柔性路面加铺土工格栅加筋沥青覆盖层的性能评估

陈荟宇

摘要：土工合成材料已被广泛应用于路面维护，可以最大限度地减少裂缝，从而减少路面结构层中的永久位移和应变。加速路面试验技术和数值模拟技术适用于评估土工格栅在提高沥青覆盖层结构方面的作用。文章通过二维有限元模拟，分析控制土工格栅加筋沥青加铺层性能的变量及其对柔性路面响应的影响。数值预测结果表明，土工格栅的存在显著影响路面的结构性能，路面的应力降低主要发生在基层;有限元参数评估表明，放置在沥青层中的土工格栅即使是在涉及软弱路基的情况下也能够提高路面系统的整体承载能力。通过将数值预测结果与大型加速铺设模型中的试验结果进行比较，验证了有限元模型的准确性。

关键词：有限元模型;沥青覆盖层;土工格栅;柔性路面

0 引言

作为一项新技术，土工合成材料已被广泛应用于减少公路的裂缝[1]。土工格栅可以加强沥青覆盖层的强度，改善路面的机械性能[2]。虽然当前对使用土工格栅在结构上增强沥青覆盖层的研究有限[3]，但实际数据表明，土工格栅不仅导致沥青拉伸应变降低，而且可以最小化永久位移和路面临界应变。

路面性能取决于许多因素，包括路面层的厚度、土工合成材料的位置、类型、性能、荷载特性以及土工合成材料和路面层之间的结合方式等[4]。这导致很难通过大规模的实验室或现场路段来评估多种因素造成的影响，现行较为合理的方式是通过有限元对其进行模拟[5]。一些学者通过有限元模拟进行了沥青覆盖层结构的数值模拟，但几乎没有得到现场实验数据的验证。因此，本文使用2D有限元模型评估土工格栅加筋沥青加铺层对柔性路面响应的影响。数值模拟是使用PLAXIS进行的，并将数值模拟的结果与在大规模铺设模型中获得的实验结果进行比较来验证。

1 实验室道路模型

桂林绕城高速公路灵川至僚田段位于桂林市西北方向，起點为桂林至黄沙河一级公路灵川段的粑粑厂以北，经独田、定江、庙岭，终于包茂高速公路僚田互通立交。本文以该公路路段为原型建立了实验室道路模型。

使用卡车负载的车轮跟踪设备模拟大规模铺设公路模型。车轮跟踪设备安装在一个内部尺寸为1.8 m（高）×1.6 m（宽）×1.8 m（长）的大型钢制测试箱上。在该测试箱中，建立了铺设道路模型。车轮（直径为546 mm、宽度为154 mm）产生的接触压力约为700 kPa。

如图1所示展示了土工格栅增强铺设道路模型的设置情况。路面结构由60 mm厚的沥青覆盖层、50 mm厚的沥青下层、200 mm厚的路面下层和1.0 m深的路基土层组成。沥青混凝土层使用振动板压实。用于基层的骨料（玄武岩碎石）使用100 mm厚的升降机和振动板进行压实。路基层材料通过人工在测试箱中用50 mm厚的升降机压实。土工格栅加固包括将聚乙烯醇土工格栅粘合到聚丙烯非织造土工织物上，该土工织物安装在沥青层和新覆盖层之间。土工格栅加筋的参数为：极限抗拉强度为50 kN/m，切向刚度为900 kN/m，应变为2%。

本文设计了一个程序来监控铺设道路模型中的相关变量，目的是量化车轮荷载下路面层的机械响应。沥青表面垂直位移采用LVDT（一种监测仪）进行监测。H型沥青应变仪（ASG）安装在沥青层上，以测量车轮行驶后的拉伸应变。在沥青层之间、路面下层的底部、基层的中间和路基的顶部安装了测压元件，用于监测关键位置的垂直应力。同时，还安装了机械引伸计测量沿土工格栅的应变。

2 实验结果与有限元模拟的验证

本文使用PLAXIS软件中的2D轴对称有限元模型进行数值模拟，并根据大规模土工合成材料加筋路面模型的实验数据验证数值模拟结果。有限元模型沿用了图1中铺设道路模型的几何形状和机械特性。土工格栅和沥青面层材料考虑采用线弹性材料，弹性模型是诱导应变非常小并且在弹性范围内的模型。使用摩尔-库伦本构模型对基层和路基土壤进行建模，并使用三轴压缩试验的结果进行校准。如表1所示，列出了初始有限元模拟中采用的材料特性和本构模型。

图2展示了2D有限元模型的网格划分，设计了具有15个节点结构的实体单元，用于细化分析土工格栅加筋铺设道路模型。由于路面系统的对称性，本文只模拟一半的结构，以节省工作量。网格的两侧水平固定，但可以垂直移动。网格的底部是粗糙的，为了限制水平和垂直位移。假设土工合成材料层和沥青层之间是完全粘结而形成的，两层之间的相互作用变得很简单。通过施加700 kPa的接触压力来模拟荷载条件，该接触压力也用于实验室试验。在低应力幅值下，动荷载对土工格栅加筋路面的性能没有显著影响。

为了验证数值模型，将数值模拟结果与实验结果进行了比较。下面分别进行有效垂直应力、沥青表面位移和土工格栅应变的比较。

如图3所示，有限元模型准确地预测了铺设道路中测量的有效垂直应力。在关键位置（沥青层之间的界面、下层沥青层的底部、基层的中间以及路基层顶部以下10 cm处）与实验结果吻合度都很高。

图4比较了实验和预测的最终表面垂直位移结果。有限元模型也能够准确地模拟在实验室铺设道路模型中获得的车轮荷载区域（车辙）下的最大垂直位移。然而数值预测并没有显示在实验结果中观察到的车轮轨道旁边的隆起区域。实验结果中的隆起可以用最初的沥青混凝土固结来解释，这通常在后压实阶段表现出来。在初始的强烈变形后，后续的变形均匀且在整个试验过程中保持稳定发展。尽管本研究中使用的模型没有捕捉到沥青层所有方面的长期性能，但数值预测结果与实验结果在最大表面垂直位移方面高度拟合。

图5展示了在实验和数值预测中获得的沿土工格栅加筋的水平应变分布情况，数值模型与实验结果具有相同的应变分布趋势，其中最大拉伸应变在车轮载荷附近出现，并随着离车轮路径距离的增加而减小。同时，该模型能够再现土工格栅加筋中最大应变的大小和位置。此外，数值预测能够正确模拟出没有土工格栅区域的情况（距离车轮荷载300 mm）。因此，本研究采用的有限元程序能够预测垂直应力分布情况，并以合理的精度预测表面垂直位移剖面和土工格栅应变分布情况。

3 有限元参数评估

本研究使用的有限元参数模型侧重于评估改变加筋和路基刚度的效果。为了评估土工格栅加筋沥青覆盖层柔性路面承载能力，采用了一个软弱路基，通过相对较低的土壤弹性模量来表示软弱路基。表2给出了加固材料和路基的参数。作为参数研究的一部分，路面结构为一个相对较薄的沥青混凝土层，包括一个20 mm厚的下层沥青层和一个30 mm厚的上层沥青层。基层层（200 mm）和路基层（1.0 m）的厚度没有变化。进行模拟的目的是为了评估改变土工格栅和路基刚度的综合效果，主要对垂直应力、路面层中的横向应变、垂直表面位移以及安装在沥青层之间的土工格栅中的应变分布的影响进行参数评估。

图6展示了土工格栅刚度对路面模型中垂直应力分布的影响结果。使用不同的路基条件进行分析，路基刚度值设置在1 250～6 500 kPa之间。对于加固和未加固模型，预测的垂直应力剖面随不同的路基刚度而变化。

相对于在未加筋模型中观察到的分布，土工合成加筋模型显著影响了垂直应力分布。具体来说，当使用钢筋时，沿路面下层和基层的垂直应力大大降低。增加土工格栅刚度值会直接影响传递到基层的应力，这种情况在相对较弱的路基中更为显著，如图6（d）所示。

图7展示了不同路基刚度下土工格栅刚度对横向应变剖面（在車轮荷载下）的影响刚度值。土工格栅增强层导致横向应变减小，尤其是朝向土工格栅层的底部和基层层的顶部。如图7所示，尽管土工格栅导致各种路面层的拉伸应变显著降低，但这种降低并不受土工格栅刚度大小的影响，四种情况下的应变情况相似。在沥青层中使用土工格栅加筋物会在路面层中产生恒定横向应变，而未加固系统的横向应变水平随着路基刚度的降低而增加。

路面垂直应力、横向应变的降低会导致路面垂直挠度的降低。图8展示了不同路基和土工格栅刚度值下的最大表面垂直位移。在沥青层之间的界面处放置土工格栅加筋，可以减少所有加筋模型的最大表面变形，在实验室试验中也观察到了这一点。对比加固和未加固模型的预测挠度，最大车辙深度减少了40%，这表明土工格栅在路面中起到了加固的作用。在路基条件相对软弱的情况下，这个改善更加明显。

为了更好地展示安装在沥青混凝土层中的土工合成材料的作用机理，对不同土工格栅刚度下荷载引起的应变分布进行了评估。发现在未加固的模型中，覆盖层之间的水平应变的大小随着路基刚度值的降低而增加（尤其是在车轮路径位置），沿土工格栅的拉伸应变降低。在车轮荷载下，土工格栅刚度对最大拉伸应变的影响在软弱路基的情况下更为突出。

4 结语

本文利用PLAXIS软件进行二维有限元模拟，进行了一系列有限元参数评估。通过将在大型加速路面设施中获得的实验结果与数值预测进行比较，验证了数值模拟结果的准确性。可以得出以下结论：

本研究中采用的有限元程序能够预测路面层中的垂直应力分布，以合理的精度预测沥青表面的垂直位移并验证了土工格栅应变分布和移动张力的趋势，与实验结果一致。土工格栅刚度的增加导致路面垂直应力的降低，尤其是传递到基层和路基顶部的车轮荷载引起的应力。这表明沥青层中土工格栅加筋可以改善路面系统中其他层的应力，特别是在路基相对较弱的情况下。土工格栅导致各种路面层的拉伸应变显著降低，但这种降低并不受土工格栅刚度大小的影响。加固模型的预测结果表明，路基刚度对沥青层底部的横向应变影响不大。与未加筋模型相比，土工格栅加筋模型的沥青表面垂直位移减小。对于相对较弱的路基，减少更明显。沿土工格栅加筋的实测应变和预测应变的比较表明，无论土工格栅的刚度如何，应变的大小和位置都有相似的趋势。但在路基条件相对较弱的情况下，预测应变较高。

即使在较弱的路基条件下，沥青层中的土工格栅能起到减少传递到路面层的荷载引起的应力和应变的作用，可以最大限度地减少裂缝的产生。

参考文献：

[1]杨 楠，于明鑫，岳川云，等.土工合成材料加筋工粘接性能试验研究与数值模拟分析[J].粘接，2020，44（10）：22-25.

[2]刘凯琳，赵永霞，张 娜.土工合成材料的发展现状及趋势展望[J].纺织导报，2019（S1）：6-28.

[3]高紫君.土工加筋处理技术在高速路基拓宽改造中的应用[J].山西建筑，2019，45（5）：122-123.

[4]马丛亮.土工格栅在软基道路工程中的应用[J].治淮，2017（8）：50-51.

[5]李 静.土工格栅筋土界面摩阻力分布拉拔试验研究[J].人民黄河，2017，39（6）：125-129.