玻纖格柵對(duì)舊水泥路面拓寬拼接的影響研究

張 睿

（貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 引言

對(duì)拼接路面結(jié)構(gòu)而言，新舊路面搭接處屬于薄弱部位。當(dāng)搭接處結(jié)構(gòu)層有車輪荷載作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使路面開(kāi)裂的可能性大大提高[1]。相比于土工格柵，玻纖格柵的抗拉性和抗裂性更高，但當(dāng)前關(guān)于新舊路面拼接處玻纖格柵使用情況的研究較少[2]?；诖?，本文將圍繞玻纖格柵對(duì)舊水泥路面拓寬拼接的影響進(jìn)行研究。

1 有限元模型

1.1 荷載作用位置

在拓寬路面中，混凝土板拼接縫最不利受力[3]?；诖?，本文在后續(xù)計(jì)算分析中均以一側(cè)車輪荷載作用到接縫位置作為荷載模擬方式，以某拓寬公路為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)層參數(shù)及荷載作用位置如圖1 所示。

圖1 荷載作用位置

1.2 相關(guān)參數(shù)

所用玻纖格柵的參數(shù)如表1 所示。

表1 玻纖格柵參數(shù)

通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS 進(jìn)行建模，所建模型有81382 個(gè)節(jié)點(diǎn)和71954 個(gè)單元。模型拼接位置的網(wǎng)格劃分間距為0.05m，兩側(cè)的網(wǎng)格間距從0.12m 漸變至0.36m，路基豎向網(wǎng)格間距為0.2m。以單軸雙輪進(jìn)行加載，雙輪共有70KN 的力，左右雙輪有1.8m 間距[4]。所建立模型如圖2 所示。

圖2 拼接路面有限元模型

2 玻纖格柵對(duì)拓寬混凝土路面的影響

2.1 不同層數(shù)玻纖格柵的影響

玻纖格柵鋪設(shè)位置如表2 所示。

表2 玻纖格柵鋪設(shè)工況

選取1.5m 寬的玻纖格柵進(jìn)行鋪設(shè)，并分別模擬未鋪設(shè)以及從頂層開(kāi)始鋪設(shè)一到四層的工況。

（1）拉應(yīng)力分析

未鋪設(shè)和分別鋪設(shè)一到四層玻纖格柵時(shí)的模擬結(jié)果如圖3所示，限于篇幅，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖3 鋪設(shè)不同層數(shù)玻纖格柵新舊路混凝土層拉應(yīng)力云圖

從結(jié)果可知，混凝土板層層底有最大的拉應(yīng)力，在將玻纖格柵鋪設(shè)到新舊路面拼接處后，混凝土板結(jié)構(gòu)層的拉應(yīng)力最大值有所減小，且其分布逐漸趨于均勻；混凝土板在未鋪設(shè)玻纖格柵時(shí)有483KPa 的最大拉應(yīng)力值，鋪設(shè)一層玻纖格柵時(shí)有440KPa的最大拉應(yīng)力，相比于未鋪設(shè)玻纖格柵的工況約有8.82%的減小幅度；鋪設(shè)兩層玻纖格柵時(shí)有414KPa 的最大拉應(yīng)力，相比于未鋪設(shè)玻纖格柵的工況約有14%的減小幅度；鋪設(shè)三層玻纖格柵時(shí)有410KPa 的最大拉應(yīng)力，相比于未鋪設(shè)玻纖格柵的工況約有13%的減小幅度；鋪設(shè)四層玻纖格柵時(shí)有420KPa 的最大拉應(yīng)力，相比于未鋪設(shè)玻纖格柵的工況約有13%的減小幅度。進(jìn)一步分析新路AC-20C 的拉應(yīng)力可以知道，AC-25C 層層底有最大拉應(yīng)力，此外，AC-25C 層的最大拉應(yīng)力隨著不斷增加的玻纖格柵層數(shù)而逐漸減小，且拉應(yīng)力分布更加均勻，從AC-25C 層的拉應(yīng)力云圖看，鋪設(shè)三層玻纖格柵和四層玻纖格柵的區(qū)別較??；在未將玻纖格柵鋪設(shè)到新舊路面拼接處時(shí)，AC-25C層有約117KPa 的最大拉應(yīng)力，而在鋪設(shè)了一至四層玻纖格柵后，AC-25C 層的最大拉應(yīng)力分別降低至89KPa、61KPa、36KPa和30KPa，比起未鋪設(shè)玻纖格柵的工況約有24%、48%、69%和70%的減小。

將新舊路面各結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力匯總，如圖4 所示。

圖4 不同玻纖格柵層數(shù)下各結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力

新路水泥穩(wěn)定碎石、SMA-13 和級(jí)配碎石的最大拉應(yīng)力在玻纖格柵鋪設(shè)后的變化較小，舊路AC-20C 和二灰穩(wěn)定碎石層的最大拉應(yīng)力在鋪設(shè)一層玻纖格柵后有所增大，其余結(jié)構(gòu)層則有所減小。當(dāng)玻纖格柵鋪設(shè)層數(shù)在三層以上時(shí)，最大拉應(yīng)力僅有較小變化，且有一致的變化趨勢(shì)。綜合上述分析可以看出，將玻纖格柵設(shè)置到新舊路面搭接處可以使結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力有效減小，并使結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力分布趨于均勻，此外，從經(jīng)濟(jì)性和施工便利性的角度考慮，鋪設(shè)三層玻纖格柵更為合適。

（2）剪應(yīng)力分析

在鋪設(shè)完玻纖格柵后，新路AC-20C 和AC-25C 層有較大的剪應(yīng)力變化。下文以這兩個(gè)結(jié)構(gòu)層作為研究對(duì)象，所得結(jié)果如圖5 所示。

圖5 路面各結(jié)構(gòu)層在設(shè)置不同層數(shù)玻纖格柵時(shí)的最大剪應(yīng)力變化

鋪設(shè)完玻纖格柵后，AC-25C 層在新舊路面拼接縫隙處的最大剪應(yīng)力不斷減小，且分布趨于均勻，鋪設(shè)三層和四層玻纖格柵時(shí)的應(yīng)力分布情況基本一致[5]；新路AC-25C 在未鋪設(shè)玻纖格柵時(shí)約有109KPa 的最大剪應(yīng)力，而在鋪設(shè)一至四層玻纖格柵時(shí)分別有87KPa、69KPa、58KPa 和55KPa 的最大剪應(yīng)力，相比于未鋪設(shè)玻纖格柵的工況分別有20%、37%、46%和79%的減小。AC-20C 層的最大剪應(yīng)力隨著逐漸增加的玻纖格柵層數(shù)而逐漸減小，且分布趨于均勻；鋪設(shè)三層玻纖格柵和鋪設(shè)四層玻纖格柵下的路面結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力區(qū)別較小，鋪設(shè)一至四層玻纖格柵時(shí)分別有90KPa、82KPa、69KPa 和65KPa 的最大剪應(yīng)力，相比于未鋪設(shè)玻纖格柵的情況分別約減小了18%、25%、37%和41%。綜合上述分析可知，路面結(jié)構(gòu)層在鋪設(shè)玻纖格柵后的剪應(yīng)力有所減小，且路面結(jié)構(gòu)抗剪性能有所提高，剪應(yīng)力分布更加均勻，在設(shè)置三層玻纖格柵時(shí)達(dá)到最佳效果。

2.2 不同寬度玻纖格柵的影響

為探討玻纖格柵鋪設(shè)的不同寬度對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層的影響，分別設(shè)置了1m、1.5m、2m、2.5m 和3m 玻纖格柵鋪設(shè)寬度的工況，所得結(jié)果如圖6 所示。

從結(jié)果上看，水泥穩(wěn)定碎石的最大拉應(yīng)力均有所減小，當(dāng)鋪設(shè)寬度在1.5m 以上時(shí)，路面結(jié)構(gòu)層有一致的最大拉應(yīng)力變化規(guī)律。AC-20C 和SMA-13 層的最大剪應(yīng)力有較大幅度減小，其余各結(jié)構(gòu)層的剪應(yīng)力僅有較小變化，各結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力在1.5m 以上的鋪設(shè)寬度下有少量增長(zhǎng)。綜合上述分析可知，在1.5m 鋪設(shè)寬度以上時(shí)，玻纖格柵僅有較小的結(jié)構(gòu)層應(yīng)力改善效果，因此，建議以1.5m 作為玻纖格柵的鋪設(shè)寬度。

3 擴(kuò)建路面拓寬設(shè)計(jì)

綜合上述分析和項(xiàng)目實(shí)際，在背景項(xiàng)目的新舊路面搭接縫處共設(shè)置三層玻纖格柵，具體如圖7 所示。

圖7 拓寬路面玻纖格柵

3.1 拼接部位處理

若在不利位置作用有車輛荷載就會(huì)容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于路面結(jié)構(gòu)安全。此外，在搭接新舊路面時(shí)，老路面的級(jí)配碎石底基層在開(kāi)挖臺(tái)階時(shí)難以成型，邊角部位容易有坍塌現(xiàn)象出現(xiàn)。針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)拼接部位做出如下處置：一是在級(jí)配碎石層和水泥穩(wěn)定碎石底基層拼接處澆筑寬度為0.5m 的混凝土，在水泥穩(wěn)定基層拼接處澆筑寬度為0.35m 的混凝土；二是在混凝土面板搭接處和水泥穩(wěn)定碎石基層搭接處設(shè)置混凝土塊；三是通過(guò)在瀝青混凝土面層設(shè)置一層玻纖格柵的方式提高路面抗剪性能[6]。

3.2 施工注意事項(xiàng)

玻纖格柵鋪設(shè)前應(yīng)清理干凈鋪設(shè)面，且使用專用設(shè)備進(jìn)行鋪設(shè)施工，鋪設(shè)時(shí)應(yīng)使玻纖格柵保持在拉緊狀態(tài)且膠面朝下，在完成鋪設(shè)施工后還需進(jìn)行碾壓施工[7]。玻纖格柵間的縱向搭接寬度應(yīng)在20cm 以上，且禁止橫向搭接。考慮到玻纖格柵背部膠水遇水易融化，應(yīng)盡量避免在雨天鋪設(shè)玻纖格柵，且在鋪設(shè)時(shí)應(yīng)先填平坑凹位置。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析，本文主要得出如下結(jié)論：

（1）新舊路面結(jié)構(gòu)層的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力在玻纖格柵鋪設(shè)后均有所減小，且隨著不斷增加的玻纖格柵鋪設(shè)層數(shù)而不斷減小。各結(jié)構(gòu)層的最大應(yīng)力在玻纖格柵的鋪設(shè)層數(shù)大于三層時(shí)僅有較小變化，因此建議以三層作為玻纖格柵的鋪設(shè)層數(shù)。

（2）新舊路面各結(jié)構(gòu)層的最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力在1.5m 以上的玻纖格柵鋪設(shè)寬度下僅有較小變化，即此時(shí)再增加玻纖格柵的鋪設(shè)寬度意義不大。建議以1.5m 作為新舊路面拼接處玻纖格柵的鋪設(shè)寬度。

（3）可通過(guò)在新舊路面拼接部位增設(shè)玻纖格柵和澆筑混凝土的方式提高路面的抗剪性能和抗拉性能，以避免產(chǎn)生反射裂縫。此外，鋪設(shè)玻纖格柵時(shí)應(yīng)確保路面保持干燥且格柵被拉緊。