道路抗裂土工格栅类应力吸收层的应用分析

文/马东雄、孙辉

1 前言

随着社会经济的快速发展和我国居民汽车保有量的不断提升，对道路的需求量及其质量要求越来越高。我国很多早期修建的道路路面多数为水泥混凝土路面，长时间使用后路面会出现裂缝。目前，道路施工中普遍是在原有水泥路面的基础上使用沥青集料进行铺设，但是沥青路面在长时间使用过程中逐渐暴露出一些问题，比如高温环境下容易出现车辙、低温环境下容易出现裂纹等。这些问题的存在不仅降低了道路路面的使用寿命，还对路面行车安全构成了一定威胁。工程实践经验表明，在“白改黑”道路路面施工中，在原有路面裂缝部位使用抗裂土工格栅类应力吸收层，能显著改善沥青路面的性能，提升路面的使用寿命以及行车安全性。本文介绍了道路抗裂土工格栅类应力吸收层的原理及其应用情况，对于保障沥青路面施工质量具有重要的工程实践意义。

2 抗裂土工格栅类应力吸收层的原理

2.1 降低反射裂缝并推迟疲劳破坏

“白改黑”沥青路面由于原有路面存在裂缝，经长时间使用后不可避免地会出现不同的裂缝，按照裂缝方向可以分为两种类型：纵向裂缝和横向裂缝。纵向裂缝主要是车辆载荷过大，导致路面承受过大的剪切应力而产生的；横向裂缝主要是路面温度变化导致半刚性基层在水平方向出现位移而产生的。沥青路面水平方向出现位移使得沥青加铺层在部分区域产生显著的拉应力，且拉应力区域通常在裂缝上侧。剪切位移使得沥青加铺层在某些区域出现显著的拉弯应力，此区域通常位于接缝的上侧。在沥青路面施工中，在原有水泥混凝土路面裂缝部位使用抗裂土工格栅类应力吸收层可以有效降低反射裂缝出现的概率。因为土工格栅的弹性模量通常相对较大，先铺设土工格栅再进行沥青混凝土路面铺设，能显著提升沥青路面的整体结构性能，其抗剪性能和抗拉性能均得到显著提高。同时，可将裂缝部位出现的应力集中现象进行疏散，将其传递到其他端部，甚至将应力完全消除，从而制约反射裂缝的扩展。

一般而言，沥青路面行驶的车辆类型非常复杂。被车轮压过的路面区域必然会承受非常大的方向向下的压应力作用。相反的，未被车轮压过的区域通常会承受对应的拉应力。这两种力存在方向差异，对应两块区域交界的部位会出现显著的力的突变，且这种力的变化呈现出周期性的特点。所以，道路路面容易出现疲劳损伤，最终导致路面开裂的问题。在生产制作土工格栅时，通常会在内部添加玻璃纤维或钢纤维，从而保证土工格栅的延伸性能。通过实验数据表明，土工格栅的本构关系几乎呈一条竖线，表明随着拉应力的增加，土工格栅的应变量非常小，意味着土工格栅的抗应变性能非常好。在道路路面铺设中，在车轮碾压区域添加土工格栅能极大地提升对对应区域路面的抗弯性能，当路面载荷相对较大时不至于出现明显的弯沉。另一方面，土工格栅还可以使路面中出现的拉应力或者压应力更加分散，避免出现力的突变的问题，从而有效推迟疲劳破坏问题的出现。

2.2 耐高温车辙和低温收缩裂纹

沥青材料在高温条件下会变软，呈现出很强的流变性特征。因此在夏季高温气候条件下，道路上行驶的汽车会导致沥青路面出现流动和变形，并且沥青集料没有其他物体对其流动和变形情况进行限制，所以被车轮碾压过的区域会出现明显的凹陷，凹陷区的沥青集料会向车轮两侧移动，导致两侧区域出现明显凸起。这种沥青集料的流动现象是不可逆转的，时间长久后车轮碾压区域会出现明显的车辙。沥青路面施工中使用的抗裂土工格栅通常为网状结构，在沥青路面铺设此结构后，一旦沥青集料出现横向流动，会在土工格栅上面形成复合力学嵌索体系。此力学体系的形成可以对沥青集料的流动过程进行限制，降低其流动程度，防止车轮碾压区域的沥青集料向两侧区域流动，同时增加车轮区域的压实度。所以通过使用抗裂土工格栅能显著提升沥青路面的耐高温车辙性能[1]。

受到热胀冷缩效应的影响，沥青路面结构在低温环境下体积会产生收缩的现象，导致路面出现明显的拉应力，张拉应力超过了沥青路面的抗拉强度后，会出现不同程度的裂纹。再加上车辆载荷的作用。使裂纹不断地向横向和纵向方向发展，最终导致沥青路面出现不可挽回的损坏。通过使用抗裂土工格栅。能在很大程度上提升沥青路面的抗拉性能，防止路面在寒冷环境下出现裂缝的问题，另一方面，即便沥青路面已经出现了裂缝，也能在很大程度上减缓裂缝的扩展。所以抗裂土工格栅能起到抵抗低温收缩裂纹的作用。

3 抗裂土工格栅类应力吸收层的特点

已有的工程实践经验表明，道路路面施工中在原有路面裂缝部位以及车轮碾压区域使用抗裂土工格栅类应力吸收层，能起到非常好的效果。其特点和优势主要表现在以下几个方面：第一，通常道路的板块接缝部位特别容易出现应力集中问题，土工格栅可以有效降低此部位的应力集中值，改善此部位的受力条件。第二，沥青路面不管在高温还是低温环境下都容易出现问题，使用土工格栅应力吸收层则可以显著提升沥青路面在高温和低温环境下的各项性能，出现车辙和裂纹的概率大大降低。第三，可以在一定程度上提升沥青路面的防水性能，防止过多雨水渗透路基中，对路基性能造成不良影响，从而提升路面整体的稳定性和可靠性。第四，抗裂土工格栅类应力吸收层的施工过程简单方便，无须特殊的施工器具，对施工环境的要求也相对较低，所以整体的施工成本不高。第五，土工格栅类材料通常具有良好的性能，且性能比较稳定，外部环境的变化基本不会对其物理和力学性能产生明显的影响。

4 抗裂土工格栅类应力吸收层实践应用

为了对道路抗裂土工格栅类应力吸收层的实际应用效果进行分析，本研究中以河北省阜平县苍山东路施工工程项目为依托，在其中选取200m 长度的路段作为实验路段，在此路段中根据上述的工艺使用土工格栅进行铺设。为了对比研究，在相邻路段同样设置200m 的对比实验段，此路段使用传统的SBS 改性沥青应力吸收层进行铺设。其中，实验组称为A 组，对照组称为B 组，每个组均设置5 个测量点对其应变值进行检测。

本次试验测试工作在冬季运行，分别研究了不同温度、速度以及载荷对路面变形情况的影响，利用应变片检测了不同工况情况下路面的应变值。其中，温度大小依次为-8℃、-3℃、0℃、3℃，速度大小依次为5km/h、10km/h、20km/h、40km/h，重量载荷依次为139t、10t。通过对检测数据的整理，可以很好地反映不同工况条件下两种应力吸收层的实践应用效果，如图1 和图2 所示为两组典型数据统计结果。

图1 不同速度的结果对比

图2 不同温度的结果对比

从图中数据可以明显看出，随着路面行车速度的增加，路面的应变值均出现降低的趋势，随着环境温度的不断提升，路面应变值也出现逐渐提升的趋势。但是在其他条件均相同的情况下，使用土工格栅类应力吸收层，路面应变值要比传统的材料要小很多，但随着行车速度的不断增加，两者之间的差距越来越小。在车辆载荷为10t，行车速度为5km/h 的情况下，土工格栅对应的路面应变值要比传统材料对应的路面应变值平均低40%，说明土工格栅在抵抗低温收缩裂纹方面具有更好的效果。总体而言，土工格栅的应用效果更加显著，能更好地改善沥青路面的稳定性和可靠性，防止发生变形和裂纹问题。

5 实践应用社会效益分析

道路路面施工中，在特殊部位，比如原有水泥混凝土路面裂纹和车辙区域等，使用土工格栅类应力吸收层，不仅可以取得很好的效果，其总体投资以及环保性能也相对更好。如图3 所示为SBS 改性沥青混合料应力吸收层的结构示意图，由于土工格栅类应力吸收层与SBS 改性沥青混合料施工过程相比较更加简单便捷，所以可以在一定程度上降低工程总造价，与传统的SBS 改性沥青混合料相比较，其投资成本大约降低10%～15%。在“白改黑”路面施工中，使用土工格栅类应力吸收层，可以很好地避免路面出现反射裂纹问题，大大降低了路面后期的维护和保养成本。从此层面看，抗裂土工格栅类应力吸收层的经济效益更加显著。另外，在对老旧路面进行重新施工时，传统的工艺需要在路面上铺设碎石，并用专业的设备进行碾压处理，期间会产生很大的粉尘和噪声。使用土工格栅应力吸收层进行施工时可以有效规避以上问题，产生良好的社会效应[2]。

图3 SBS 改性沥青混合料应力吸收层的结构示意图

6 结语

土工格栅类应力吸收层是近年来发展起来的抵抗沥青路面产生裂纹的新兴技术，虽然此项技术发展时间不长，但是在工程应用中表现出了显著的优势。通过使用土工格栅能优化改善道路路面的受力特征，防止出现应力集中现象。土工格栅的成本不高，施工过程简单方便，无须特殊的器械装置，具有非常大的推广应用价值。本文通过对道路抗裂土工格栅类应力吸收层的基本工作原理及其应用情况进行分析，能进一步推广土工格栅在工程实践中的应用范围。