杨林, 等 : 纤维稳定土基层参数对路面力学响应的影响分析选择影响因素基层作为路面结构的主要承重层, 其承受由面层传递的车辆荷载并进行荷载分散基层的厚度和刚度对整个路面的性能和使用寿命具有重大的影响 [12 13], 另外基层下底基层的厚度也起到一定制约路面使用性能的

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亲冯葛
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1 2017 年 12 月文章编号 : (2017) 四川理工学院学报 ( 自然科学版 ) JournalofSichuanUniversityofScience&Engineering(NaturalScienceEdition) Vol 30 No 6 Dec 2017 DOI: /j.suse 纤维稳定土基层参数对路面力学响应的影响分析杨林, 刘雨彤 ( 东北林业大学土木工程学院, 哈尔滨 ) 摘要 : 为了分析聚丙烯纤维加筋水泥石灰土基层材料对路面结构设计及重载交通的影响, 以聚丙烯纤维加筋水泥石灰土为对象, 借助正交分析法, 选取基层厚度基层模量 ( 聚丙烯纤维掺量 ) 和底基层厚度作为主要影响因素, 对聚丙烯纤维水泥石灰土基层沥青路面结构设计参数进行计算 ; 同时分析了不同超载作用下纤维水泥石灰土基层沥青路面结构的弯沉及应力情况结果表明 : 提高基层厚度有利于路面结构受力, 同时使用聚丙烯纤维掺量为 0.2% 的水泥石灰土作基层材料, 对于优化重载作用下的路面结构设计更为显著为聚丙烯纤维加筋水泥石灰土在石料匮乏地区的应用提供了依据关键词 : 路面基层 ; 聚丙烯纤维 ; 水泥石灰土 ; 有限元数值分析法 ; 重载中图分类号 :U 文献标志码 :A 引言我国平原地区面积约占总国土面积的 12%, 该地区砂石材料较匮乏, 石料的远距离运输又会大幅增加材料造价, 平原地区地下黏土分布极为广泛, 且取用方便为节约筑路材料成本可选用水泥石灰及粉煤灰等无机结合料稳定土修筑路面基层但水泥石灰综合稳定土抗压回弹模量不高 [1], 聚丙烯纤维具有模量高收缩变形小对温度变化不敏感及价格低廉等优点, 已有研究表明 [2 4], 聚丙烯纤维已经广泛应用于混凝土工程水稳碎石基层沥青路面等土木工程领域, 本文采用聚丙烯纤维加筋的方法提高综合稳定土的模量目前针对水泥石灰综合稳定土材料的室内试验研究已经很广泛了 [5], 但是有关水泥石灰土基层对路面结构影响的研究几乎空白鉴于我国经济的蓬勃发展和车辆大型化, 大部分地区超载现象严重 [6 8], 需进一步探讨聚丙烯纤维增强水泥石灰土作为基层材料能否满足越来越繁重的交通需求本研究针对聚丙烯纤维增强水泥石灰土基层的设计参数对路面结构的影响, 借助有限元软件 ABAQUS 及正交分析法, 进行路面结构设计指标的计算与分析 1 路面结构设计参数计算分析 1 1 正交分析法方案设计在路面结构设计过程中, 经济耐久性是道路设计的重要指标, 应找出其关键影响因素并选择其最佳组合值方案的比选是多方面的, 不易采用单一指标判断在多方案中选择最优方案时, 可通过正交分析法综合考虑各关键因素 [9 11], 在综合分析的基础上做出最佳选择收稿日期 : 基金项目 : 黑龙江省交通运输厅科技项目 ( ) 作者简介 : 杨林 (1970 ), 男, 吉林长岭人, 副教授, 博士, 主要从事道路工程及材料方面的研究,(E mail)mryanglin@163.com 刘雨彤 (1993 ), 女, 黑龙江大庆人, 硕士生, 主要从事道路与铁道工程方面的研究,(E mail)liuyutongofice@163.com

2 杨林, 等 : 纤维稳定土基层参数对路面力学响应的影响分析选择影响因素基层作为路面结构的主要承重层, 其承受由面层传递的车辆荷载并进行荷载分散基层的厚度和刚度对整个路面的性能和使用寿命具有重大的影响 [12 13], 另外基层下底基层的厚度也起到一定制约路面使用性能的作用 [14 15] 因此选取基层厚度基层模量和底基层厚度作为影响因素进行路面结构设计确定基层材料的抗压回弹模量根据公路路面基层施工技术细则 (JTC/TF ) 中规定综合稳定细粒材料水泥剂量最小值为 4%, 以节约成本和环保为原则选择最低水泥剂量 4%, 同时推荐水泥和石灰的比例宜取或 40 60, 为简化实验操作只研究聚丙烯纤维掺量对综合稳定土抗压回弹模量的影响, 试验采用水泥和石灰的比例为 50 50, 即 4% 水泥 +4% 石灰综合稳定土依据公路工程无机结合料稳定材料试验规程 (JTGE ) 中给定的抗压回弹模量测定方法, 选用顶面法对不同聚丙烯纤维掺量的水泥石灰土进行测试, 试验采用圆柱形试件, 规格为 Φ10cm h10cm, 成型压实度为 96%, 养生 90d, 试验结果如图 1 所示图 1 聚丙烯纤维的掺量对水泥石灰土抗压回弹模量的影响由图 1 试验结果可知, 随着聚丙烯纤维掺量的增加, 试件的抗压回弹模量逐步提高, 纤维掺量为 0 1% 的水泥石灰土较普通水泥石灰土抗压回弹模量提高了 12 48%, 纤维掺量由 0 1% 增加到 0 2% 时, 模量提高了 10 58%, 当纤维掺量达到 0 3% 时, 相比掺量为 0 2% 的水泥石灰土模量仅提高了 6 92% 这是由于纤维掺量的增加, 混合料中的纤维网逐步密集, 模量的提高效果越明显, 当掺加过多纤维时, 不仅影响纤维在土体中的分散性而且由于土体中没有足够的水化物粘结纤维与土颗粒, 导致纤维水泥石灰土抗压回弹模量增长率出现下降的趋势, 继续增大聚丙烯纤维掺量还会导致水泥石灰土抗压回弹模量的降低确定因素水平选用沥青面层 + 半刚性基层 + 半刚性底基层典型路面结构进行力学响应分析, 路面结构和材料参数见表 1 表 1 聚丙烯纤维增强水泥石灰土基层沥青路面结构与材料参数结构层厚度 /cm 20 回弹模量 /MPa 沥青混凝土上面层沥青混凝土下面层聚丙烯纤维增强水泥石灰土基层石灰土 (4% 石灰含量 ) 底基层 15 回弹模量 /MPa 泊松比纤维掺量分别为 0% 0 1% 0 2% 0 3% 的水泥石灰土实测值土基选择考核指标由于选用了半刚性基层材料, 沥青混凝土面层底部受压应力作用不需考虑其拉应力值, 因此选取路表弯沉基层及底基层层底拉应力作为考核指标 1 2 力学计算及结果分析 ABAQUS 与 HPDS 计算结果对比借助有限元软件 ABAQUS 简化计算三维路面结构力学问题, 选择 8 结点双向二次平面应变四边形减缩积分单元, 路面结构尺寸为 6m 3m, 模型左右两侧无水平方向位移, 底部无竖向位移, 假设各结构层间完全连续, 施加标准荷载 0 707MPa 选用 HPDS 计算软件中弯沉值和层底拉应力计算子程序 (HMPC) 进行对比由于表 1 含三个考察因素每种因素具有四个水平, 选取 L 16 (4 3 ) 作为正交分析表 ( 表 2), 两种软件计算结果如图 2 所示由图 2 可知,HPDS 程序计算出的路表弯沉值略小于 ABAQUS 程序计算值, 但弯沉变化趋势基本一致由 ABAQUS 软件计算出的基层层底拉应力略小于 HPDS 程序, 但变化规律相同, 两种软件计算出的底基层层底拉应力值基本一致且变化趋势相同综上所述, 可认为 ABAQUS 建立的模型正确

3 78 四川理工学院学报 ( 自然科学版 ) 2017 年 12 月试验号表 2 正交试验设计 A 基层厚度 /cm 考核因素 B 基层模量 /MPa C 底基层厚度 /cm 直观分析直观分析结果见表 3, 比较不同因素间的极差关系, 如图 3 所示基层模量与底基层厚度的极差变化值均为与基层厚度的相对极差对比基层厚度 A 基层模量 B 底基层厚度 C 三因素对路表弯沉和基层底基层层底拉应力的影响图 2 ABAQUS 与 HPDS 计算路表弯沉值基层及底基层层底拉应力对比图表 3 直观分析结果图 3 不同因素的相对极差考核指标因素 K1 K2 K3 K4 R 最优值 A A4 路表弯沉 /mm B B4 C C3 A A4 基层层底拉应力 /MPa B B1 C C4 A A4 底基层层底拉应力 /MPa B B1 C C4

4 (1) 路表弯沉杨林, 等 : 纤维稳定土基层参数对路面力学响应的影响分析 79 路表弯沉的影响 : 基层厚度 > 基层模量 > 底基层厚度, 由此可知, 减小路表弯沉的最有效途径是增大基层厚度当基层材料造价过高不宜增加厚度时, 可掺加聚丙烯纤维提高水泥石灰土基层模量以降低路表弯沉 (2) 基层层底拉应力基层层底拉应力的影响 : 基层厚度 > 底基层厚度 > 基层模量, 基层厚度的极值是其他两因素的 2 倍, 因此减小基层层底拉应力的最好方法是增加基层厚度, 当基层厚度变化不大时, 可提高底基层厚度以降低基层层底拉应力由直观分析表 ( 表 3) 可知, 基层大厚度低模量受力性更佳, 基层模量为 1034MPa, 基层底基层厚度分别为 50cm 40cm 时组合较好 (3) 底基层层底拉应力底基层层底拉应力的影响 : 基层厚度 > 底基层厚度 > 基层模量, 基层厚度的影响程度是基层模量的倍, 基层模量对底基层层底拉应力的影响很小若要降低底基层层底拉应力, 应提高基层底基层厚度结合直观分析表 ( 表 3) 得出, 大厚度的基层受力效果最好, 底基层厚度宜在 50cm 左右因素变化对各指标的影响根据表 3 绘制关系图, 如图 4~ 图 6 所示, 为基层厚度基层模量底基层厚度变化对路表弯沉基层层底拉应力及底基层层底拉应力的影响关系图 (1) 路表弯沉图 5 因素变化与基层层底拉应力变化关系图图 6 因素变化与底基层层底拉应力变化关系图分别降低了 % %, 纤维掺量为 0 2% 的水泥石灰土基层材料较普通水泥石灰土基层材料模量提高了 %, 当纤维掺量增加到 0 3% 时, 模量提高了 32 72%, 基层模量后期变化率小于前中期, 所以提高基层模量要适度, 采用纤维掺量为 0 2% 的水泥石灰土基层材料, 在相同路表弯沉条件下可适当减薄基层厚度 (2) 基层层底拉应力如图 5 所示, 随着基层厚度的增加, 基层层底拉应力呈先增大后大幅减小的趋势,50cm 厚基层较 20cm 厚基层层底拉应力降低了 %, 因此应尽量增大基层厚度底基层厚度在 30cm~40cm 范围内能够大幅降低基层层底拉应力, 而继续增加底基层厚度, 应力变化不大聚丙烯纤维增强水泥石灰土基层材料纤维掺量在 0 1% 范围内, 基层层底拉应力增幅较大,0 1% ~ 0 3% 掺量范围内, 应力增幅较平缓图 4 因素变化与路表弯沉变化关系图由图 4 可知, 各因素水平的增长使得路表弯沉均呈降低趋势底基层厚度变化的影响线相对缓和, 基层模量的影响较底基层厚度明显, 基层厚度影响最为显著, 当基层厚度由 20cm 增加到 40cm 50cm 时, 路表弯沉 (3) 底基层层底拉应力如图 6 所示, 基层厚度的变化对层底拉应力的影响较大, 基层厚度由 20cm 增加到 30cm 时, 对层底拉应力降低作用效果最显著, 而在试验范围内基层厚度由 20cm 增加到 50cm, 底基层层底拉应力共下降了

5 80 四川理工学院学报 ( 自然科学版 ) 2017 年 12 月 % 底基层厚度在 30cm~50cm 厚度范围内对表 4 路面结构荷载参数应力降低效果明显, 继续增加底基层厚度, 应力几乎无变化基层模量影响线变化幅度不大, 说明基层模量的变化对层底拉应力基本无影响, 若要控制底基层层底拉应力应适当增大基层底基层厚度 2 重载作用分析轴载 /kn 轮载 /kn 接地面积 /cm 矩形边接地压长 /cm 力 /MPa 长 L 宽 0 6L 两轮中心距 /cm 车辆荷载反复作用下, 路面易出现纵向裂缝从而形成网裂龟裂破坏路表弯沉反应路面整体结构状态, 其中包含路面结构层应力与抗力的失衡关系 ; 同时半刚性基层底基层层底拉应力对路面疲劳开裂起控制作用 [16 18] 由于我国大部分地区超载现象越来越严重, 还需对超载路面结构设计考核指标进行计算, 最终确定合理的基层厚度模量及底基层厚度在标准轴载下 ( 图 4~ 图 6), 三因素对路表弯沉基层及底基层层底拉应力计算分析可知, 基层厚度越大, 对各指标越有利, 从而确定基层厚度为 50cm; 随着底基层厚度的增大, 其影响线趋于平缓, 底基层厚度宜为 40cm 而基层材料的选择对路表弯沉及层底拉应力有不同程度的影响, 分别计算不同纤维掺量下的水泥石灰土基层结构在重载情况下的路表弯沉与层底拉应力 2 1 荷载参数及形式在单轴双轮组标准轴载 100kN 的基础上, 分析轴载分别为 125kN 150kN 200kN, 即超载率分别为 25% 50% 100% 三种重载情况不同纤维掺量下水泥石灰土基层结构对路表弯沉和层底拉应力的影响相关资料表明, 只有在标准轴载作用下车轮荷载可转化为当量圆均匀荷载, 若超过标准轴载, 轮胎接地形状更近似于矩形 [19], 矩形面积计算公式 : S=0 8712L 0 6L 其中,L 为轮胎接地长度 (cm) 计算重载车胎接地面积可采用比利时轴载接地面积统计关系式 [20] : Α =0 008P+152 其中,P 为作用于车轮上的荷载 (N) 路面结构荷载参数见表计算及结果分析通过 ABAQUS 软件计算出在不同重载情况下, 含不同掺量聚丙烯纤维的水泥石灰土基层路面结构的路表弯沉与层底拉应力, 计算结果如图 7~ 图 9 所示其中设计弯沉值基层和底基层容许拉应力值为中等交通等级下 ( 次 / 车道 ) 的计算值 /(0.01 mm) kN kN kN kN /% 图 7 路表弯沉计算值图 8 基层层底拉应力计算值由图 7~ 图 9 可知, 随着轴载的增大, 路表弯沉基层及底基层层底拉应力均增加如图 7 所示, 当轴载增加到 125kN 时, 普通水泥石灰土基层路面结构的路表弯沉较标准轴载 100kN 增加了 3 808, 而掺加 0 2% 聚丙烯纤维后, 路表弯沉仅增加了 2 761; 轴载增加到 150kN 时, 普通基层路面结构的路表弯沉增大了 7 757, 而添加 0 2% 聚丙烯纤维后, 路表弯沉仅增大了 5 853; 当轴载达到 200kN, 普通基层路面结构的路表弯沉增大

6 杨林, 等 : 纤维稳定土基层参数对路面力学响应的影响分析 81 /MPa kN 125kN 150kN 200kN /% 图 9 底基层层底拉应力计算值了 , 而添加 0 2% 聚丙烯纤维后, 路表弯沉仅增大了超载率为 100% 时, 普通水泥石灰土基层纤维掺量为 0 1% 的水泥石灰土基层路面结构的路表弯沉已超过设计弯沉值, 不满足规范要求, 但随着纤维掺量的提高, 可满足设计要求, 说明聚丙烯纤维增强水泥石灰土基层材料能够缓解超载地区路表弯沉增大的现象聚丙烯纤维掺量在 0 1% ~0 2% 区间内弯沉具有显著的下降趋势, 纤维掺量宜为 0 2% 由图 8 可知, 在标准轴载 100kN 条件下, 掺加 0 2% 聚丙烯纤维的水泥石灰土基层层底拉应力较普通水泥石灰土增大了 MPa; 轴载增加到 125kN 时, 掺加 0 2% 聚丙烯纤维的水泥石灰土基层层底拉应 3 结论 (1) 通过正交设计分析出路面结构设计中关键因素对指标的影响其中对路表弯沉的影响 : 基层厚度 > 基层模量 > 底基层厚度 ; 对基层层底拉应力的影响 : 基层厚度 > 底基层厚度 > 基层模量 ; 对底基层层底拉应力的影响 : 基层厚度 > 底基层厚度 > 基层模量水泥石灰土基层厚度由 20cm 增加到 50cm 时, 路表弯沉基层层底拉应力底基层层底拉应力分别降低了 % % % (2) 选用聚丙烯纤维掺量为 0 2% 的水泥石灰土基层材料, 聚丙烯纤维水泥石灰土基层较同厚度普通水泥石灰土基层沥青路面结构路表弯沉降低了 % 而在相同路表弯沉条件下, 应用聚丙烯纤维水泥石灰土作基层材料, 可适当减薄基层厚度, 满足经济合理成本最低化要求 (3) 在重载条件下, 选用聚丙烯纤维增强水泥石灰土基层路面结构, 可显著降低路表弯沉, 聚丙烯纤维水泥石灰土基层材料在重载作用下具有良好的路用性能 ; 已知路面结构其他条件, 比选出路面结构参数 : 聚丙烯纤维增强水泥石灰土基层厚度宜为 50cm, 聚丙烯纤维掺量宜为 0 2%, 石灰土底基层厚度宜为 40cm 力较普通水泥石灰土增大了 MPa; 同理, 轴载达到 150kN, 层底拉应力增大了 MPa 可知, 聚丙烯纤维的添加不仅增加了基层层底拉应力, 而且随着轴载的增大层底拉应力增幅越大虽然基层层底拉应力小于容许拉应力, 但应尽量避免重载超载现象当超载 100% 时, 普通水泥石灰土基层聚丙烯纤维掺量为 0 1% 的水泥石灰土基层层底拉应力均超过其容许拉应力, 说明超载达到 100% 时, 基层先发生拉伸开裂, 裂缝向上扩展形成反射裂缝, 这是常见的路面破坏形式当纤维掺量达到 0 2% 或 0 3% 时, 基层层底拉应力小于其容许拉应力, 满足极限强度验算指标由图 9 知, 聚丙烯纤维增强水泥石灰土基层材料对底基层层底拉应力稍有影响但不大, 聚丙烯纤维掺量不超过 0 3% 时, 超载率不大于 100% 各结构底基层层底拉应力均小于容许拉应力, 满足设计要求参考文献 :? ' '() ' ' :? '&?<) *,,3 /+3 - /.,/0+2 /7,/ -,0 -; + / -+7, 3,7,/ >, /, +-+/ 7+= ;2, / 1 2;3 + / &2 / / *,,3 /+31" 严武建牛富俊吴志坚等冻融循环作用下聚丙烯纤维混凝土的力学性能交通运输工程学报!! " 周启伟叶伟杨波等水泥稳定碎石低温强度与干缩特性分析硅酸盐通报! # # 姚晓光张争奇罗要飞等间断级配纤维微表处性能及指标研究中南大学学报自然科学版! " #! " 杨林张秉夏 &* 型土壤固化剂水泥石灰土的强度和稳定性试验公路交通科技 # "

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CAT 路面再生机/稳定土拌和机再生和稳定 RM500 CAT / ECM RM300 2 Cat RM500 RM300 3 4 75 mm 3" HMA 125 mm 5" HMA 75 mm 3" HMA 5 提高土壤承重能力土壤稳定是指以机械或化学方式改进土壤承重特性的过程粘性和半粘性原土壤中掺入了煤灰波特兰水泥和石灰等添加剂以提高路基的抗压强度或降低其可塑性使用正确的添加剂进行稳定