多层土工织物加筋的沥青路面力学性能分析

2010-08-21曹玉贵高文光

山西建筑 2010年7期

曹玉贵高文光

沥青路面在长期使用过程中受车辆荷载的反复作用和自然因素的不断影响,会产生不同程度的破坏,而裂缝是沥青路面最常见、对道路危害最严重的一种病害。土工格栅的使用,使得沥青混合料内的颗粒位移受到均匀的限制,全面提高材料的强度与路用性能,并会改变路面结构的应力分布,极大的减小了在荷载作用下混合料内部的应力集中程度,阻止了微裂缝的发展,能有效提高破坏强度和延缓疲劳寿命,从而提高路面的使用寿命,且已在我国道路工程中得到一定的应用[1,2]。

但是,目前大部分的相关理论和实际应用只是针对单层土工格栅加筋的沥青路面,因此,有必要对多层土工格栅加筋的沥青路面结构进行力学分析,从机理上探讨土工格栅对路面所起的加筋作用,土工格栅层数对加筋效果的影响,以及加筋路面结构强度及刚度与土工格栅模量的关系,以便建立合理的选材体系,从而对道路达到优化设计的目的。

1 计算模型与参数

1.1 荷载大小及作用形式

由于路面上行驶的车辆种类较多,所以必须选择一种标准轴载,将不同类型轴载的作用次数换算为这种标准轴载的作用次数,考虑到我国公路汽车运输车辆现状及发展趋势,路面设计一般以轴载重100 kN作为标准轴载,表示为BZZ-100。计算荷载采用标准双轮轴载100 kN,胎压0.707 MPa。所以单个轮胎与路面的接触面积为Ac=25 103/0.707=35 506 mm2,轮胎接触面积由一个矩形和两个半圆形组成,其接触面积为:Ac=π(0.3L)2+0.4L×0.6L=0.522 7L2,故 L=260 mm;为方便有限元计算,轮胎接触面积可进一步简化为等宽的单一矩形0.871 2L×0.6L,即轮胎接触面积为(226.5×156)mm2。

1.2 模型的建立

根据复合材料力学的有关原理,可把格栅与邻近的沥青混合料换算为一种材料,认为在沥青路面中存在一新的结构层,即格栅(Geogrid)与沥青混合料(AC)复合材料层,简称G-AC层。因此,可建立由土基、基层、G-AC层、面层4层构成的弹性层状体系模型。

复合材料G-AC层的弹性模量EG-AC可根据下式计算:

EG-AC=(EgVg+EaVa)/(Vg+Va)。

其中,Eg,Ea分别为玻璃纤维格栅和沥青混合料的弹性模量;Vg,Va分别为玻璃纤维格栅和沥青混合料的体积。取玻璃纤维格栅所处位置的垂直方向1 cm范围内材料进行换算。计算中,取路面纵断面,格栅分工况分别铺设在沥青混合料上面层底部、中面层底部,以及下面层底部。计算表明,换算后的G-AC层材料弹性模量在3 000 MPa～8 000 MPa之间。路面结构、材料组成、各层厚度等参数见表1。

表1 沥青路面参数

路面结构计算采用的是某道路设计断面,路面模型尺寸为(X,Y,Z)4 m×4 m×3.72 m。边界条件假设:底面上没有Z方向位移,左右两侧面没有X方向位移,前后两侧面没有Y方向位移。同时采用网格—梯度法对荷载作用区域的路面结构进行网格细化,网格的最小尺寸为0.5 cm,最大尺寸为15 cm。图1为分析模型一半的有限元网格划分。

2 计算结果及分析

2.1 土工格栅层数对沥青路面的影响分析

土工网格可考虑设置于沥青路面中的不同位置,如沥青层的上部、中部和底部,通过计算分析,寻找设置网格的最佳层数,从而使沥青路面处于最有利的应力状态。为了比较土工格栅铺设不同层数时对结构层底拉应力及剪应力的影响,本文分别将格栅铺筑一层(铺筑上面层下)、两层(铺筑上面层下和中面层下)、三层(铺筑上面层下、中面层下、下面层下)三种工况,对路面进行了分析(见表2)。

表2 沥青路面的各层应力 MPa

由表2可以看出,沥青混凝土路面不同结构层位铺设土工格栅后,各结构层正应力SY发生了较大变化。随着格栅层数增加,上面层的最大拉应力逐渐增大,对路面起到了一定的不利作用,而底基层最大拉应力则是逐渐减小,由0.032 9 M Pa减小为0.031 2 MPa(减小了5%);当沥青混凝土路面土工格栅层数由一层增大到两层时,下面层剪应力最大值由0.016 6 MPa减小为0.013 5 MPa(减小了18.7%),当增大到三层时,由0.013 5 MPa增加为0.019 6 MPa(增大了45.2%),说明土工格栅为两层时,对下面层的抗剪有利;而路面的弯沉值则是先增大后减小。以上说明当土工格栅层数布置合适时,土工格栅与路面材料的嵌锁咬合作用可以提供结构的抗剪切传荷能力,降低层间相对位移,有效防止沥青路面发生推移壅包而破坏。

2.2 格栅模量对沥青路面的影响

经计算知换算后G-AC层材料弹性模量在 3 000 MPa～8 000 MPa之间。下面分别研究土工格栅模量对路面结构的受力影响。弹性模量分别取:3 000 MPa,4 500 MPa,6 000 MPa,8 000 MPa;然后对不同土工格栅加劲层数分析,计算结果如图2～图4所示。

从图2～图4可以看出,土工格栅弹性模量提高对路面结构影响较大。当G-AC层模量由3 000 MPa变化到8 000 MPa时,路面弯沉均减小,尤其是土工格栅铺筑三层时,路面弯沉减少3%;结构层底面最大拉应力由0.032 MPa减小到 0.031 MPa,可见随着土工格栅模量增大,结构层底部拉应力减小,压应力增大;计算表明,设置土工格栅可使沥青面层的压应力减小,但幅度很小;下面层的剪应力也随着弹模的增加逐渐增大,这是由于土工格栅弹性模量的增大导致沥青层刚度突变,增大了层间剪应力。