土工合成材料在沥青路面的应用及其设计.doc

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1、【摘 要】 随着交通量和轴载的增加，对路面使用性能的要求越来越高，这也促进了路用土工合成材料产品的不断发展。国内外对土工合成材料应用于沥青路面进行了大量的室内与现场试验及理论分析工作。结果表明，土工合成材料能有效防止各种病害，改善路面的使用性能。对目前土工合成材料在沥青路面结构应用的几种设计方法进行了分析和评价，并根据美国地沥青协会（AI）所提出沥青路面罩面的设计程序，介绍了土工合成材料用于沥青罩面加筋，以减薄罩面厚度的设计方法。【关键词】土工合成材料；路面性能；沥青罩面；设计一、土工合成材料路面应用的研究1、路面用土工合成材料的发展目前，路面工程中应用的土工合成材料产品种类繁多，根据这些材料

2、的特点可分为土工织物和土工格栅两大类。最早在上世纪80 年代，应用于路面的土工合成材料是Tansar AR1 塑料格栅。为防止热沥青对塑料的破坏，发展了玻纤格栅，还有美国新赛提克公司的针刺无纺织物Pave DR381 和德国科德宝公司的热无纺织物Lutradur。鉴于无纺织物在沥青路面中良好的隔离和防水效果,以及采用施工措施避免塑料的熔化，Tansar 公司又推出塑料格栅和织物的复合产品Tansar AR-G。以上土工合成材料一般布置在面层和基层之间。另有一些纤维材料如GoodRoad 、Bonifiber 和Dolanit 用于沥青混凝土面层内加筋。这三种材料多次介绍于近年的公路和中国公路学

3、报期刊中, 并附有大量在我国成功应用的实例。2、土工合成材料在路面结构中应用的研究内容土工合成材料在路面结构中应用的研究，从国外应用情况看，主要集中在以下几个方面：(1) 土工合成材料特性研究，包括与特性相应的试验方法的研究；(2) 土工合成材料与路基土或路面结构层相互作用特性的研究；(3) 用土工合成材料的分析、计算方法、施工工艺要求；(4) 应用土工合成材料后，结构的整体特性和使用效果的研究。相对于其它比较成熟的应用领域，尽管土工合成材料在路面工程中应用的文献不少，但总体上是不太成熟的，仍然处于研究阶段。针对相互作用机理、设计计算方法等内容的研究，近期新的发展不大，但有关规范、指南的制定与

4、修订仍在继续。不过定性认识都较一致，认为土工合成材料在路面结构层中通过发挥综合作用改善道路的使用性能，包括：隔离不同粒径材料，维持结构层厚度；通过摩阻和嵌锁作用增强结构层刚度，减少车辙和不均匀沉降；承担剪应力，扩大竖向应力分布范围，减薄面层或基层厚度；吸收裂缝尖端应力集中，延缓反射裂缝发展；防水和保温作用等。3、国外对土工合成材料在路面结构中应用的研究1982 年，英国首次将10 000 m2 土工格栅用于已裂缝的旧水泥混凝土路面的沥青罩面加筋，以控制反射裂缝。1985 年Brown9, 10 等报道了英国诺丁汉(Nottingham)大学用Tansar AR1 塑料格栅加筋沥青路面的研究成果

5、。试验结果表明，加筋可以减少车辙达70 %，可以延缓反射裂缝的扩散，甚至在有的试样上完全消除了裂缝的扩散。随着荷载循环作用次数的增加，未加筋路面的刚度迅速降低，疲劳裂缝也从沥青面层底发展；而加筋路面不同，一旦沥青产生裂缝，格栅便开始承担拉应力，在相当长的时间里保持了初始刚度没有变化。Austin4等研究了加筋对沥青路面性能的改善。试验进行加筋与不加筋的对比研究，其中加筋材料分别采用Tansar AR1 塑料格栅及其与土工织物的复合产品Tansar AR-G 两种。试验对比了加筋（分为在沥青面层底部和在沥青面层中间）和不加筋时，路面变形、车辙深度和地基应力的不同。结果表明，将复合加筋材料Tans

6、ar AR-G 置于面层与基层之间效果最好。他们还进行了加筋对延缓反射裂缝效果的室内对比试验。不加筋条件下，轮载循环作用3300 次反射裂缝就贯穿了沥青面板，而用Tansar AR1 土工格栅加筋，这一数值增大到13000 次，用Tansar AR-G 复合产品时，达到了25 000次。可见加筋对延缓反射裂缝的发展有非常好的效果，而又以复合产品的效果为最好。型格栅在沥青面层和集料基层间加筋的现场对比试验，目的是研究采用格栅加筋减薄基层厚度的效果。对比指标包括路面弯沉（落锤式弯沉仪FWD 测定）、车辙、路面和路基模量等。不用格栅加筋的试验路段集料基层厚度为430 mm，采用了格栅加筋的试验路段集

7、料基层厚度为280mm。道路竣工后当年二者均无任何车辙，投入营运3 年后的试验结果表明，两者的车辙深度几乎一样，而采用格栅加筋的路面弯沉与不加筋的路面弯沉相近或只略有降低。其结论是不加筋的430 mm厚集料基层可以用280 mm 厚的加筋集料基层代替，大大减薄了基层厚度。Labuz11等进行了未铺砌路面加筋与不加筋的室内模型试验。加筋材料分为无纺土工织物和带浅窄槽痕的土工膜两种.试验结果表明，采用土工织物加筋增大了土基与集料基层之间的界面摩擦。通过车辙试验显示，用无纺土工织物加筋的集料基层（厚100 mm）与用带浅窄槽痕的土工膜加筋的集料基层（厚150 mm）和不加筋的集料基层（厚200 mm

8、）的车辙深度是相当的。在上述相同条件下，加筋系统的承载能力系数Ncr 是不加筋系统承载能力系数NcRr 的1.62.0倍（承载能力系数Nc 是车辙深度为40 mm时，所施加的最大循环应力与土基最终不排水抗剪强度Cu 之比）。4、土工合成材料用于PCC-AC 结构中防治反射裂缝的研究旧水泥混泥土路面（PCC）加铺沥青面层（AC）即沥青罩面层的主要问题是沥青加铺层中容易出现反射裂缝，因此，控制与防止反射裂缝是设计的关键。关于土工合成材料防治反射裂缝的机理，定性研究的较多，目前，还没有建立起普遍接受的理论分析方法。从力学计算和模型试验两方面分析了土工织物的防裂机理。力学分析得到如下结论：(1)对于具

9、有一定厚度的柔性防裂层，在车辆荷载作用下，能够产生较大的变形而不生破坏，依靠其自身较大的变形和抗拉强度来抑制反射裂缝的发生。(2) 对于厚度很小的柔性织物，使用薄膜单元进行力学分析，结果表明，此类防裂层对防止车辆荷载引起的剪切型反射裂缝作用不大。(3) 土工织物防裂层的设置，一般能够降低沥青层与混泥土板间的相互约束，减小混泥土板对沥青加铺层的附加温度应力，从而延缓温度型反射裂缝的发生；高强土工织物如土工格栅的防裂作用主要是其隔离功能，它避免了沥青层直接处于应力集中区域，而由高强织物本身承受较大的拉应力。胡长顺12等还通过使用大型疲劳设备，分别模拟车辆荷载和温度荷载疲劳作用。结果表明：在层间设土

10、工布防裂层，对抑制温度型反射裂缝有较好的效果，而对于车辆荷载引起的剪切型反射裂缝，土工织物的作用主要是延缓裂缝的发展，阻碍新裂缝的产生，阻碍原有裂缝的扩张，但并不能防止反射裂缝的产生。土工织物的最佳层位为混泥土板与沥青加铺层的层间。三、土工合成材料沥青路面应用的设计土工合成材料在沥青路面应用的设计分为面层设计和罩面设计两方面。1、面层设计对于面层设计主要有力学、经验和数值三种方法:(1) 力学方法将土工合成材料视为张力膜，是应用最广泛的力学模型。Giroud 和Noiray13最先将土工织物看作张薄膜，认为土工织物可以扩大荷载分布范围，阻止土基局部剪切破坏。Madhav 在只有竖向相对位移没有

11、转角的Pasternak 剪切模型中引入粗糙单元来考虑加筋。进一步对Madhav 的模型进行修改，在薄膜理论的基础上还可以考虑路基土与基层材料的非线性14、粒料基层的可压缩性15、加筋的侧限作用。采用薄膜理论进行分析时，加筋的效果随曲率和张力变化，这两个因数都与车辙有关，小车辙时则体现不出加筋的效果。(2) 经验方法建立在实测数据的回归分析基础上。经验方法不但可以按延寿命要求来设计，也可以按减薄面层或基层厚度的要求来设计。有的经验方法还可以预测加筋路面的车辙和寿命。但除非是使用条件相似, 经验方法往往存在使用适应性问题。(3) 数值方法可以考虑解析方法难以处理的弹塑性加筋模型, 且可以采用界面

12、单元考虑加筋材料与路面结构层相互作用的界面特性。但数值方法计算复杂且需时长，影响应用。2、罩面设计土工合成材料罩面层作为防治反射裂缝的技术措施，其应用远比理论丰富，目前还没有合适的理论和广泛的工程实践定量说明加铺土工合成材料后的作用。因此，设计以经验的方法居多。罩面设计思想有两。一类是以Barksdele为代表，认为使用土工合成材料并不减少罩面厚度，罩面设计按AASHTO（美国州公路及运输管理员工协会）设计方法进行，即与未铺土工合成材料时相同，但在设计方法中采用排水系数考虑排水作用。鉴于我国在这方面的研究还不深入，公路土工合成材料应用技术规范(JTJ/T019-98)22也对此进行了借鉴, 即

13、“规定路面结构及厚度的设计仍与未铺土工合成材料时相同”。另一类是以美国地沥青协会AI（The Asphalt Institute）为代表，认为使用土工合成材料可以减少沥青罩面厚度。AI 认为，土工织物尤其是无纺织物能充分吸收乳化沥青，所以防水是主要功能，但是试验表明，土工织物的模量越高寿命越长，因此认为，加筋与防水作用的界线并不明显。由此AI 发展了下述基于防水和加筋的两种减薄沥青罩面层厚度的设计方法。3、基于土工织物加筋的罩面设计基于加筋的罩面设计的关键是根据试验或经验确定土工织物防止沥青罩面反射裂缝的有效性参数结 论沥青面层的质量直接关系到路面结构的使用性能和道路的社会服务形象，而它的造价

14、又占了工程投资很大的比例。因此，如何既能提高沥青路面的使用性能、防止各种病害，又能降低建设与维护费用，一直是道路工程界和学术界十分关心的课题。自从20 世纪70 年代美国首次使用聚丙烯（PP）针刺无纺织物解决沥青路面的开裂问题以后，随着土工格栅、土工格网和复合型产品的相继问世，土工合成材料系列产品在软基处理、加筋土支挡结构、各种路面结构和道路排水等工程中都得到了相当广泛的应用。目前，用土工合成材料改善路面性能已被实践证明是一种可靠的方法【参考文献】1 Fredlund D G. Bringing unsaturated soil mechanics into engineering pract

15、ice A . Proc of 2nd International Conference on Unsaturated Soils (Vol 2) C . Beijing ,1998. 1 - 36.2 Bao C G ,Ng C W W. Some Thoughts and Studies on the Prediction of Slope Stability in Expansive Soils ( Key - note lecture )R . Singapore , 2000. 15 - 31.3 Zhan Liangtong. Field and Laboratory Study of an Unsaturated Expansive Soil Associated with Rain2induced Slope InstabilityD . Hong Kong : The Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) ,2003.