周天璧

(岳陽(yáng)路橋集團(tuán)有限公司 岳陽(yáng) 414000)

由于當(dāng)前交通量的提高,汽車軸載量的增加以及車輛行駛的渠化,使得我國(guó)高等級(jí)瀝青公路的使用條件日益苛刻,路面永久變形、開(kāi)裂等病害時(shí)有發(fā)生,這不僅影響路面服役時(shí)的舒適性和安全性,還會(huì)縮短其使用壽命,使路面的服役壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)使用年限[1-3]。針對(duì)瀝青路面出現(xiàn)的車轍病害問(wèn)題,在現(xiàn)階段建筑材料稀缺的背景下,許多研究者們開(kāi)始從普通材料組合的方向出發(fā)以尋求解決瀝青路面車轍病害的方法。當(dāng)前工程界針對(duì)瀝青路面車轍病害除了傳統(tǒng)的挖、埋等填補(bǔ)式處理方式外,還有一種是在瀝青層中嵌入土工合成材料從而形成一種全新的加筋復(fù)合夾層結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)方式相比,除了相對(duì)可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益外,還具有更加優(yōu)越的病害處治效果[5-6]。

土工合成材料加筋能夠使瀝青路面結(jié)構(gòu)的承載均勻化,其側(cè)向約束作用可以在一定程度上抑制由車輛荷載造成的瀝青混合料的剪切流動(dòng)變形,從而減少車轍深度及瀝青層底部的應(yīng)力和應(yīng)變,提升瀝青路面的抗車轍性能,此外,加筋材料的種類與加筋位置均會(huì)影響其對(duì)抗車轍性能的提升效果[7-9]。本文從彈性力學(xué)的平衡原理、變形協(xié)調(diào)原理出發(fā),考慮加筋邊界條件的影響,推導(dǎo)出瀝青層加筋邊界處變形與土工合成材料約束力的關(guān)系,而后根據(jù)約束力的相關(guān)影響因素設(shè)計(jì)不同的瀝青混合料加筋方案,最后通過(guò)車轍試驗(yàn)研究不同加筋方案下瀝青混合料的抗車轍性能,為土工合成材料在瀝青路面中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 基于彈性力學(xué)的土工合成材料加筋理論推導(dǎo)

1.1 平衡原理

假設(shè)瀝青層中的瀝青混合料與土工合成材料的彈性模量和泊松比分別為Ea、Eg和μa、μg,當(dāng)承受大小為p的均布荷載時(shí),土工合成材料會(huì)隨著路面的變形而變形。將土工合成材料的變形分解為豎向變形ω與平面變形μ,相應(yīng)作用于瀝青面層當(dāng)中的豎向應(yīng)力與平面應(yīng)力分別為q和S。土工合成材料與瀝青混合料形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)層厚度為h,距離表面的深度為H,荷載的分布角度為α,整個(gè)面層結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 土工合成材料加筋瀝青層受力示意圖

根據(jù)力的相互作用原理,土工合成材料作用于瀝青面層當(dāng)中的應(yīng)力與瀝青面層作用于土工合成材料本身的應(yīng)力應(yīng)當(dāng)大小相等、方向相反,將土工合成材料考慮為自由體,其受到的豎向應(yīng)力與平面應(yīng)力分別為q′和S′,S′在平面中分解為Sr′和Sθ′,整個(gè)土工合成材料自由體在極坐標(biāo)中的受力狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 極坐標(biāo)中土工合成材料自由體的應(yīng)力狀態(tài)

由于標(biāo)準(zhǔn)軸載為軸對(duì)稱荷載,因此在軸對(duì)稱和小變形的假設(shè)條件下,橫斷面應(yīng)力狀態(tài)中r方向和θ方向的平衡方程及縱斷面應(yīng)力狀態(tài)的平衡方程,如式(1)。

(1)

式中:Tr和Tθ分別為土工合成材料在徑向與縱向的拉應(yīng)力;Sr′和Sθ′分別為作用于土工合成材料表面的面應(yīng)力;q′為施加于土工合成材料上的豎向應(yīng)力;w為土工合成材料的豎向變形。

1.2 變形協(xié)調(diào)原理

除了平衡方程外,還應(yīng)考慮土工合成材料的物理方程,根據(jù)廣義虎克定律,土工合成材料的徑向應(yīng)變?chǔ)舝和縱向應(yīng)變?chǔ)?計(jì)算方法,如式(2)。

(2)

式中:Eg、hg和μg分別為土工合成材料的彈性模量、厚度、泊松比;σr和σθ為土工合成材料在徑向和縱向上的應(yīng)力,可分別用Tr/hr和Tθ/hθ表示。根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程,土工合成材料的徑向應(yīng)變和縱向應(yīng)變還可由其側(cè)向和豎向的變形得到,由側(cè)向與豎向變形產(chǎn)生的徑向與縱向應(yīng)變?nèi)缡?3)。

(3)

將徑向與縱向應(yīng)變分別疊加可得徑向與縱向總應(yīng)變?nèi)缡?4)。

(4)

將變形協(xié)調(diào)方程(4)帶入物理方程(2)中可得徑向與縱向拉應(yīng)力Tr和Tθ如式(5)。

(5)

將式(5)帶入平衡方程(1)中,可得土工合成材料側(cè)向與豎向應(yīng)力的變形表達(dá)式,如式(6)。

(6)

1.3 加筋邊界相對(duì)滑動(dòng)因子

式(6)中,w與μ分別為土工合成材料的豎向與側(cè)向變形,理想狀態(tài)下土工合成材料與瀝青混合料之間不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),因此土工合成材料產(chǎn)生的變形應(yīng)與加筋邊界處瀝青混合料的變形相同,而真實(shí)情況下土工合成材料與瀝青混合料之間或多或少都會(huì)產(chǎn)生一定的相對(duì)滑動(dòng),因此假設(shè)土工合成材料的變形與瀝青層內(nèi)部的變形的關(guān)系如式(7)。

(7)

式中:w′與μ′分別為瀝青層中加筋邊界處瀝青混合料產(chǎn)生的豎向與側(cè)向變形;λ為滑動(dòng)因子,表示土工合成材料與瀝青混合料之間的相對(duì)滑動(dòng)狀態(tài),其大小為0到1之間,當(dāng)λ=1時(shí),其不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),土工合成材料的變形完全等價(jià)于瀝青層內(nèi)部的變形,當(dāng)λ=0時(shí),土工合成材料與瀝青混合料之間完全滑動(dòng),其失去加筋作用。根據(jù)力的相互作用原理,土工合成材料承受的應(yīng)力應(yīng)當(dāng)與其施加于瀝青層中的應(yīng)力大小相等、方向相反,并將式(7)帶入式(6)中,可得瀝青層加筋邊界處的變形與作用于瀝青層內(nèi)部的側(cè)向與豎向約束應(yīng)力Sr′和q′之間的關(guān)系如式(8)。

(8)

2 加筋方案與車轍試驗(yàn)

2.1 加筋方案

由式(8)可知,作用于瀝青層內(nèi)部的側(cè)向與豎向約束力的主要影響因素有土工合成材料的彈性模量、厚度、泊松比,土工合成材料與瀝青混合料之間的相對(duì)滑動(dòng)因子,以及加筋邊界處瀝青混合料的側(cè)向與豎向變形。這些影響因素大致可以分為三大類,第一類為土工合成材料自身的物理特性,第二類為土工合成材料與瀝青混合料的邊界特性,第三類為加筋邊界處瀝青混合料自身的變形特性。第一類因素主要受土工合成材料種類的影響,為了綜合考慮土工合成材料種類的影響,選擇應(yīng)用較多的土工格柵與土工格室分別代表二維與三維加筋結(jié)構(gòu)應(yīng)用于瀝青路面當(dāng)中,性能見(jiàn)表1。

表1 土工合成材料性能參數(shù)

第二類因素主要受土工合成材料與瀝青混合料間的黏結(jié)劑影響,因此選擇黏性較好的SBS改性瀝青與相容性較好的環(huán)氧改性瀝青作為2種不同的黏結(jié)劑應(yīng)用于加筋結(jié)構(gòu)當(dāng)中,其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 黏結(jié)劑主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

針對(duì)其自身的變形特性,在加筋方案設(shè)計(jì)時(shí)方便調(diào)控的自變量為加筋層的深度H,而鋪筑時(shí)位于瀝青面層且上面層的厚度不適合土工合成材料加筋,所以在加筋方案設(shè)計(jì)時(shí)選擇的加筋位置為中層和下層。綜上所述,最終設(shè)計(jì)出12種不同的加筋方案見(jiàn)圖3。

圖3 土工合成材料的加筋方案

通過(guò)比較無(wú)加筋與方案1～12,12種加筋結(jié)構(gòu)可知不同加筋條件下的加筋效果,比較方案1、2、3、4、5、6和7、8、9、10、11、12可得不同加筋條件下二維土工格柵和三維土工格室加筋的區(qū)別,通過(guò)比較方案4、5、6、10、11、12和1、2、3、7、8、9可得不同加筋條件下加筋位置的影響,而比較方案1、4、7、10,2、5、8、11和3、6、9、12則可知不同加筋條件下黏結(jié)劑在加筋過(guò)程中所體現(xiàn)的作用。

2.2 車轍試驗(yàn)

為了得到最優(yōu)的土工合成材料加筋方案,分別進(jìn)行上述不同加筋方案下的車轍試驗(yàn)。考慮瀝青混合料在上述加筋方案下的抗永久變形性、并基于上述性能對(duì)抗車轍性能進(jìn)行量化評(píng)估。由于現(xiàn)有研究對(duì)土工合成材料加筋瀝青混合料的力學(xué)性能測(cè)試暫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循,因此本文中采用的測(cè)試方法僅部分參考瀝青混合料試驗(yàn)章程?？紤]到室內(nèi)試驗(yàn)中土工合成材料的網(wǎng)格尺寸較小,所以同樣選擇粒徑偏小的AC-13型瀝青混合料,試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 車轍試驗(yàn)方案

車轍板試件通過(guò)輪碾法成型,其尺寸為0.3 m×0.3 m×0.05 m,見(jiàn)圖4a)。車轍試驗(yàn)前將試件放入環(huán)境箱中在目標(biāo)溫度下養(yǎng)護(hù)6 h,進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的輪壓與標(biāo)準(zhǔn)軸載下的輪壓相同,為0.7 MPa,車轍試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖4b)。

圖4 車轍試件與車轍試驗(yàn)加載裝置

3 結(jié)果與分析

根據(jù)表3中的試驗(yàn)方案分別進(jìn)行上述12種加筋方案下的車轍試驗(yàn)以評(píng)估各加筋方案的永久變形性能,從而比較12種加筋方案的抗車轍效果。試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)得到上述12種加筋方案下累積豎向永久變形與輪碾周次關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知,與未加筋時(shí)相比,同等條件下土工合成材料加筋瀝青混合料的豎向永久變形均有不同程度的減小,根據(jù)JTG E20-2011 《瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)范》,采用動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗車轍性能,動(dòng)穩(wěn)定度的計(jì)算方法如式(9)。

(9)

圖5 車轍試驗(yàn)結(jié)果

式中:N為試驗(yàn)輪往返碾壓速度。根據(jù)表3,往返輪碾速度N為42 次/min,因而45和60 min時(shí)的車轍變形與循環(huán)輪碾周次為1 890次和2 520次時(shí)的車轍變形相同,所以可以通過(guò)圖5讀取各個(gè)加筋方案在上述輪碾周次下的變形值,計(jì)算得到的動(dòng)穩(wěn)定度,見(jiàn)表4。

表4 不同加筋方案下的動(dòng)穩(wěn)定度

由表4可知,與未加筋相比,加筋后的動(dòng)穩(wěn)定度有不同程度的增長(zhǎng),比較加筋方案1、7,2、8,3、9,4、10,5、11和6、12可知,同等條件下土工格室加筋后的動(dòng)穩(wěn)定度均小于土工格柵加筋,結(jié)果表明土工格室加筋的抗車轍性能要優(yōu)于土工格柵。這是由于與土工格柵的摩擦和互鎖相比,土工格室加筋可以直接通過(guò)側(cè)壁對(duì)瀝青混合料進(jìn)行約束。

由加筋方案4、1,5、2,6、3,10、7,11、8和12、9可知,同等條件下中層加筋時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度小于下層加筋,這是因?yàn)檐囖H主要是瀝青混合料在循環(huán)輪碾下向兩側(cè)的流動(dòng)變形,中層加筋位置離流動(dòng)變形區(qū)域更近,因此該位置有更強(qiáng)的抗車轍性能。

根據(jù)加筋方案1、2、3,4、5、6,7、8、9和10、11、12可知,加筋時(shí)在加筋邊界處設(shè)置黏結(jié)層有利于提升動(dòng)穩(wěn)定度,且SBS改性瀝青黏結(jié)層的效果優(yōu)于環(huán)氧改性瀝青黏結(jié)層。這是由于黏結(jié)層的主要作用是提升土工合成材料與瀝青混合料間的黏附力,而SBS改性瀝青的黏附效果優(yōu)于環(huán)氧改性瀝青。為了評(píng)估不同加筋方案下瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度以未加筋瀝青混合料為基準(zhǔn),計(jì)算加筋后上述3項(xiàng)指標(biāo)的變化,方法如式(10)所示。

(10)

式中:IR為上述各種方案加筋后的指標(biāo),IU為未加筋時(shí)的指標(biāo);CI為該指標(biāo)的變化幅度。根據(jù)表4采用式(10)計(jì)算可得上述12種土工合成材料加筋方案下瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和疲勞壽命的增大幅度及彎曲蠕變速率的減小幅度,見(jiàn)圖5b)。根據(jù)圖5b)可知,對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度提升幅度最大的為加筋方案8,其達(dá)到103%。這表明加筋方案8的抗車轍性能最佳,即(土工合成材料)土工格室+(加筋位置)中層+(黏結(jié)層)SBS改性瀝青黏結(jié)層。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于彈性力學(xué)平衡原理、變形協(xié)調(diào)原理以及邊界條件,推導(dǎo)土工合成材料對(duì)瀝青混合料的加筋作用力,并基于加筋作用力的影響因素設(shè)計(jì)12種加筋方案,最后通過(guò)車轍試驗(yàn)評(píng)估抗車轍性能最優(yōu)的加筋方案,研究結(jié)論如下。

1) 從土工合成材料的種類來(lái)看,土工格室加筋后的抗車轍性能遠(yuǎn)高于土工格柵;從加筋邊界條件來(lái)看,設(shè)置SBS改性瀝青黏結(jié)層略優(yōu)于設(shè)置環(huán)氧改性瀝青黏結(jié)層且均優(yōu)于未設(shè)黏結(jié)層;從加筋層的位置來(lái)看,中層加筋時(shí)的抗車轍性能優(yōu)于下層加筋。

2) 土工合成材料加筋瀝青混合料能夠抑制車轍試驗(yàn)中循環(huán)輪碾下瀝青混合料的豎向永久變形,提升動(dòng)穩(wěn)定度。加筋方案8對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的提升幅度最大,為103%,因此,抗車轍性能最佳的為加筋方案8。