吴梓敬，李汝凯，李先延，李 杰，陈金彪

（1云南交投集团投资有限公司，云南昆明 650000；2重庆交通大学，重庆 400074；3云南云岭高原山区公路工程检测有限公司，云南昆明 650000）

复合式路面结构，即沥青柔性面层+水泥混凝土板刚性基层（PCC+AC）路面结构，结合了传统刚性路面和柔性路面的优点，其中水泥混凝土板刚性基层作为支承结构层，模量大、强度高，可以提高整个路面结构的承载能力，有效减少路面车辙的产生；沥青混凝土柔性面层既能够抵抗行车荷载对水泥混凝土板的冲击，又可以弥补水泥混凝土板的一些缺点，还能提高路面的抗滑性能和防水性能，改善了路面结构的行车舒适性[1-6]。但实践经验表明，刚柔复合式路面有一个重大的缺陷——反射裂缝。由于温度和湿度的双重作用，基层混凝土板容易发生温缩和干缩裂缝，在交通荷载的循环作用下，这些裂缝极易向上扩展直到沥青面层表面，形成反射裂缝[7-8]，这些反射裂缝还破环了路面结构的连续性与整体性，在水泥混凝土板接缝处应力集中明显，更加严重的是扩展到沥青面层表面的反射裂缝会使路表水进入基层或路基土中，引起脱空、唧泥等病害，致使路面结构在正常使用年限内发生了不同程度的结构性破坏，极大地缩短了路面结构的使用寿命。

国内外学者做了大量研究并采取相应措施来防止复合式路面反射裂缝的产生，模拟复合式路面各结构层之间的受力情况。美国加州大学的Monismith和Coetzee[9]用平面有限单元法，以有效应力为标准，研究了沥青路面开裂后在交通荷载和温度荷载作用下裂缝附近的应力分布，同时分析了橡胶沥青夹层在防止反射裂缝中的作用，该研究称反射裂缝主要是由于下卧基层开裂后的水平和垂直位移引起的，松软的中间夹层具有削减裂缝尖端应力集中现象的潜力。江苏省交通科学研究院有限公司的符冠华[10]通过试验模拟了旧水泥混凝土路面上加铺层的运动行为，并对不同夹层材料、加铺层材料和路面结构组合的防反效果进行了定量评价，并且提出了科学的防治反射裂缝的措施。广西大学的杨斌[11]通过有限元方法对设置STRATA应力吸收层和未设置STRATA应力吸收层的加铺层结构进行了应力分析，结果表明设置应力吸收层后加铺层荷载应力和温度应力均显著降低。目前，国内对于夹层材料主要集中在土工布、土工格栅、玻纤格栅、聚酯玻纤布等防裂材料，但对防治刚柔复合式路面反射裂缝的效果一般，主要原因是加筋作用不明显[12]。

鉴于此，通过ABAQUS有限元软件对刚柔复合式路面加筋防裂夹层结构性能进行了模拟研究，分析了加筋防裂层不同布置位置、荷载变化时加铺沥青层的力学响应，并对加铺土工布、土工格栅、镀锌钢丝网等不同加筋材料防治反射裂缝的性能进行了评价，旨在为刚柔复合式路面提供较优的防反技术。其中，镀锌钢丝网是将钢丝经过特种机械加工处理后得到的网眼状物体浸在熔融的锌液中，利用界面发生的物理化学反应，在表面镀上一层金属锌，以起到防腐的目的，拉伸强度可达到100kN/m。

1 三维有限元模型建立

1.1 边界假定

在建模过程中对路面结构作出如下基本假定[13]：

（1）路面各结构层层间完全连续，不计任何层间摩擦作用；

（2）镀锌钢丝网与路面结构层完全粘结，不存在任何空隙；

（3）数值分析时忽略各结构层自重；

（4）不考虑路面结构在接缝处的荷载传递；

（5）路面结构在水平方向上无约束，只在地基底面施加完全约束。

1.2 力学分析指标

当沥青层底的最大拉应力超过了沥青层的抗拉强度时，沥青层便会产生张开型反射裂缝；当沥青层底的最大剪应力超过了沥青层的抗剪强度时，沥青层便会产生剪切型反射裂缝；另外水泥混凝土板由于存在天然的施工接缝，其受到荷载作用（主要是受到偏载作用）后位于接缝两侧的水泥混凝土板的弯沉值会有不同，当弯沉差较大时，便会对沥青层造成竖向剪切作用，使沥青层层底出现应力集中从而出现反射裂缝。因此，本研究选取沥青层层底最大拉应力σa、沥青层层底最大剪应力τa和水泥混凝土板板顶最大弯沉差Δl作为分析沥青面层反射裂缝的力学指标。

1.3 单元模型

选取二次减缩积分实体单元(C3D20R)来模拟复合式路面结构，并用二次完全积分实体单元(C3D20)来模拟车辆荷载轮迹作用处及混凝土板接缝处[14]。镀锌钢丝网不仅能承受拉伸作用，还能承受弯拉作用，所以选用三维梁单元B32来模拟钢丝网的钢丝单元；土工格栅网孔形状为矩形，各筋条只能抵抗轴向拉伸，无法抵抗弯拉作用和轴向压缩，所以土工格栅选用三维杆单元(T3D2)来模拟；针对土工布的结构特点以及力学性能，使用薄膜单元M3D8R来进行模拟。加筋材料的力学参数见表1。

表1 加筋夹层计算参数Table 1 Calculation parameters of stiffened interlayer

1.4荷载模型

我国在进行路面结构设计时使用双轮组单轴载100kN作为标准轴载，以BZZ-100表示。通过实地观测，车辆在路面上行驶时，轮胎与路面的真实接触情形为椭圆形接触。为了简化模型，基于面积等效原则，将车辆荷载的作用区域等效为矩形，矩形大小为18.6cm×19.2cm，如图1所示。

图1 荷载接触面模型（单位：cm）Fig. 1 Model of load contact surface (unit: cm)

1.5 路面结构及其材料参数

路面各结构层材料力学参数参照相关规范取值，见表2。其中沥青面层分为4cm的上面层和8cm的下面层。路面结构模型平面尺寸由四块水泥混凝土板决定，其中每块板长5m、宽4m，每块板之间的接缝距离均为5mm。

表2 路面结构计算参数Table 2 Pavement structure calculation parameters

2 计算结果与分析

2.1 加筋材料位置对沥青面层荷载应力分析

将钢丝网防裂夹层布置在新建AC+PCC复合式路面结构中的形式分为三种，分别为方案一（镀锌钢丝网防裂夹层布置于沥青上、下面层之间）、方案二（镀锌钢丝网防裂夹层布置于沥青下面层与水泥混凝土板之间）和方案三（钢丝网防裂夹层双层布置于沥青上、下面层之间及沥青下面层与水泥混凝土板之间），并与相同路面结构下未布置镀锌钢丝网防裂夹层的情况进行对比，进行力学响应计算，分析镀锌钢丝网防裂夹层的合理布置形式。

由表3可得，与未布置钢丝网加筋防裂夹层的路面结构相比，三种加筋方案的AC层层底最大拉应力σa、AC层层底最大剪应力τa及PCC板顶最大弯沉差Δl都有较大幅度地降低。对于AC层层底最大拉应力，三种加筋方案分别比未加筋方案小0.078、0.285、0.308 MPa，减小幅度分别为10.6%、38.8%、41.9%。由于AC层层底最大拉应力σa反映了路面结构抵抗横向张开型反射裂缝的能力，可见对于防治横向张开型反射裂缝，防裂效果从优到劣的排序是方案三、方案二、方案一、未加筋。

表3 钢丝网不同布置位置的力学响应Table 3 Mechanical response of wire mesh at different positions

对于AC层层底最大剪应力，三种加筋方案分别比未加筋方案小0.155、0.497、0.520 MPa，减小幅度分别为9.4%、30.0%、31.4%。由于AC层层底最大剪应力τa反映了路面结构抵抗水平剪切型反射裂缝的能力，可见对防治水平剪切型反射裂缝，防裂效果从优到劣的排序是方案三、方案二、方案一、未加筋。

对于PCC板顶最大弯沉差，三种加筋方案分别比未加筋方案小0.195×10-5、0.233×10-5、0.262×10-5m，减小幅度分别为12.6%、15.0%、16.9%。由于PCC板顶最大弯沉差Δl反映了路面结构抵抗竖向剪切型反射裂缝的能力，可见对于防治竖向剪切型反射裂缝，防裂效果从优到劣的排序同样是方案三、方案二、方案一、未加筋。

综合上述分析，可知在防治反射裂缝的效果上，方案三>方案二>方案一>未加筋，其中方案二和方案三远优于方案一，对于方案二和方案三来说，虽然方案三的防裂效果要略微好于方案二，但其工程造价却是方案二的两倍，施工也更复杂，经济效益方案二优于方案三，因此选取方案二为加筋防裂夹层的最优布置方案。

2.2 荷载变化对沥青面层荷载应力的影响

研究加筋防裂夹层结构在超载作用下对AC+PCC刚柔复合式路面结构反射裂缝的防治效果，加载范围为0.7~1.2 MPa，按步长0.1MPa依次取值，对布置与未布置镀锌钢丝网防裂夹层的复合式路面结构进行计算分析，结果如图2~图4所示。

图2 荷载变化对AC层层底最大拉应力的影响Fig. 2 Influence of load change on the maximum tensile stress at the bottom of AC layer

图3 荷载变化对AC层层底最大剪应力的影响Fig. 3 Influence of load change on maximum shear stress at the bottom of AC layer

图4 荷载变化对PCC板顶最大弯沉差的影响Fig. 4 Influence of load change on maximum deflection of PCC plate roof

从图2~图4可以看出，随着胎压的增大，布置加筋防裂夹层与未布置加筋防裂夹层的复合式路面AC层层底最大拉应力、层底最大剪应力、PCC板顶最大弯沉差都随之增长。当胎压从0.7MPa增大到1.2MPa，未布置钢丝网的路面结构AC层层底最大拉应力增长幅度为101%，层底最大剪应力增长幅度为161%，PCC板顶最大弯沉差增长幅度为93%；布置钢丝网路面结构AC层层底最大拉应力增长幅度为65%，层底最大剪应力增长幅度为104%，PCC板顶最大弯沉差增长了48%，未布置钢丝网路面结构三个力学分析指标的增长速度明显大于布置了钢丝网路面结构。

通过横向对比可以发现，在相同轮压作用下布置钢丝网各力学指标明显小于未布置钢丝网的路面结构，并且胎压越大，减小幅度越大。当胎压为1.2MPa时，布置钢丝网比未布置钢丝网AC层层底最大拉应力比减小50%，层底最大剪应力减小45%，PCC板顶最大弯沉差减小35%。从图2可得，在胎压为1.2MPa时布置钢丝网AC层层底最大拉应力与胎压为0.7MPa时未布置钢丝网AC层层底最大拉应力相当。

从以上分析中可以得出，在荷载作用下，布置钢丝网加筋防裂夹层的复合式路面结构相较于未布置防裂夹层的路面结构能够改善AC层和PCC层的的受力状态，钢丝网通过自身的高抗拉作用与低延伸率来达到缓解接缝处的应力集中程度与竖向剪切位移的目的，降低AC层层底最大拉应力和剪应力，使PCC板顶裂缝两端受力均匀，减小板顶最大弯沉差，并且随着荷载的增加，钢丝网加筋防裂夹层的这种改善效果越明显。因此，钢丝网加筋防裂夹层能够有效抑制重载交通作用下的复合式路面结构出现张开型和剪切型反射裂缝。

2.3 不同加筋材料防裂效果比较

分别以钢丝网、土工格栅、土工布作为夹层筋材，分析计算不同的筋材加筋AC+PCC复合式路面结构各力学响应指标。

（1）AC层层底最大剪应力

设置三种不同加筋材料后刚柔复合式路面AC层层底最大拉应力σa的柱状图如图5所示。同未布置任何加筋夹层的路面结构相比，布置了不同加筋夹层的路面结构AC层层底最大拉应力σa的减小率见表4。

表4 不同筋材AC层层底最大拉应力σa减小率Table 4 Reduction rate of maximum tensile stress σa at the bottom of AC layer with different reinforcement

图5 不同筋材AC层层底最大拉应力σa柱状图Fig. 5 Bar diagram of maximum tensile stress σa at the bottom of AC layer with different bars

由表4和图5可知，不同加筋材料对降低刚柔复合式路面结构AC层层底最大拉应力σa的贡献从大到小为钢丝网、土工格栅、土工布。与未布置任何夹层相比，布置了钢丝网、土工格栅、土工布后路面结构AC层层底最大拉应力σa分别减小了38.78%、11.43%、8.30%。由此可见，钢丝网加筋防裂夹层防治横向张开型反射裂缝的能力明显优于土工格栅和土工布。

（2）AC层层底最大剪应力

设置三种不同加筋材料后刚柔复合式路面AC层层底最大剪应力τa的柱状图如图6所示。同未布置任何加筋夹层的路面结构相比，布置了不同加筋夹层的路面结构AC层层底最大剪应力τa的减小率见表5。

图6 不同筋材AC层层底最大剪应力τa柱状图Fig. 6 Bar diagram of maximum shear stress τa at the bottom of AC layer with different bars

表5 不同筋材AC层层底最大剪应力τa 减小率Table 5 Reduction rate of maximum shear stress τa at the bottom of AC layer with different reinforcement

由表5和图6可知，不同加筋材料对降低刚柔复合式路面结构AC层层底最大剪应力τa的贡献从大到小为钢丝网、土工格栅、土工布。与未布置任何夹层相比，布置了钢丝网、土工格栅、土工布后路面结构AC层层底最大剪应力τa分别减小了30.01%、7.79%、4.41%。由此可见，钢丝网加筋防裂夹层防治水平剪切型反射裂缝的能力明显优于土工格栅和土工布。

（3）PCC板板顶弯沉差

不同材料加筋刚柔复合式路面后PCC板板顶最大弯沉差Δl的柱状图如图7所示。同未布置任何加筋夹层的路面结构相比，布置了不同加筋夹层的路面结构PCC板板顶最大弯沉差Δl的减小率见表6。

图7 不同筋材PCC板板顶最大弯沉差Δl柱状图Fig. 7 Maximum bending and settling error Δl bar chart of PCC plate with different bars

表6 不同筋材PCC板板顶最大弯沉差Δl减小率Table 6 Maximum bending and settling error Δl reduction rate of PCC plates with different bars

由表6和图7可知，不同加筋材料对降低刚柔复合式路面结构PCC板板顶最大弯沉差Δl的贡献从大到小为钢丝网、土工格栅、土工布。与未布置任何夹层相比，布置了钢丝网、土工格栅、土工布后路面结构PCC板板顶最大弯沉差Δl分别减小了15.02%、3.61%、1.81%。由此可见，钢丝网加筋防裂夹层防治竖向剪切型反射裂缝的能力明显优于土工格栅和土工布。

3 结论

（1）对于AC+PCC刚柔复合式路面结构，沥青面层的摊铺方式各不相同，造成钢丝网的布置位置有差异。当钢丝网加筋防裂夹层布置于AC+PCC刚柔复合式路面沥青面层与水泥混凝土基层之间时，其防裂效果与经济效益最优。

（2）随着荷载增大，复合式路面结构AC层层底最大拉应力、最大剪应力以及PCC板板顶最大弯沉差均与之增长，即荷载作用是复合式路面结构产生反射裂缝的重要原因之一，加铺防裂层材料能显著提高复合式路面防治反射裂缝的性能，可有效抑制横向张开型、水平剪切型与竖向剪切型反射裂缝的产生和扩展。

（3）钢丝网加筋防裂夹层防治横向张开型、水平剪切型以及竖向剪切型反射裂缝的能力明显优于土工格栅和土工布，防裂性能排序为：钢丝网>土工格栅>土工布。