玻纤格栅对旧水泥路面拓宽拼接的影响研究

2022-03-09张睿

交通建设与管理 2022年6期

张睿

（贵州高速公路集团有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

对拼接路面结构而言，新旧路面搭接处属于薄弱部位。当搭接处结构层有车轮荷载作用时会出现应力集中现象，使路面开裂的可能性大大提高[1]。相比于土工格栅，玻纤格栅的抗拉性和抗裂性更高，但当前关于新旧路面拼接处玻纤格栅使用情况的研究较少[2]。基于此，本文将围绕玻纤格栅对旧水泥路面拓宽拼接的影响进行研究。

1 有限元模型

1.1 荷载作用位置

在拓宽路面中，混凝土板拼接缝最不利受力[3]。基于此，本文在后续计算分析中均以一侧车轮荷载作用到接缝位置作为荷载模拟方式，以某拓宽公路为研究对象，其结构层参数及荷载作用位置如图1 所示。

图1 荷载作用位置

1.2 相关参数

所用玻纤格栅的参数如表1 所示。

表1 玻纤格栅参数

通过有限元分析软件ABAQUS 进行建模，所建模型有81382 个节点和71954 个单元。模型拼接位置的网格划分间距为0.05m，两侧的网格间距从0.12m 渐变至0.36m，路基竖向网格间距为0.2m。以单轴双轮进行加载，双轮共有70KN 的力，左右双轮有1.8m 间距[4]。所建立模型如图2 所示。

图2 拼接路面有限元模型

2 玻纤格栅对拓宽混凝土路面的影响

2.1 不同层数玻纤格栅的影响

玻纤格栅铺设位置如表2 所示。

表2 玻纤格栅铺设工况

选取1.5m 宽的玻纤格栅进行铺设，并分别模拟未铺设以及从顶层开始铺设一到四层的工况。

（1）拉应力分析

未铺设和分别铺设一到四层玻纤格栅时的模拟结果如图3所示，限于篇幅，本文仅列出部分数据。

图3 铺设不同层数玻纤格栅新旧路混凝土层拉应力云图

从结果可知，混凝土板层层底有最大的拉应力，在将玻纤格栅铺设到新旧路面拼接处后，混凝土板结构层的拉应力最大值有所减小，且其分布逐渐趋于均匀；混凝土板在未铺设玻纤格栅时有483KPa 的最大拉应力值，铺设一层玻纤格栅时有440KPa的最大拉应力，相比于未铺设玻纤格栅的工况约有8.82%的减小幅度；铺设两层玻纤格栅时有414KPa 的最大拉应力，相比于未铺设玻纤格栅的工况约有14%的减小幅度；铺设三层玻纤格栅时有410KPa 的最大拉应力，相比于未铺设玻纤格栅的工况约有13%的减小幅度；铺设四层玻纤格栅时有420KPa 的最大拉应力，相比于未铺设玻纤格栅的工况约有13%的减小幅度。进一步分析新路AC-20C 的拉应力可以知道，AC-25C 层层底有最大拉应力，此外，AC-25C 层的最大拉应力随着不断增加的玻纤格栅层数而逐渐减小，且拉应力分布更加均匀，从AC-25C 层的拉应力云图看，铺设三层玻纤格栅和四层玻纤格栅的区别较小；在未将玻纤格栅铺设到新旧路面拼接处时，AC-25C层有约117KPa 的最大拉应力，而在铺设了一至四层玻纤格栅后，AC-25C 层的最大拉应力分别降低至89KPa、61KPa、36KPa和30KPa，比起未铺设玻纤格栅的工况约有24%、48%、69%和70%的减小。

将新旧路面各结构层最大拉应力汇总，如图4 所示。

图4 不同玻纤格栅层数下各结构层最大拉应力

新路水泥稳定碎石、SMA-13 和级配碎石的最大拉应力在玻纤格栅铺设后的变化较小，旧路AC-20C 和二灰稳定碎石层的最大拉应力在铺设一层玻纤格栅后有所增大，其余结构层则有所减小。当玻纤格栅铺设层数在三层以上时，最大拉应力仅有较小变化，且有一致的变化趋势。综合上述分析可以看出，将玻纤格栅设置到新旧路面搭接处可以使结构层最大拉应力有效减小，并使结构层拉应力分布趋于均匀，此外，从经济性和施工便利性的角度考虑，铺设三层玻纤格栅更为合适。

（2）剪应力分析

在铺设完玻纤格栅后，新路AC-20C 和AC-25C 层有较大的剪应力变化。下文以这两个结构层作为研究对象，所得结果如图5 所示。

图5 路面各结构层在设置不同层数玻纤格栅时的最大剪应力变化

铺设完玻纤格栅后，AC-25C 层在新旧路面拼接缝隙处的最大剪应力不断减小，且分布趋于均匀，铺设三层和四层玻纤格栅时的应力分布情况基本一致[5]；新路AC-25C 在未铺设玻纤格栅时约有109KPa 的最大剪应力，而在铺设一至四层玻纤格栅时分别有87KPa、69KPa、58KPa 和55KPa 的最大剪应力，相比于未铺设玻纤格栅的工况分别有20%、37%、46%和79%的减小。AC-20C 层的最大剪应力随着逐渐增加的玻纤格栅层数而逐渐减小，且分布趋于均匀；铺设三层玻纤格栅和铺设四层玻纤格栅下的路面结构层剪应力区别较小，铺设一至四层玻纤格栅时分别有90KPa、82KPa、69KPa 和65KPa 的最大剪应力，相比于未铺设玻纤格栅的情况分别约减小了18%、25%、37%和41%。综合上述分析可知，路面结构层在铺设玻纤格栅后的剪应力有所减小，且路面结构抗剪性能有所提高，剪应力分布更加均匀，在设置三层玻纤格栅时达到最佳效果。

2.2 不同宽度玻纤格栅的影响

为探讨玻纤格栅铺设的不同宽度对路面各结构层的影响，分别设置了1m、1.5m、2m、2.5m 和3m 玻纤格栅铺设宽度的工况，所得结果如图6 所示。

从结果上看，水泥稳定碎石的最大拉应力均有所减小，当铺设宽度在1.5m 以上时，路面结构层有一致的最大拉应力变化规律。AC-20C 和SMA-13 层的最大剪应力有较大幅度减小，其余各结构层的剪应力仅有较小变化，各结构层的最大剪应力在1.5m 以上的铺设宽度下有少量增长。综合上述分析可知，在1.5m 铺设宽度以上时，玻纤格栅仅有较小的结构层应力改善效果，因此，建议以1.5m 作为玻纤格栅的铺设宽度。

3 扩建路面拓宽设计

综合上述分析和项目实际，在背景项目的新旧路面搭接缝处共设置三层玻纤格栅，具体如图7 所示。

图7 拓宽路面玻纤格栅

3.1 拼接部位处理

若在不利位置作用有车辆荷载就会容易形成应力集中现象，不利于路面结构安全。此外，在搭接新旧路面时，老路面的级配碎石底基层在开挖台阶时难以成型，边角部位容易有坍塌现象出现。针对该问题，对拼接部位做出如下处置：一是在级配碎石层和水泥稳定碎石底基层拼接处浇筑宽度为0.5m 的混凝土，在水泥稳定基层拼接处浇筑宽度为0.35m 的混凝土；二是在混凝土面板搭接处和水泥稳定碎石基层搭接处设置混凝土块；三是通过在沥青混凝土面层设置一层玻纤格栅的方式提高路面抗剪性能[6]。