新型土工格室加筋瀝青路面實測響應特性研究

李小偉 朱云升 趙世杰 王先镕 蘇天圣 張振武

(武漢理工大學交通與物流工程學院1) 武漢 430063) (湖北交通投資集團有限公司2) 武漢 430070)(湖北黃黃高速公路經營有限公司3) 蘄春 436300) (蘭州德科材料工程有限公司4) 蘭州 730000)

0 引 言

在重載交通作用下，瀝青路面的各種病害問題會減小瀝青路面的使用壽命，還會影響行車時的舒適性和安全性[1-3].將土工合成材料應用于瀝青路面中，可以改善其路用性能，減少瀝青路面各類病害產生[4-7].Ferrotti等[8]基于重復循環荷載試驗研究了纖維土工格柵在柔性路面上的應用，Pasquini等[9]通過真實尺度的現場試驗、界面剪切試驗、彎曲試驗分析了土工格柵加筋后瀝青路面的各種力學指標，Saghebfar等[10]進行了一系列試驗來分析土工布對路面結構的加筋效果.土工格柵和土工布通過界面間摩擦力與骨料間互鎖改善應變響應，但其改善作用有限.三維加筋材料土工格室加筋機理體現在格室產生的側向約束作用，常用于地基、斜坡、擋土墻和路堤[11]之中并取得了很好的應用效果，但目前國內外相關研究還未涉及到三維土工格室用于加筋瀝青路面，文中嘗試利用三維土工格室側向約束作用進行路面結構瀝青面層加筋，預期可有效減少瀝青路面結構裂縫病害.

土工格室對瀝青混凝土的抗壓性能、低溫抗裂性、抗疲勞性能、抗剪切流動變形性能等方面均具有明顯的加筋提升作用，而文中則主要是通過現場應用來檢驗其加筋效果，通過現場土工格室加筋瀝青路面結構力學響應現場實測，來研究土工格室材料對真實瀝青路面面層結構力學響應的影響[12].為了保證土工格室的展開和直立，在攤鋪之前采用張拉器對土工格室進行拉伸，在其完全張拉伸展之后再填入瀝青混合料進行攤鋪，而為了滿足攤鋪時的溫度要求，通過高溫變形性能測試后采用具有良好耐高溫性能的聚丙烯(polypropylene,PP)材料來制備土工格室.試驗路段完工后，通過動態和靜態采集系統分別檢測不同車速與車載作用下加筋路段與未加筋路段的應變響應，并基于路面結構瀝青下面層底部的縱向拉應變響應、路面蠕變變形和應變改善系數，評價土工格室對瀝青層的加筋效果.

1 現場試驗路選擇及試驗方案

1.1 路面結構性能

試驗場地為湖北某高速公路K765+000—K767+000路段，該公路為一條四車道高速公路，每條車道寬度3.75 m，路面結構組成見表1.該路段瀝青路面結構出現嚴重的裂縫病害、翻漿病害和車轍病害，經過多次常規養護維修后無法消除路面結構病害，文中結合本路段瀝青路面大修工程，選擇50 m需要進行瀝青面層全厚銑刨并重新加鋪的路段進行土工格室加筋瀝青面層的應用，土工格室鋪設于維修路面的交通流量大的主行車道上.

表1 路面結構和厚度

試驗所用土工格室類型為注塑預定型，PP土工格室，其由高強土工格室條帶整體編制而成.格室高度為20 mm，兩節點間距為60 mm，節點處采用注塑成型工藝.改性后的PP格室條帶的軟化溫度為158.8 ℃，即在158.8 ℃下格室的物理力學性能不發生變化，其最大能夠承受165 ℃高溫，但此時格室片會受熱稍微向內蜷縮，在土工格室內進行填料時，格室會整體向內收縮，這里的收縮變形很小，且不會隨著溫度降低而恢復，即在水平方向上給瀝青混凝土施加了一個較小的預應壓力，增強了格室的側向約束力.25 ℃下PP土工格室節點及條帶的拉伸性能見表2.

表2 土工格室的性能

1.2 耐高溫土工材料選擇及觀測元件埋設

現場使用的PP土工格室及應變計見圖1.格室條帶強度可達3.2 MPa，節點相對于條帶更容易破壞，而節點的抗拉強度也達到了1.5 MPa，這遠遠小于車輛荷載在瀝青路面結構層內產生的應力水平，可以確保在車輛荷載作用下格室材料不會產生強度破壞.使用日本進口的應變計KM-HAS采集路面結構特定位置應變響應數據，該種應變計既可以監測動態應變，也可監測靜態應變，工作溫度范圍為-20～180 ℃，滿足現場試驗的溫度要求.

圖1 現場試驗土工格室及應變計(單位：mm)

在主行車道上布設兩個測試斷面，一個斷面在瀝青下面層底部鋪設土工格室，另外一個斷面不鋪設土工格室，應變計直接安裝在輪跡帶正下方的瀝青下面層底部，每個試驗段安裝4個應變計，見圖2.每側分別采用兩個不同的應變計進行監測，減少數據的偶然性，兩種應變計相距10 m，見圖2a)，結構層的厚度，以及土工格室和應變計的深度位置見圖2b).

圖2 應變計埋設截面示意圖(單位：m)

在鋪設土工格室之前，需要在預先確定的安裝位置上提前準備粒徑較細的瀝青混合料墊層，見圖3a).Willis等[13-14]指出，瀝青路面同一位置縱向拉應變比橫向拉應變更加敏感，因此KM-HAS應變計僅用于監測路面結構瀝青下面層底部的縱向拉應變，以減少工作量和經濟成本.采用張拉器將土工格室張拉固定于基層，以確保土工格室能直立于高溫瀝青混合料中，見圖3b).

圖3 應變計和張拉器的現場安裝及瀝青混凝土攤鋪

1.3 土工格室現場鋪設效果與現場試驗方案

對服役一段時間后的加筋路面結構進行現場鉆芯取樣，見圖4.芯樣中土工格室及瀝青混合料的結構保持完好，條帶在壓路機重力及搓揉作用下仍然完全保持直立，并沒有在現場攤鋪及壓實的過程中產生倒塌.此外，土工格室條帶與瀝青混合料的粘結比較緊密，未產生明顯分離，這表明與土工格室接觸部位的瀝青混合料密實性良好.土工格室的加入不會破壞瀝青面層的整體性能，可以有效地發揮加筋作用.

圖4 現場芯樣中土工格室條帶分布狀態

在三種不同軸載下，進行了三種不同車速下的動態試驗.考慮到試驗路段重載交通比例較大的實際情況，加載車軸載由100 kN變化到200 kN，增量為50 kN.在每種車載條件下，卡車的速度在20～60 km/h，速度增量為20 km/h.不同的車速和軸載代表了不同的加載條件，在每種條件下的現場動載試驗均重復3次.如果兩個相鄰10 m的應變計的數據誤差大于20%時，則重新采集數據，如果誤差小于20%，則取其平均值作為采集的數據.采用與動載試驗相同的三種軸載進行靜載試驗，平行試驗次數也與動載試驗時相同，表3為現場測試加載工況方案.

表3 現場試驗工況

2 路面響應現場測試試驗結果分析

2.1 動態試驗結果

對于加筋和未加筋瀝青路面結構，當車速為20 km/h時，不同軸載下瀝青下面層底部的縱向拉應變見圖5a).由圖5a)可知:動載作用下的縱向拉應變的變化趨勢基本一致為“M”形，應變隨軸載的增大而增大.當卡車前軸通過監測段時，瀝青下面層底部的縱向拉應變達到第一個峰值，當卡車后軸通過監測段時，監測段的荷載達到最大，產生第二個更大的縱向拉應變峰值.

“M”形應變分布的原因與瀝青混合料的黏彈性特性有關，彈性應變恢復快，黏性應變恢復慢，而且卡車的重心偏向于第二軸，這是瀝青下面層底部的縱向拉應變的第二個峰值大于第一個峰值的原因.由圖5b)可知，土工格室加筋后的瀝青下面層底部的縱向拉應變的第一峰值應變和第二峰值應變略有降低.上述結果可知，土工格室在控制縱向拉應變響應方面有明顯的效果，一方面是土工格室自身對瀝青混合料起到了側向約束的作用，另一方面則是土工格室與瀝青混合料之間形成了一種加筋復合層結構，能夠更好的分擔車輛荷載在路面結構層內產生的拉應力.

圖5 時速20 km/h不同軸載縱向拉應變時程曲線與峰值應變

圖6～7為車速為40 km/h和60 km/h時，土工格室加筋結構和未加筋結構在不同軸載下瀝青下面層底部的縱向拉應變響應.由圖6～7可知:縱向拉應變的變化規律與之前相似，相比于未加筋結構，土工格室加筋后的路面在縱向拉應變峰值的控制方面表現出更好的效果.值得注意的是，兩個峰值之間的時間隨著速度的增加而減少，這是由于車速越快，車輛前軸與后軸經過檢測斷面的時間間隔越短.

圖6 時速40 km/h不同軸載縱向拉應變時程曲線與峰值應變

2.2 靜載試驗結果

靜態加載縱向應變時程曲線見圖8.由圖8可知，加筋路面結構和未加筋路面結構均為拉應變，在相同的軸載作用下，土工格室加筋路面結構的瀝青下面層底部縱向拉應變要小于未加筋結構.當軸載分別為100，150和200 kN時，140 s時未加筋路面結構的下面層底部縱向拉應變分別為152.6×10-6、195.8×10-6和336.8×10-6，而加筋路面結構則為75.8×10-6、100.2×10-6和134.5×10-6.這表明土工格室對瀝青下面層的拉應變有明顯的抑制作用，對瀝青面層抗裂性能有一定的提升.此外，試驗路段的位置選擇在基層有輕微裂縫處，這也說明這種抑制作用在一定程度上可以預防基層反射裂縫自下而上的擴展，有效減小瀝青面層反射裂縫產生.

圖8 靜載作用下的縱向拉應變變化曲線

瀝青混合料的蠕變變形行為主要由其粘彈性性質決定，因此，將現場實測的路面結構縱向拉應變剔除瞬態彈性應變，其時程曲線見圖9.由圖9可知，未加筋路面結構的的縱向拉應變相比于加筋路面結構明顯減小，例如，當軸載分別為100，150與200 kN時，140 s時加筋路面結構瀝青下面層底部產生的蠕變縱向拉應變為11.8×10-6、17.2×10-6和23.7×10-6，而未加筋路面結構產生的蠕變縱向拉應變則為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瀝青路面結構的縱向蠕變變形.

圖9 不同軸載作用下蠕變應變變化曲線

2.3 試驗結果討論

動態試驗中不同車速下瀝青下面層底部的縱向拉應變峰值見表4.由表4可知:在未加筋和土工格室加筋的兩種情況下，縱向拉應變峰值隨車速的增加而減小.根據以往的研究分析，下降的原因是由于瀝青路面的固有頻率相對較低.當貨車低速行駛時，車輛荷載的主導頻率接近瀝青路面的固有頻率，路面的振動被放大.也就是說，土工格室降低了瀝青路面結構的固有頻率，從而減小了路面的動態應變響應.

表4 瀝青下面層層底動態荷載下縱向拉應變峰值

為了描述PP土工格室隨著車載和車速增加時對路面結構的加筋改善作用，本文提出了瀝青路面結構動態應變改善系數的概念，動態應變改善系數Fm為

(1)

式中：Ff為加筋路面結構瀝青下面層底部的縱向拉應變的第一個峰值；Fs為加筋路面結構下面層底部的縱向拉應變的第二個峰值;Fuf為未加筋路面結構下面層底部的縱向拉應變的第一個峰值；Fus為未加筋路面結構下面層底部的縱向拉應變的第二個峰值.

由圖7～8可知:靜載試驗加載140 s后，蠕變應變緩慢增加，瀝青下面層底部的縱向蠕變拉應變趨于穩定.因此，將140 s時路面瀝青下面層底部的縱向拉應變近似視為靜態應變響應峰值.靜載試驗中不同軸載作用下的路面結構靜態應變響應峰值見表5.

圖7 時速60 km/h不同軸載縱向拉應變時程曲線與峰值應變

表5 瀝青下面層層底靜態荷載作用140 s時的縱向拉應變

為了體現土工格室在靜載試驗中的加筋改善作用，同樣定義路面結構靜態應變改善系數(Fm)為

(2)

式中：FRE為加筋系統的靜態應變；FUN為未加筋系統的靜態應變.

路面結構瀝青下面層底部在不同靜態軸載和動態軸載作用下縱向拉應變的改善系數隨行車速度的變化情況見圖10.由圖10可知，Fm隨著軸載的增加而增大，這表明車輛軸載越大，路面結構瀝青下面層底部動態應變改善系數顯著提高，也就是說，在土工格室條帶和節點強度足夠而不發生強度破壞的條件下，隨著軸載的增加，土工格室對路面結構瀝青混合料的側向約束作用越強，其對瀝青路面的加筋改善作用發揮越充分，可以更加有效地改善瀝青面層的抗裂性能，這也表明土工格室加筋瀝青路面結構是緩解重載交通下的瀝青路面病害問題的一種行之有效的解決措施.

圖10 路面結構縱向拉應變改善系數Fm

此外，Fm隨著車速的增加而減小.路面結構在靜態車輛軸載作用下(車速為0 km/h)瀝青下面層底部縱向拉應變改善系數最大，對瀝青層蠕變變形的抑制作用最強，而隨著車輛行駛速度提高，瀝青下面層底部縱向拉應變改善系數逐步減小，土工格室加筋改善作用發揮相對減弱，這是由于當車輛高速行駛時，軸載對路面作用時間迅速減少，變相的減少了路面負載，從而使得改善系數下降.

3 結 論

1)與聚乙烯(PE)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)相比，聚丙烯(PP)具有更好的耐溫性，是一種適用于加筋瀝青面層的土工格室材料.此外，現場試驗的施工表明，使用張拉器可以很好地避免土工格室在瀝青混合料高溫作用下收縮和翹曲.

2)從動載試驗結果看，PP土工格室加筋路面系統對抑制瀝青層底部縱向拉應變峰值是有效的，可以有效提高瀝青面層抗裂性能.當車速40 km/h時，軸載為100，150和200 kN下的改善系數分別為0.45，0.75和0.97，車載越重，加筋改善作用發揮效果越好，有利于緩解重載交通下的路面病害.此外，當軸載為150 kN時，車速為20，40和60 km/h下的改善系數分別為0.89、0.75和0.61，可以看出，車速增加，加筋改善作用降低.

3)從靜載試驗結果來看，瀝青層在車輛荷載作用下發生蠕變，而土工格室加筋對瀝青路面的蠕變變形有一定的抑制作用.此外，與未加筋路面相比，土工格室還可以降低瀝青層在靜載作用下的縱向拉應變，同樣提高了瀝青層的抗裂性能.軸載為100 kN、150 kN和200 kN下的改善系數分別為0.78，0.96和1.21，與動載試驗結果一致，軸載越大，瀝青層的加筋作用發揮越充分.