土工格栅在沥青混凝土路面中的应用探索

土工格栅主要作用

1、减缓反射裂缝

反射裂缝是由于旧混凝土面层在接缝或裂缝附近的较大位移引起其上方沥青加铺层内出现应力集中所造成的，它包括因温度和湿度变化而产生的水平位移，以及因交通荷载作用而产生的竖向剪切位移。前者导致接缝或裂缝上方的沥青加铺层内出现较集中的拉应力；后者则使接缝上方的沥青加铺层经受较大的弯拉应力和剪切应力。

由于土工格栅的模量很大，达到67Gpa，作为刚度大的硬夹层应用在沥青罩面层中，其作用是抑制应力，释放应变，同时作为沥青混凝土加筋材料，提高加铺层结构的抗拉和抗剪能力，从而达到减少裂缝的目的。实践表明，一条改变了方向的水平裂缝的对应裂缝能量可从其起点移动0.6米，1.5米以上宽度的加筋材料有助于确保能量在裂缝两侧完全消散。

2、抗疲劳开裂

在旧水泥混凝土路面上的沥青加铺层，其主要作用是提高路面的使用功能，对承载作用则贡献不大，加铺层下的刚性混凝土路面仍起关键的承载作用。而在旧沥青混凝土路面上进行沥青罩面则不同，沥青加铺层将与旧沥青混凝土路面一起承载。因此，在沥青混凝土路面上进行沥青罩面，除了会出现反射裂缝，同时还会因为荷载的长期作用而出现疲劳开裂。我们对旧沥青混凝土路面上的沥青加铺层受荷情况做受力分析：由于沥青罩面层下为与沥青罩面层同一性质的柔性面层，当受到荷载作用时，路表将发生弯沉。在直接与车轮接触的沥青罩面层受到压力，在轮载边缘以外的区域，面层受到拉力作用，由于两处受力区域所受力性质不同，而又彼此紧靠，因此在两块受力区域的交界处即力的突变处容易发生破坏。在长期荷载的作用下，发生疲劳开裂。

玻纤土工格栅在沥青罩面层中，能够将上述的压应力与拉应力分散，在两块受力区域之间形成缓冲带，在这里应力逐步变化而不是突变，减少了应力突变对沥青罩面层的破坏。同时玻纤土工格栅的低延伸率减小了路面的弯沉量，保证了路面不会发生过渡变形。

3、耐高温车辙

沥青混凝土在高温时具有流变性，具体表现在：夏季沥青道路面层发软、发粘；在车辆荷载作用下，受力区域产生凹陷，车辆荷载撤除后沥青面层无法完全恢复至受荷前的状况，即产生了塑性变形；在车辆的反复碾压的作用下塑性变形不断积累，形成车辙。我们对沥青面层结构进行分析后，可以知道由于高温下沥青混凝土具有流变性，而在受到荷载时，面层中没有任何可以约束沥青混凝土中集料运动的机制，造成沥青面层的推移，这就是形成车辙的主要原因。

土工格栅技术在高速公路路基施工中的运用

高速公路建设需要充分融合各个施工细节与多方面内容。其中所涉及到的核心内容为路基。在控制工程整体质量时，路基的重要性不言而喻。无论从施工单位角度来说，还是从施工人员角度来说，都需要真正意识到路基起到的重要作用与价值。借助全新的技术与手段，保障路基施工工作的整体质量与水平。土工格栅技术凭借自身强大优势与价值，大面积应用于高速公路路基施工当中，为我国高速公路整体性能的提升贡献自身力量。

一、工程实例

某高速公路工程全长45.3km，为标准的4车道类型，设计时速120km/h。其中K12+220-K14+350段路基稳定性较差，承载力小，容易出现路基下沉等质量问题。为预防这些质量缺陷发生，实现对工程质量的有效控制，施工单位经过现场调查和研究分析，决定采用土工格栅技术开展该段路基工程建设。

二、在高速公路路基施工中如何科学应用土工格栅技术

1.恰当处理路基

首先，高速公路在施工以及使用时都对路基的稳定性提出较高要求。可靠的高速公路路基才能将良好的出行条件提供给人们。以往高速公路路基中大面积存在沉降以及开裂的问题。因此需要提高对路基处理工作的重视程度，在不断强化路基处理的基础上，应用土工格栅技术开展后续施工作业。路基施工还要结合实际，恰当控制路基坡度。部分施工地段涉及的地基条件良好。这种高填方路堤可直接铺设土工格栅。如果出现横面坡陡于1.5，或者处于填挖交界处时，必须利用开挖错台的方式铺设土工格栅。

其次，针对填挖交界处进行恰当的填筑，一般填筑材料会选择级配良好的砂类土。通过形成过渡区的方式，将更为便利的条件提供给后续施工工作。上述处理工作完成后，才可开展土工格栅铺设工作，铺设时需要将层数控制为两层，还要注意控制土工格栅深入厚度。部分填挖交界处会存在土质挖方的问题。这种情况需要利用换填土的方式挖出原有土质，然后将合格的土质回填到其中。

４６　道路交通　城市道桥与防洪　２０１３年７月第７期　

格栅加强沥青路面结构设计分析　

赵艳红　（北京市龙泰工程设计咨询有限公司，北京市１０００４５）　

摘　要：土工格栅是最常用的路用土工织物之一。在沥青路面面层中加入玻璃纤维土工格栅，采用复合材料模拟法确定格栅加强　沥青路面结构层的设计模型及参数，利用《公路沥青路面设计规范》规定的设计程序与控制指标，按层状弹性体系理论求解格栅加　强沥青路面结构，将格栅加强沥青路面与普通沥青路面的结构设计结果相对比，结果显示：土工格栅的使用可有效增加沥青面层　的弹性模量，当保持设计标准不变的情况下，格栅的使用可有效降低沥青面层的厚度。　关键词：格栅；沥青路面；结构设计；厚度减薄效应　中图分类号：Ｕ４１６．２１７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—７７１６（２０１３）０７—００４６—０３　

０前言　

玻璃纤维土工格栅（简称玻纤格栅）是以玻璃　

纤维无碱无捻粗纱为主要原料，采用一定的编织　

工艺制成的网状结构材料，经过特殊的涂复处理　

工艺而形成新型优良的土工织物。由于土工格栅　

自身具有较高的刚度和抗拉强度，所以与其他土　

工合成材料相比，土工格栅可以产生独特的加固　

效果。目前土工格栅主要被广泛用于路基土的加　

固和道路的加铺工程中，国外的研究结果表明，当　

土工格栅用于道路工程时，它具有减小路面永久　

竖向变形，限制侧向变形，控制裂缝开展，以及减　

小道路基层设计厚度的作用，所以土工格栅用于　

路基加固工程的技术已经较为成熟ｔ”。近几年，我　

国关于土工格栅用于路面面层结构也进行了一些　

研究口ｔ３】，然而将土工格栅用于路面面层结构则仍　处于研究阶段，已有研究表明，将土工格栅用于沥　

青路面面层，可提高沥青混合料的强度与路用性　

能，并会改变路面结构的应力分布，因此有必要对　

土工格栅加强沥青路面结构进行力学分析与计　

算，探讨土工格栅对沥青路面结构的加强效果。　

１格栅加强沥青路面结构设计理论　

国内外关于格栅加强沥青路面结构成熟的分　析方法尚不多见，针对新建沥青路面，当认为路面　

玻纤土工格栅是以玻璃纤维为原　料，采用一定的编织工艺制成的网状结　构，为保护玻璃纤维、提高整体使用性　能，使其经过特殊的后处理工艺而形成　的最终产品。目前已经在土工方面　尤　其是在沥青道路建设上已经得到了较为　广泛的应用　并取得了令人满意的效　果　但目前对其作用机理并没有较为完　整的理论　为进一步推广这种性能优良　的土工材料　有必要对作用机理作出明　确的说明　从而可以更好地指导玻纤土　工格栅的生产与应用。　玻纤土工格橱的特性　玻纤土工格栅具有一些特殊的性能　高抗拉强度低延伸率　玻纤土工格栅是以玻璃纤维为原　料　而玻璃纤维的比强度极高　超过了　其它纤维与金属。同时它的模量很高，　具有很高的抗变形能力，断裂延伸率小　于４％。　无长期蠕变　作为增强材料　具备在长期荷载的　情况下抵抗变形的能力即抗蠕变性是极　为重要的　玻璃纤维不会发生蠕变　这　保证产品能够长期保持性能。　热稳定性　玻璃纤维在１０００。Ｃ才开始熔化　这　确保了玻纤土工格栅在摊铺作业中承受　过量热的稳定性。　与沥青混合科的相容性　玻纤土工格栅在后处理工艺中涂覆　的材料是针对沥青混合料设计的．每根　纤维都被充分涂覆　与沥青具有很高的　相容性　从而确保了玻纤土工格栅在沥　青层中不会与以沥青混合料产生隔离　而是牢固地结合在一起。　物理化学稳定性　经过特殊后处理剂进行涂覆处理　后　玻纤土工格栅能够抵抗各类物理磨　文／杭州强士工程材料有限公司　钱颖吴纯　损和化学侵蚀　还能抵御生物侵蚀和气　候变化　保证其性能不受损失。　集料嵌锁和限韦ＩＪ　由于玻纤土工格栅是网状结构，沥　青混凝土中的集料可以贯穿其中，这样　就形成了机械嵌锁。这种限制阻碍了集　料的运动，使沥青混合料在受载荷的情　况下能够达以更好的压实状态　更高的　承重能力，更好的载荷传递性能及较小　的变形。　玻纤土工格橱的应用及作用机理　玻纤土工格栅具有前面所述特点　当它应用于沥青道路上时，可以在以下　几方面发挥重要作用　抗疲劳开裂　沥青路面必须具有一定的承载能　力　在规定的时间内不会发生疲劳破　坏　根据柔性路面设计规范的规定　要　求控制路表最大弯沉和层底面最大弯拉　应力小于相应的容许量，以保证路面不　致产生过度的变形和开裂。我们对沥青　路面受载荷的情况何做受力分析：在直　接与车轮接触的下面层受到压力　在轮　载边缘以外的区域，面层受到拉力作　用　由于两处受力区域所受力性质不　同，而又彼此紧靠　因此在两块受力区　域的交界处即力的突变处容易发生破　坏。在长期荷载的作用下，发生疲劳开　裂　玻纤土工格栅在沥青面层的下面层　中　能够将上述的压应力与拉应力分　散　在两块受力区域之间形成缓冲带　在这里应力逐步变化而不是突变　减少　了应力突变对沥青面层的破坏。同时玻　纤土工格栅的低延伸率减小了的弯沉　量　保证了路面不会发生过度变形。　耐高温车辙　沥青混凝土在高温时具有流变性　具体表现在：夏季沥青道路面层发软　发粘：在车辆荷载作用下　受力区域产　生凹陷　车辆荷载撤除后　沥青面层无　法完全恢复至受载荷之前的状况，即产　生了塑性变形　在车辆反复碾压的作用　下　塑性变形不断积累　形成车辙。我　们对沥青面层结构进行分析后　可以知　道由于高温下沥青混凝土具有流变性，　而在受到载荷时，面层中没有任何可以　约束沥青混凝土中集料运动的机制　造　成沥青面层的推移　这就是形成车辙的　主要原因。　在沥青面层中的上面层与中面层之　间使用玻纤土工格栅，其在沥青面层中　起到骨架作用。沥青混凝土中集料贯穿　于格栅间，形成复合力学嵌锁体系　限　制集料运动，增加了沥青面层中的横向　约束力　沥青面层中各部分彼此牵制　防止了沥青面层的推移　从而起到抵抗　车辙的作用。　图１玻纤土工格栅结构对集料的嵌锁、限制作用　年　第ｌ＿８＿期　～Ｉ　Ｉ　Ｉ　ｌ　Ｉ　ｉ一路面材料　一　维普资讯 抗低温缩裂　严寒地区的沥青道路．冬季面层温　度接近于气温，在这样的温度条件下，　沥青混凝土遇冷收缩　产生拉应力。当　拉应力超过沥青混凝土拉伸强度时　产　生裂纹，在裂纹集中的地方产生裂缝，　形成病害。从裂纹的成因看，如何使沥　青混凝土强度抵抗住拉应力是解决问题　的关键。　玻纤土工格栅在沥青面层中的中间　层中使用　提高了面层横向拉伸强度，　使得沥青混凝土的拉伸强度大大提高．　可以抵抗住较大的拉应力而不致发生破　坏。另外．目　使因为局部区域产生裂纹　在裂纹发生处的应力集中．经玻纤土工　格栅的传递而消失　裂纹不会发展成裂　缝。　延缓反射裂缝　许多铺覆了罩面后．被认为结构牢　固的道路铺凿层过早地出现与底层相似　的裂缝　这种ＩＥｔ路面断裂处的原有裂缝　扩展到或穿透到新路面的现象称之为反　射裂缝。　反射裂缝破坏道路表面的连续性．　降低路面结构强度，使得水进入底层．　因此，削弱ＩＥｔ路面的问题又延续到新路　面中。　而裂缝产生的原因是路面无法承受　因底层移动而产生的剪切应力和拉伸应　力。这种移动可由交通荷载荷（轮胎压　力）或热载荷（膨胀和收缩）引起。　在沥青罩面层的下面中加铺玻纤土　工格栅　抑制应力　释放应变．作为沥　青混凝土拉伸增强材料，达到减少裂缝　弯沈　‘＼　孔隙　的目的。　埃默里博士领导的独立实验室用Ｂａｙ　ＭｉＩＩｓ生产的ＣＬＡＳＧＲＩＤ样品进行对比试　验，结果表明．经增强的试样断裂的弯　曲荷载比相同挠度下未经加筋处理的对　照试样高出２倍　而其应力分散模式为　进集料嵌锁与限制。　处理软土基　软土的特点是含水量较高（２０／。Ｏ／一　４Ｏ％），土壤疏松多　Ｌ．承载能力低　在　交通荷载　热荷载　图３　图４原有面层裂缝的水平能区　试验表明　一条改变了方向的水平　裂缝的对应裂缝能量可从其起点移动　６ｍ。１　５ｍ宽的加筋材料有助于确保能　量在裂缝两侧完全消散。较／Ｊ、的宽度会　导致应力水平扩展．在增强材料边缘垂　直向上．使夹层的每一边形成较小的裂　缝。因此，必须强调一点。玻纤土工格　栅作为延缓反射裂缝产生的夹层．它的　几何结构至关重要．横截面积足够大．　应力分散也就愈充分．它的宽度必须超　图２　过改变了方向的应力能的极限，而其孔　径必须有助于达到最佳剪切胶粘性．促　年　蝴　载荷的作用下易沉降。　多分布在沿海以及内　陆水系密集区．如果　在软土基上修筑沥青　道路．事先不对软土　基进行处理　则在车　辆载荷的作用下　软　土基发生沉降．造成　路堤发生破坏、断裂。　／下　丁ｒ　、、　——　一—～ｆ　Ｉ　１　ｌ：ｆ　ｌ　Ｉ　ｌ｝　Ｉ　ｌ　ｌ【Ｉ　ｌ—ｌ　Ｉ　Ｉ　．１’　ｉ　Ｉ　ｌ、＇　１’　—　Ｌ—　—　—————　—　————Ｌ—　－・－　－－一———————　——Ｊ———Ｌ—』——ｌ——ｌ—．Ｌ　．Ｌ．。～　图５荷载在软土中的应力分布情况　在软土基中采用玻纤土工格栅进行　加筋处理，它的网状结构有利于软土基　的排水，在路堤填土荷载下．软土中的　水分渗出．促使软土固结．土基承载力　提高。软土基与玻纤土工格栅共同作用　形成嵌锁体系．受到车载时．玻纤土工　格栅受拉，路堤中心轴处竖向应力减　小．两侧竖向应力加大，从而使基底的　竖向应力趋于均匀。　玻纤土工格栅作为一种新型土工材　料　应用于沥青罩面中．与沥青溶为～体．　具有抑制沥青流动．防止车辙．延缓裂缝　的效果　它可耐受沥青铺设工事的高温　而其作为纤维型网格．具有轻作业性　从成本的角度看．铺设玻纤土工格　栅可延长道路使用寿命．降低Ｅｌ常维修　费用．铺设玻纤土工格栅可适当减薄沥　青面层厚度。减少材料费用和施工运输　等费用．采用该材料后．在不提高道路　建设和维护的综合成本的前提下．延长　了使用寿命　从新材料的推广、应用角　度来看，玻纤土工格栅已在全国十多个　省市得到广泛的应用实践，其使用效果　是明显的　而其长期增强．防止反射裂　缝的作用．仍需进一步的事实论证　▲、公路建设帝场一日　斟