新型土工格室加筋沥青路面实测响应特性研究

李小伟 朱云升 赵世杰 王先镕 苏天圣 张振武

(武汉理工大学交通与物流工程学院1) 武汉 430063) (湖北交通投资集团有限公司2) 武汉 430070)(湖北黄黄高速公路经营有限公司3) 蕲春 436300) (兰州德科材料工程有限公司4) 兰州 730000)

0 引 言

在重载交通作用下，沥青路面的各种病害问题会减小沥青路面的使用寿命，还会影响行车时的舒适性和安全性[1-3].将土工合成材料应用于沥青路面中，可以改善其路用性能，减少沥青路面各类病害产生[4-7].Ferrotti等[8]基于重复循环荷载试验研究了纤维土工格栅在柔性路面上的应用，Pasquini等[9]通过真实尺度的现场试验、界面剪切试验、弯曲试验分析了土工格栅加筋后沥青路面的各种力学指标，Saghebfar等[10]进行了一系列试验来分析土工布对路面结构的加筋效果.土工格栅和土工布通过界面间摩擦力与骨料间互锁改善应变响应，但其改善作用有限.三维加筋材料土工格室加筋机理体现在格室产生的侧向约束作用，常用于地基、斜坡、挡土墙和路堤[11]之中并取得了很好的应用效果，但目前国内外相关研究还未涉及到三维土工格室用于加筋沥青路面，文中尝试利用三维土工格室侧向约束作用进行路面结构沥青面层加筋，预期可有效减少沥青路面结构裂缝病害.

土工格室对沥青混凝土的抗压性能、低温抗裂性、抗疲劳性能、抗剪切流动变形性能等方面均具有明显的加筋提升作用，而文中则主要是通过现场应用来检验其加筋效果，通过现场土工格室加筋沥青路面结构力学响应现场实测，来研究土工格室材料对真实沥青路面面层结构力学响应的影响[12].为了保证土工格室的展开和直立，在摊铺之前采用张拉器对土工格室进行拉伸，在其完全张拉伸展之后再填入沥青混合料进行摊铺，而为了满足摊铺时的温度要求，通过高温变形性能测试后采用具有良好耐高温性能的聚丙烯(polypropylene,PP)材料来制备土工格室.试验路段完工后，通过动态和静态采集系统分别检测不同车速与车载作用下加筋路段与未加筋路段的应变响应，并基于路面结构沥青下面层底部的纵向拉应变响应、路面蠕变变形和应变改善系数，评价土工格室对沥青层的加筋效果.

1 现场试验路选择及试验方案

1.1 路面结构性能

试验场地为湖北某高速公路K765+000—K767+000路段，该公路为一条四车道高速公路，每条车道宽度3.75 m，路面结构组成见表1.该路段沥青路面结构出现严重的裂缝病害、翻浆病害和车辙病害，经过多次常规养护维修后无法消除路面结构病害，文中结合本路段沥青路面大修工程，选择50 m需要进行沥青面层全厚铣刨并重新加铺的路段进行土工格室加筋沥青面层的应用，土工格室铺设于维修路面的交通流量大的主行车道上.

表1 路面结构和厚度

试验所用土工格室类型为注塑预定型，PP土工格室，其由高强土工格室条带整体编制而成.格室高度为20 mm，两节点间距为60 mm，节点处采用注塑成型工艺.改性后的PP格室条带的软化温度为158.8 ℃，即在158.8 ℃下格室的物理力学性能不发生变化，其最大能够承受165 ℃高温，但此时格室片会受热稍微向内蜷缩，在土工格室内进行填料时，格室会整体向内收缩，这里的收缩变形很小，且不会随着温度降低而恢复，即在水平方向上给沥青混凝土施加了一个较小的预应压力，增强了格室的侧向约束力.25 ℃下PP土工格室节点及条带的拉伸性能见表2.

表2 土工格室的性能

1.2 耐高温土工材料选择及观测元件埋设

现场使用的PP土工格室及应变计见图1.格室条带强度可达3.2 MPa，节点相对于条带更容易破坏，而节点的抗拉强度也达到了1.5 MPa，这远远小于车辆荷载在沥青路面结构层内产生的应力水平，可以确保在车辆荷载作用下格室材料不会产生强度破坏.使用日本进口的应变计KM-HAS采集路面结构特定位置应变响应数据，该种应变计既可以监测动态应变，也可监测静态应变，工作温度范围为-20～180 ℃，满足现场试验的温度要求.

图1 现场试验土工格室及应变计(单位：mm)

在主行车道上布设两个测试断面，一个断面在沥青下面层底部铺设土工格室，另外一个断面不铺设土工格室，应变计直接安装在轮迹带正下方的沥青下面层底部，每个试验段安装4个应变计，见图2.每侧分别采用两个不同的应变计进行监测，减少数据的偶然性，两种应变计相距10 m，见图2a)，结构层的厚度，以及土工格室和应变计的深度位置见图2b).

图2 应变计埋设截面示意图(单位：m)

在铺设土工格室之前，需要在预先确定的安装位置上提前准备粒径较细的沥青混合料垫层，见图3a).Willis等[13-14]指出，沥青路面同一位置纵向拉应变比横向拉应变更加敏感，因此KM-HAS应变计仅用于监测路面结构沥青下面层底部的纵向拉应变，以减少工作量和经济成本.采用张拉器将土工格室张拉固定于基层，以确保土工格室能直立于高温沥青混合料中，见图3b).

图3 应变计和张拉器的现场安装及沥青混凝土摊铺

1.3 土工格室现场铺设效果与现场试验方案

对服役一段时间后的加筋路面结构进行现场钻芯取样，见图4.芯样中土工格室及沥青混合料的结构保持完好，条带在压路机重力及搓揉作用下仍然完全保持直立，并没有在现场摊铺及压实的过程中产生倒塌.此外，土工格室条带与沥青混合料的粘结比较紧密，未产生明显分离，这表明与土工格室接触部位的沥青混合料密实性良好.土工格室的加入不会破坏沥青面层的整体性能，可以有效地发挥加筋作用.

图4 现场芯样中土工格室条带分布状态

在三种不同轴载下，进行了三种不同车速下的动态试验.考虑到试验路段重载交通比例较大的实际情况，加载车轴载由100 kN变化到200 kN，增量为50 kN.在每种车载条件下，卡车的速度在20～60 km/h，速度增量为20 km/h.不同的车速和轴载代表了不同的加载条件，在每种条件下的现场动载试验均重复3次.如果两个相邻10 m的应变计的数据误差大于20%时，则重新采集数据，如果误差小于20%，则取其平均值作为采集的数据.采用与动载试验相同的三种轴载进行静载试验，平行试验次数也与动载试验时相同，表3为现场测试加载工况方案.

表3 现场试验工况

2 路面响应现场测试试验结果分析

2.1 动态试验结果

对于加筋和未加筋沥青路面结构，当车速为20 km/h时，不同轴载下沥青下面层底部的纵向拉应变见图5a).由图5a)可知:动载作用下的纵向拉应变的变化趋势基本一致为“M”形，应变随轴载的增大而增大.当卡车前轴通过监测段时，沥青下面层底部的纵向拉应变达到第一个峰值，当卡车后轴通过监测段时，监测段的荷载达到最大，产生第二个更大的纵向拉应变峰值.

“M”形应变分布的原因与沥青混合料的黏弹性特性有关，弹性应变恢复快，黏性应变恢复慢，而且卡车的重心偏向于第二轴，这是沥青下面层底部的纵向拉应变的第二个峰值大于第一个峰值的原因.由图5b)可知，土工格室加筋后的沥青下面层底部的纵向拉应变的第一峰值应变和第二峰值应变略有降低.上述结果可知，土工格室在控制纵向拉应变响应方面有明显的效果，一方面是土工格室自身对沥青混合料起到了侧向约束的作用，另一方面则是土工格室与沥青混合料之间形成了一种加筋复合层结构，能够更好的分担车辆荷载在路面结构层内产生的拉应力.

图5 时速20 km/h不同轴载纵向拉应变时程曲线与峰值应变

图6～7为车速为40 km/h和60 km/h时，土工格室加筋结构和未加筋结构在不同轴载下沥青下面层底部的纵向拉应变响应.由图6～7可知:纵向拉应变的变化规律与之前相似，相比于未加筋结构，土工格室加筋后的路面在纵向拉应变峰值的控制方面表现出更好的效果.值得注意的是，两个峰值之间的时间随着速度的增加而减少，这是由于车速越快，车辆前轴与后轴经过检测断面的时间间隔越短.

图6 时速40 km/h不同轴载纵向拉应变时程曲线与峰值应变

2.2 静载试验结果

静态加载纵向应变时程曲线见图8.由图8可知，加筋路面结构和未加筋路面结构均为拉应变，在相同的轴载作用下，土工格室加筋路面结构的沥青下面层底部纵向拉应变要小于未加筋结构.当轴载分别为100，150和200 kN时，140 s时未加筋路面结构的下面层底部纵向拉应变分别为152.6×10-6、195.8×10-6和336.8×10-6，而加筋路面结构则为75.8×10-6、100.2×10-6和134.5×10-6.这表明土工格室对沥青下面层的拉应变有明显的抑制作用，对沥青面层抗裂性能有一定的提升.此外，试验路段的位置选择在基层有轻微裂缝处，这也说明这种抑制作用在一定程度上可以预防基层反射裂缝自下而上的扩展，有效减小沥青面层反射裂缝产生.

图8 静载作用下的纵向拉应变变化曲线

沥青混合料的蠕变变形行为主要由其粘弹性性质决定，因此，将现场实测的路面结构纵向拉应变剔除瞬态弹性应变，其时程曲线见图9.由图9可知，未加筋路面结构的的纵向拉应变相比于加筋路面结构明显减小，例如，当轴载分别为100，150与200 kN时，140 s时加筋路面结构沥青下面层底部产生的蠕变纵向拉应变为11.8×10-6、17.2×10-6和23.7×10-6，而未加筋路面结构产生的蠕变纵向拉应变则为25×10-6、28.1×10-6和28.8×10-6，可以看出:土工格室加筋有效抑制沥青路面结构的纵向蠕变变形.

图9 不同轴载作用下蠕变应变变化曲线

2.3 试验结果讨论

动态试验中不同车速下沥青下面层底部的纵向拉应变峰值见表4.由表4可知:在未加筋和土工格室加筋的两种情况下，纵向拉应变峰值随车速的增加而减小.根据以往的研究分析，下降的原因是由于沥青路面的固有频率相对较低.当货车低速行驶时，车辆荷载的主导频率接近沥青路面的固有频率，路面的振动被放大.也就是说，土工格室降低了沥青路面结构的固有频率，从而减小了路面的动态应变响应.

表4 沥青下面层层底动态荷载下纵向拉应变峰值

为了描述PP土工格室随着车载和车速增加时对路面结构的加筋改善作用，本文提出了沥青路面结构动态应变改善系数的概念，动态应变改善系数Fm为

(1)

式中：Ff为加筋路面结构沥青下面层底部的纵向拉应变的第一个峰值；Fs为加筋路面结构下面层底部的纵向拉应变的第二个峰值;Fuf为未加筋路面结构下面层底部的纵向拉应变的第一个峰值；Fus为未加筋路面结构下面层底部的纵向拉应变的第二个峰值.

由图7～8可知:静载试验加载140 s后，蠕变应变缓慢增加，沥青下面层底部的纵向蠕变拉应变趋于稳定.因此，将140 s时路面沥青下面层底部的纵向拉应变近似视为静态应变响应峰值.静载试验中不同轴载作用下的路面结构静态应变响应峰值见表5.

图7 时速60 km/h不同轴载纵向拉应变时程曲线与峰值应变

表5 沥青下面层层底静态荷载作用140 s时的纵向拉应变

为了体现土工格室在静载试验中的加筋改善作用，同样定义路面结构静态应变改善系数(Fm)为

(2)

式中：FRE为加筋系统的静态应变；FUN为未加筋系统的静态应变.

路面结构沥青下面层底部在不同静态轴载和动态轴载作用下纵向拉应变的改善系数随行车速度的变化情况见图10.由图10可知，Fm随着轴载的增加而增大，这表明车辆轴载越大，路面结构沥青下面层底部动态应变改善系数显著提高，也就是说，在土工格室条带和节点强度足够而不发生强度破坏的条件下，随着轴载的增加，土工格室对路面结构沥青混合料的侧向约束作用越强，其对沥青路面的加筋改善作用发挥越充分，可以更加有效地改善沥青面层的抗裂性能，这也表明土工格室加筋沥青路面结构是缓解重载交通下的沥青路面病害问题的一种行之有效的解决措施.

图10 路面结构纵向拉应变改善系数Fm

此外，Fm随着车速的增加而减小.路面结构在静态车辆轴载作用下(车速为0 km/h)沥青下面层底部纵向拉应变改善系数最大，对沥青层蠕变变形的抑制作用最强，而随着车辆行驶速度提高，沥青下面层底部纵向拉应变改善系数逐步减小，土工格室加筋改善作用发挥相对减弱，这是由于当车辆高速行驶时，轴载对路面作用时间迅速减少，变相的减少了路面负载，从而使得改善系数下降.

3 结 论

1)与聚乙烯(PE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)相比，聚丙烯(PP)具有更好的耐温性，是一种适用于加筋沥青面层的土工格室材料.此外，现场试验的施工表明，使用张拉器可以很好地避免土工格室在沥青混合料高温作用下收缩和翘曲.

2)从动载试验结果看，PP土工格室加筋路面系统对抑制沥青层底部纵向拉应变峰值是有效的，可以有效提高沥青面层抗裂性能.当车速40 km/h时，轴载为100，150和200 kN下的改善系数分别为0.45，0.75和0.97，车载越重，加筋改善作用发挥效果越好，有利于缓解重载交通下的路面病害.此外，当轴载为150 kN时，车速为20，40和60 km/h下的改善系数分别为0.89、0.75和0.61，可以看出，车速增加，加筋改善作用降低.

3)从静载试验结果来看，沥青层在车辆荷载作用下发生蠕变，而土工格室加筋对沥青路面的蠕变变形有一定的抑制作用.此外，与未加筋路面相比，土工格室还可以降低沥青层在静载作用下的纵向拉应变，同样提高了沥青层的抗裂性能.轴载为100 kN、150 kN和200 kN下的改善系数分别为0.78，0.96和1.21，与动载试验结果一致，轴载越大，沥青层的加筋作用发挥越充分.