（交通运输工程专业论文）动载作用下土工格栅加筋路面的有限元分析.pdf

一 a p p l i c a t i o no f f i n i t ee l e m e n tm e t h e df o rg e o s y n t h e t i c r e i n f o r c e m e n tp a v e m e n t su n d e rd y n a m i c l o a d i n g l i un e n g y u a n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g h i g h w a ya n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g i n t h e g m d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a nk e z h e n m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 趟沈獐 日期：kl f 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：沙l 砝缸 导师签名：弓、艺可以 日期：l 1 年6 月7 日 日期：t 1 年6 月 日 硕l j 学位论文 摘要 随着国民经济的持续快速发展，公路交通在国民经济和人民生活中发挥着越 来越巨大的作用，是衡量一个国家经济实力和现代化水平的重要标志之一。但随 之而来的是路面损害越来越严重，无论是新建的柔性基层沥青路面，还是旧水泥 混凝土加铺沥青路面，车辙裂缝等问题都是影响路面使用性能的重要因素。为改 善路面使用性能和提高承载能力，延长服务年限，必须采取一定的保护措施。土 工格栅层的加入，使得沥青混合料内的颗粒位移受到均匀的限制，极大地减小了 在荷载作用下混合料内部的应力集中程度，提高了沥青层的抗疲劳特性，延缓了裂 缝的发展，推迟了结构的破坏。目前国内外对动力荷载作用下格栅加筋路面的结构 类型、设计方法方面的研究相对比较少，因此开展这方面研究是十分必要的。本 文通过对动载作用下路面加筋层进行较为全面和深入的力学计算，分析其产生破 坏的原因，进而提出防护措施，力图借此为路面设计提供帮助。本文主要从事以 下几个方面开展研究工作： ( 1 ) 利用线弹性力学原理，建立路面结构三维有限元模型，研究柔性基层沥 青路面中格栅加筋层所处位置变化对沥青路面力学性能的影响，得出土工格栅位 于面层l 3 时效果最好，格栅模量越大则效果越好的结论。 ( 2 ) 探索格栅夹层在旧沥青路面加铺层结构中的最佳位置，用有限元软件分 析夹层位置对夹层上下沥青加铺层结构应力、应变影响的规律，得出旧沥青路面 加铺层在动力荷载作用下的位移与应力大于均布静力时的位移和应力的结论。 ( 3 ) 在前面分析的基础上考虑旧水泥路面有、无裂缝以及加铺层与旧水泥路 的层间状态等因素对格栅最佳位置的影响，研究发现旧水泥混凝土路面加铺层中 格栅对加铺层抗疲劳破坏帮助不大，但是格栅可以显著延缓反射裂缝的发生。 关键词：路面；格栅夹层；有限单元；动力分析；疲劳寿命；反射裂缝； 动载作用下十t 格栅加筋路i 蚓的自限兀分析 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u i n gr a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y ，t h eh i g h w a y t r a f f i cp l a y sai m p o r t a n tr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m ya n dp e o p l e sl i f e ，a n dm a k et o b eam a r kt om e a s u r eac o u n t r y se c o n o m i cs t r e n g t ha n dl e v e lo fm o d e r n i z a t i o n a t t e n d a n tp r o b l e m sa r et h ei n ju r yo ft h ea s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r eb e c o m i n gm o r e a n dm o r es e r i o u s l y w h e t h e rt h ea s p h a l tp a v e m e n to ft h ef l e x i b l eb a s e ，o ro l dc o n c r e t e p a v e m e n tw i t hp a v i n ga s p h a l tp a v e m e n t ，r u t t i n ga n dc r a c k i n ga r et h ei m p o r t a n tf a c t o r o fa f f e c t i n gp a v e m e n tp e r f o r m a n c e i no r d e rt oi m p r o v et h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e ， p r o m o t et h ec a r r y i n gc a p a c i t ya n dp r o l o n gt h es e r v i c ed e a d l i n e ，s o m et e c h n i q u e sm u s t b et a k e nt op a v e m e n tr e n o v a t i o n u s i n gg e o s y n t h e t i cr e i n f o r c e m e n tp a v e m e n ti sa c o m m o ne f f e c t i v et e c h n i q u ef o rp a v e m e n tr e n o v a t i o n i tc a nr e s t r i c tt od i s p l a c e m e n t o f a s p h a l tm i x t u r ep a r t i c l e , r e d u c es t r e s s i n gc o n c e n t r a t i o n ，e n h a n c et h ea n t i f a t i g u e p r o p e r t i e so fp a v e m e n t ，d e l a yd e v e l o p m e n to fc r a c k i n g c u r r e n t l y , t h er e s e a r c ho fo u r c o u n t r yo ns t r u c t u r et y p e ，d e s i g nm e t h o da n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo fg r i di n t e r l a y u n d e rd y n a m i cl o a d i n ga r ea l s of e w i tw a sn e c e s s a r yt od ot h i s t h i st h e s i sh a v eb e e n t h o r o u g h l ya n ds y s t e m a t i c a l l ye x t e n d i n gt h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i c sa n a l y s i so f g r i di n t e r l a y ，a n a l y s i s o ft h ec a u s e so fp a v e m e n td a m a g e ，t h e nr e s e a r c ho nt h e m e a s u r e so fc r a c k - r e s i s t a n t a l lo ft h o s ew i l lb eh e l po fp a v e m e n td e s i g n t h e p r i m a r yc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nl i n e a re l a s t i c i t yt h e o r y ，e s t a b l i s ht h et h r e e d e m e n s i o nm o d e l ，t h e i n f l u e n c eo fp a r a m e t e r sl i k et h i c k e s s ，m o d u l u s ，a n dp o s i t i o no fg r i di n t e r l a yi na s p h a l t p a v e m e n to ft h ef l e x i b l eb a s ei ss t u d i e d e s p e c i a l l y ，t h ei n f l u e n c et or u t t i n ga r e e m p h a t i c a l l ya n a l y z e d ( 2 ) e x p l o r et h eb e s tp o s i t i o no fg r i d i n t e r l a yi nt h eo v e r l a ys t r u c t u r eo fo l d a s p h a l tp a v e m e n t u s i n gf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea n a l y s i si n f l u e n c e r e g u l a r i t yo f i n t e r l i n i n gp o s i t i o nt os t r e s sa n ds t r a i no fo v e r l a ys t r u c t u r e ，a n dc a l c u l a t ef a t i g u el i f e o fo v e r l a ys t r u c t u r eo nd i f f e r e n ts i t u a t i o n s ( 3 ) b a s e do na b o v er e s e a r c h ，a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fc r a c k i n ga n dr e l a t i o n s b e t w e e nl a y e r si nt h eo l dc o n c r e t ep a v e m e n tt ot h eb e s tp o s i t i o no fg r i di n t e r l a y s t u d y t h er o l eo fg r i di n t e r l a yi nt h eo v e r l a ys t r u c t u r eo fo l dc o n c r e t ep a v e m e n tt or e d u c e r e f l e c t i o nc r a c k i l l 硕i ：学位论文 k e yw o r d s ：p a v e m e n t ；g r i di n t e r l a y ；f i n i t ee l e m e n t ；d y n a m i ca n a l y s i s ；f a t i g u el i f e ； r e f l e c t i o nc r a c k ； i v 动载作用下土t 格栅加筋路面的有限元分析 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 研究的背景和意义一1 1 2 路面结构开裂破坏研究概况2 1 2 1 路面结构开裂理论分析2 1 2 2 研究方法3 1 2 - 3 研究成果与结论4 1 3 土工合成材料加筋作用的理论研究4 1 4 土工合成材料加筋路面研究概况5 1 4 1 国外研究概况6 1 4 2 国内研究概况7 1 5 本文主要研究内容及方法8 第2 章有限元法简介1 0 2 1 基本介绍j lo 2 2 数学原理一1 0 2 3 分析步骤一1 1 第3 章交通荷载作用下柔性基层加筋沥青路面的有限元分析1 4 3 1 计算参数及假定1 4 3 2 有限元模型的建立1 5 3 3 有限元计算结果分析一1 7 3 4 格栅层所置位置对沥青面层力学状况的影响2 4 3 5 格栅层模量对沥青路面力学状况的影响一2 7 3 6 本章小结2 9 第4 章交通荷载作用下格栅加筋旧沥青路面加铺层的有限元分析。3 1 4 1 计算参数及假定3 l 4 2 建立有限元模型3 2 4 3 有限元计算结果分析3 3 4 4 格栅层所置位置对旧沥青路面加铺层力学状况的影响一4 0 v 硕l j 学位论文 4 4 1 沥青加铺层结构受力分析4 0 4 4 2 沥青加铺层结构疲劳寿命的计算方法4 3 4 5 本章小结一4 4 第5 章交通荷载作用下格栅加筋旧水泥路面加铺层的有限元分析。4 5 5 1 防裂措施及力学机理简介4 5 5 1 1 旧路裂缝对加铺层力学状况的影响4 5 5 1 2 主要防裂措施4 6 5 2 建立有旧路裂缝的沥青加铺层有限元模型4 6 5 3 有裂缝时的有限元计算结果分析一4 8 5 4 格栅层所置位置对1 日水泥路面加铺层力学状况的影响一5 5 5 4 1 沥青加铺层结构主拉应变分析一5 5 5 4 2 沥青加铺层结构竖向切应变分析5 7 5 5 本章小结5 9 结论6 l 参考文献6 3 致 射6 7 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文6 8 v l 硕f j 学位论文 1 1 研究的背景和意义 第1 章绪论 公路交通在国民经济和人民生活中占有极其重要的地位，是衡量一个国家经 济实力和现代化水平的重要标志之一。自改革开放以来，我国的公路建设事业取 得了前所未有的辉煌成果，各种等级的公路里程迅速增长。据统计，2 0 0 8 年底， 全国公路总里程已达到3 6 8 万公里左右，其中高速公路总里程达到6 0 3 万公里， 居世界第二位。并计划到2 0 1 5 年完成“五纵七横”的规划目标。并在此基础上形成 包括7 条首都放射线，9 条南北纵横线和1 8 条东西纵横线的布局形态。公路通车 里程大幅度增加，有力地促进了我国经济发展和社会进步，但公路建设也使交通 运输结构变化，交通量骤增，重车、超重车的比例不断增大，加上复杂环境变化 因素等原因，许多路面受到严峻的考验，又反过来制约着交通运输的发展。 沥青混凝土路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、振动小、噪音低的优点， 在各国的公路建设中作为主要形式。但是沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性、 耐久性和反射裂缝等问题也是道路建设中比较棘手的技术难题。许多新的设计方 法、新的路面结构形式、新的复合材料的应用为解决这些难题提供了途径。随着 土工合成材料的发展，近年来出现一批新的土工产品，如土工格栅、土工网、土 工格室等。由于土工格栅具有高强度、高模量、低蠕变、耐腐蚀、抗老化，与土 颗粒之间的摩擦系数大、嵌锁作用强的特点，能够很好地改善土体的性质，因此 被大量地用于公路、铁路等土木工程的挡土墙、路堤、边坡、桥台以及路面等结 构中。 土工格栅有优良的物理、力学性能，应用于沥青混凝土路面中所起的作用非 常明显。首先，土工格栅具有较高的抗拉强度和张拉模量，能将应力均匀的扩散 在较大的面积范围内，可大大减轻沥青结构层产生的徐变作用，最终达到防止沥 青路面开裂的目的。其次，当非均布的局部外力作用于土工格栅时，其网孔就会 相应变形，约束作用也显示出来，限制了集料的位移，保持了矿料骨架的稳定， 从而提高了抗车辙的能力。再次，由于土工格栅的使用，使得沥青混合料内的颗 粒位移受到均匀的限制，极大的减小了在荷载作用下混合料内部的应力集中程度 阻止了微裂缝的发展，能有效提高破坏强度和延缓疲劳寿刽卜6 j 。最后，土工格栅 的加入提高了沥青层的抗疲劳特性，延缓了裂缝的发展，推迟了结构的破坏。反 过来讲，如果仍采用不铺土工格栅的路面寿命，则加铺土工格栅后可减薄结构层 的厚度。国外的试验研究表明，采用土工格栅后大大减薄沥青结构层的厚度1 7 j 。 动载作川下十j i ：格栅加筋路面的有限元分析 无论是新建的半刚性基层沥青路面，还是旧水泥混凝土加铺沥青路面，反射 裂缝问题都是影响沥青路面使用性能的重要因素。应用土工合成材料是防治路面 早期损坏的重要工程措施之一。国外关于土工合成材料的应用已有多年的历史， 1 9 3 0 年美国北卡罗来纳州首次使用棉纺织品加固路基土。1 9 5 8 年，美国的科学家 r j b a r r e t t 在佛罗里达州首次将透水性合成纤维有纺织物铺设在护岸混凝土块 下，作为防冲刷保护层，因而他被称为土工织物之父。上世纪6 0 年代起，合成纤 维土工织物在美国、欧洲和日本被逐渐推广应用。我国应用土工合成材料的历史 比较短暂，合成材料在我国的应用始于6 0 年代中期，主要用于渠道、河流、堤岸 的防冲防渗。2 0 世纪8 0 年代开始，从国外引进的许多生产设备和技术资料推动了 我国土工织物的生产与应用。2 0 世纪9 0 年代以来，土工织物由于所具有的功能和 特性以及在实际工程中的应用效果，引起全国各行各业的极大兴趣，土工织物开 始在一些大型工程、重点工程中得以应用，并获得了较好的经济效益和社会效益。 与此同时，道路工作者做了许多关于土工格栅防治沥青路面病害的研究。这 些研究主要是基于静载作用下的土工材料在防治沥青路面病害中所起的作用，然 而路面荷载的形式主要是动力荷载，为了尽量与实际相符合，本人在前人工作的 基础上考虑土工格栅与土动力相互作用机理，建立在动力荷载作用下土工格栅与 路面相互作用的有限元分析模型，通过算例验证该模型的合理性为修正或指导 路面结构设计，解释路面结构破坏机理研究提供有价值的理论指导。 1 2 路面结构开裂破坏研究概况 沥青路面开裂是世界各国沥青路面使用中均会遇到的主要病害之一，其分布 十分普遍，无论是冰冻地区，还是非冰冻地区，只是各自的裂缝严重程度不同而 已。根据沥青路面开裂的主要原因，裂缝可以分为两大类，即荷载型裂缝和非荷 载型裂缝。随着公路交通建设的飞速发展，道路工作者需要了解沥青路面开裂的 成因及机理，掌握有关的分析方法和设计方法，进行科学的研究与合理的设计， 特别注意针对导致丌裂的可能原因，采取恰当的缓解沥青路面开裂的工程措施。 1 2 1 路面结构开裂理论分析 人们对路面结构开裂破坏的认识是逐渐深入的。伴随着力学领域中破坏理论 的研究发展，关于路面结构开裂破坏研究经历了由经验性过渡到结合破坏力学的 理论认识过程。在早期，人们主要基于对不同类型数据的调查采集，经过数据整 理分析，总结提出经验性的公式与方法，计算或预测沥青路面结构相应结构破坏 的使用寿命。后来随着塑性力学与传统的疲劳强度理论的发展与推广应用，关于 沥青路面结构破坏的研究开始进入理性的分析阶段。 塑性力学在道路中的应用，主要是确保结构的承载力，即利用材料的抗剪强 硕十学位论文 度指标，运用塑性破坏理论，分析道路结构层的屈服破坏，并在材料选择和结构 设计上防止这种破坏的出现。如根据早期美国各州公路工作者协会实施的实地性 能测试结果指出了提高结构层内粘聚力的重要性。基于这种理论提出的路面结构 设计方法，在确保结构承载力时，本应考虑材料抗剪强度指标中的粘聚力、内摩 擦角两方面，但在实际操作中造成了偏差，如单纯依靠改善其中的一项指标而在 工程中采取不当的措施，造成不良后果。 随着传统的疲劳破坏理论的发展，人们认识到路面的破坏是由于荷载在路面 材料中引起的重复加载疲劳应力超过了路面混合料的抗拉强度而发生的。这种理 论承认了由于荷载的循环作用而对材料造成的损伤的累积，但相关的分析是针对 连续完整、无缺陷的结构体系进行的，并没有考虑材料、结构内部先天存在的缺 陷或因使用期内逐渐出现的缺陷对路面结构造成的不利影响，这使得运用传统疲 劳力学理论与方法对沥青路面结构进行的计算和分析结果与实际情况存在偏差， 尽管引入了不同的修正系数或安全系数，但结果仍然带有较大程度的不确定性。 真正在路面破坏力学理论引起变革还是断裂力学的引入。断裂力学来源于固体力 学和材料科学的研究，它是在研究材料、结构内部存在的缺陷对于材料结构会产 生不利影响的基础上发展起来的力学分支。按照其观点，可以认为路面的破坏也 正是因为这些先期存在的缺陷导致的应力集中与损伤累积超过材料与结构抵抗破 坏的容许值，从而造成裂缝的发展，并导致路面结构的破坏。它通过引入应力强 度因子、能量释放率及相应的断裂韧性参数等概念，为人们提供了认识沥青路面 开裂的方法与手段。至今为止，依次经历了线弹性断裂力学、疲劳断裂力学与粘 弹性断裂力学等几类断裂力学理论与方法的应用发展阶段。 1 2 2 研究方法 断裂力学在沥青路面结构开裂破坏分析中的应用，主要贡献在于通过其应用， 计算分析沥青路面在交通荷载和温度荷载共同作用下的开裂机理及各类防裂措施 阻止沥青路面开裂的原理，并引入应力强度因子、能量释放率及相关的断裂韧性 参数等概念，提供了人们科学认识沥青路面开裂的方法和手段0 。 研究工作主要集中在两方面：通过各种实验测试，分析阻裂措施防止开裂的 机理，对比不同阻裂措施的效果；建立力学模型和结构模型，通过数值计算分析 沥青路面的开裂机理或阻裂措施的机理。其中重点在软弱央层、应力吸收薄膜、 土工布、格栅等夹层体系阻止沥青路面开裂的效果及数值模拟分析方面。特别对 于夹层体系，其性能与层间接触状态存在很大关系，如何科学合理地考察层间接 触状态对沥青加铺层开裂的影响，是相关实验技术和数值模拟技术的核心。 动载作用下七丁格栅加筋路面的有限元分析 1 2 3 研究成果与结论 面对在全球兴起的高等级公路建设高潮，各国科学家针对沥青路面的开 理和裂缝扩展规律进行了深入研究，取得了一些列的研究成果，主要结论有 ( 1 ) 对于开裂的半刚性基层沥青路面，当沥青面层相对较厚时，路面温 生剧烈变化时，温度应力主要发生在面层上部，容易形成温度裂缝。而当沥 层相对较薄时，情况则会发生变化，这时主要以反射裂缝为主。 ( 2 ) 对于交通荷载的作用，大量常用沥青路面结构的开裂主要是应力集 用造成的。而对于温度荷载，当降温梯度较大或者是降温较快时，在沥青面 产生较大的温度应力，有时候这种应力会是交通荷载应力的几倍，容易导致 面层的开裂。这种情况一般表现为间距规则的横向裂缝。 ( 3 ) 关于裂缝的防治，视情况而定，当沥青面层较厚时，主要从面层材 着手，应选用优质沥青和配置抗裂性能好的沥青面层混合料。而当面层较薄 除要选用优质面层材料外，还要采取一些别的防裂措施。如在面层或面层和 之间加铺土工格栅或者在面层和基层间做一层抗拉性能好的应力吸收膜。 ( 4 ) 橡胶沥青、土工格栅、土工布、粒料过渡层、高强度纤维格栅等夹 料在防止反射裂缝时所发挥的作用各不相同，主要包括：桥联作用、软弱央 用、镶嵌咬合作用、应力重分布作用。此外，土工布还能起到很好的防水作用。 ( 5 ) 特别对于夹层体系，其性能与层间接触状态存在很大关系，因此在选择 土工织物、格栅等不同类型的夹层材料时，应当研究其力学指标能否保证其加筋 或应力吸收薄膜效果的发挥。 1 3 土工合成材料加筋作用的理论研究 砂性土在自重或外荷作用下易产生严重的变形或坍塌。若在土中沿应变方向 埋置有挠性的加筋材料，加筋土可以看作是各向异性的复合材料，通常采用的加筋 其弹性模量远大于土体，加筋和土体共同作用，土体的强度和力学性能得到明显的 提高。目前，加筋土的加筋作用主要有以下几种认识： ( 1 ) 侧向变形的约束作用：垂直荷载使加筋产生拉伸变形，筋材抗拉强度得 到发挥，筋材与土体产生摩擦作用，限制地基土体的侧向变形，增强土体的整体性， 改变地基的位移场和应力场，均化应力分布，相应改变了破裂面的位置和形状， 使破裂面位置加深，从而提高地基承载力，调整不均匀沉降。筋材的抗拉作用越 大，则产生的侧向约束力就越大，能防止浅层地基的剪切破坏和断裂破坏，增强 地基的整体稳定性和整体连续性，侧向约束作用越大，加筋效果越显著。 ( 2 ) 隔离作用：加筋的隔离作用，犹如在地基中放置了压缩刚度大且抗拉强 度高的隔离垫层，似乎形成了力与位移锁闭的持力层。隔离作用间接地提高土体的 硕，j ：学位论文 整体性和连续性，起到扩散应力、均化应力、改变地基的应力场和应变场。加筋砂 垫层对下卧软土地基有重新分布应力的作用，下卧软土层顶面的应力大大减少，使 加筋复合地基的沉降相应减少。 ( 3 ) 波纹效应：应变较小时，土与筋材的相互作用主要是受它们之间的摩擦 特性所控制，随着应变的增大，筋材呈现波浪状，土与筋材发生挠曲变形，在加 筋复合地基内出现波纹效应，筋材柔韧性越好，其波纹效应越明显。在加筋平面 筋材产生张力，就好像一条张紧的薄膜，约束基土变形，改变地基的应力状况， 这时基础外的筋材呈现为反向曲线产生一个向下的压力，约束地基土的隆起而形 成超载效应，而筋材的竖向分力在基础下可起到减载效应。这些作用的重叠和交 叉效应能强有力地限制地基的塑性流动。研究表明，随着压力的增大，加筋的波纹 效应逐渐增强。所发挥的效能就越大。 1 4 土工合成材料加筋路面研究概况 “土工格栅”是聚合物材料经过定向拉伸形成的具有开孔网格、强度较高的平 面网状材料。具有重量轻、变形小、抗拉强度高、延伸率低的优点。同时具有 较好的耐酸、耐碱、耐腐蚀和抗老化等性能。土工合成材料作为一种加筋( 加固) 材料在道路工程中应用越来越广泛，但加筋机制和设计理论方面的研究却落后于 工程实际，从而影响加筋技术的发展。 首先，简要地评述这种机制研究中重要的界面特性在国内的研究及试验情况。 然后，针对上述研究中的问题，提出一种新的综合性加筋机制，将筋材的加固机 制大致分为直接加筋和间接加固作用，前者是指土与筋材接触面之间以及紧邻的 剪切带( 界面) 的加筋作用，后者是指加筋材料对周围土体的刚度、应力和应变分 布以及破坏形式等的影响和加固作用。由此可知，筋材的加筋作用不仅发生在接 触面和界面上，而且还发生在界面以外的土体内，使筋材周围一定范围内的土体 形成“加筋土体”。简而言之，加筋的主要作用在于增强土的整体性，使土由散体 变为有一定连续性的介质。若忽略这点，就会使计算成果不能反映加筋的实际效 果，这正是目前普遍存在的问题。最后，通过介绍界面特性的室内和现场若干试 验研究成果对其加以验证。土工合成材料最重要的功能之一是加筋( 加固) 。加筋 是土工合成材料工程中应用最广，也是研究最多的课题之一，用土工合成材料加 筋( 加固) 的道路工程等遍布全世界，在中国也有飞跃式的发展。 1 4 1 国外研究概况 土工格栅的加筋作用是通过筋材与土的摩擦作用，限制土体的侧向变形，均 匀应力分布，减少不均匀沉降，增强土体的整体性和提高土体的抗剪强度。实际 工程中，当土工格栅与填料的相对位移较小时，筋材约束增大了侧向压力，提高 动载作川下十：l ：格栅加筋路面的有限元分析 了土体的抗剪强度，土工格栅与填料的相互作用可以将视加筋土为复合材料，而 筋材变形较大，加筋作用提高了土的抗压强度和抗剪强度。关于土工格栅防治沥 青路面病害的研究已有很长的历史。2 0 世纪8 0 年代初英国诺丁汉大学布朗教授和 加拿大滑铁卢大学汉斯教授，经过多年的试验和研究，首次将1 0 0 0 0 m 2 土工格栅 用于已裂缝的水泥混凝土路面的沥青罩面加筋，以控制反射裂缝。 美国的几个州和英国在旧水泥混凝土路面加铺沥青罩面层的工程中，采用土 工材料加筋沥青混凝土来增加其抗拉强度，从而防治由于旧水泥板的移动而引起 的开裂。m i c h i g a n 和c a l i f o r n i a 州在沥青混凝土罩面层与旧水泥板之间设置了钢筋 网。m i c h i g a n 少h 的试验路证明，钢筋网能有效地控制反射裂缝的产生。但这种效 果在c a l i f o r n i a j h 以及澳大利亚的试验中并不明显。f l o r i d a 州的试验路表明，在一 半深度处设置加筋的沥青混凝土罩面层在减少裂缝方面只有部分的成功。英国在 a 3 0 号公路上的试验表明，当罩面层很薄时，加筋土工网格只能延缓反射裂缝的 出现的时间，而在道路使用后期基本上没有效果。在美国已有多条试验路证明， 在旧路面板与沥青罩面层之间设置土工织物，对防治反射裂缝是有一定效果的。 v i r g i n i a ) + l 把0 9 m 宽、非编织的聚丙烯土工织物铺设在旧混凝土板可开裂处，而 后加罩3 2 c m 的沥青罩面层。通车8 个月后的观测结果是，铺设土工织物的路段 上反射裂缝有所减少，但在旧混凝土板传荷能力不足的路段处，土工织物的防反 效果并不好。同时研究人员还发现：土工织物的防反效果与接缝的传荷能力有很 大的关系；在竖向位移差 o 0 5 m m 的接缝上罩面时，反射裂缝将出现得很快。 较小的竖向位移差可以延缓反射裂缝的出现，但随着车辆轴重和频率的增加，裂 缝将迅速产生。 在应用土工合成材料的沥青罩面设计方面，国外也形成了一些理论成果，比 较有代表性的有两类：一类是以b a r k s d a l e 为代表，认为使用土工合成材料并不减 少罩面厚度，罩面设计按美国州公路及运输管理人员协会设计方法进行，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( j t j t0 1 9 9 8 ) 也对 此进行了借鉴，即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a i ( a s p h a l ti n s t i t u t e ) 为代表，认为使用土工合成材 料可以减少沥青罩面厚度。a i 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。 一些研究者( b a r k s d a l e 等) 表示土工织物在阻止温度损坏方面效果甚微，但 在理想的状态下也有一些成功的例子，减少水渗入路面结构，并与下层产生隔离， 从而大大改善路面性能l i 卜h j 。b r o w n 等报道了n o t t i n g h a m 大学用t a n s a ra r i 塑料格 栅加筋沥青路面的研究成果。试验结果表明，加筋可以减少车辙达7 0 ，可以延 硕j ：学位论文 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剖”4 7 j 。 b m y 等( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 进行对比性研究表明在某种条件下接触面一维模型和二 维模型有类似的结果，但是一维模型在实际计算中有一些缺点，如：模拟摩擦接 触面的不稳定性【l 引。k a v a z a n j i a n 和m a t a s o v i c 的研究表明：在计算中忽略士工合成 材料的作用将过高地估计加速度。y e g i u 等( 1 9 9 8 ) 采用等效弹簧一阻尼延迟器，质 量块系统来模拟动载作用下土工合成材料与土的接触面特性，并将土工合成材料 与土的接触面、土工合成材料等效为一土层来研究加筋土的动力特性1 1 9 。2 。 1 4 2 国内研究概况 土工合成材料在道路路面工程中的应用主要是为了减少或降低反射裂缝的发 生。在推广应用的进程中，国内广大公路科研者也取得了许多关于土工材料，尤 其是土工织物在路面工程中应用的科研成果。 1 9 8 5 年和1 9 8 9 年林绣贤等人以断裂力学有限元和三维光弹模型试验为研究手 段，对半刚性基层上沥青路面混凝土的反射裂缝进行了深入的研究，认为低模量 高变形率的材料作为夹层，可大幅度降低裂缝尖端应力集中系数，起到防止反射裂 缝的作用，而各种防治措施又以土工织物的效果最好。1 9 9 2 年，郭忠印、江雪兴 等对玻璃纤维布防治沥青路网裂技术，采用弹性地基上的梁为模型，进行了理论 分析，为玻璃纤维布在沥青混凝土路面养护中的应用奠定了基础。周德云使用三 维有限元对土工织物合理铺筑方式的研究表明，在旧道面接缝处铺设有限宽度的 土工织物夹层，既能利用土工织物的低模量，又可以不使路面结构的整体连续性 受到破坏，从而达到降低加铺层温度应力和荷载应力的目的。周志刚、郑健龙利 用基于线弹性断裂力学的有限元方法，对土工筋材防治半刚性基层沥青路面反射 裂缝的加筋作用进行分析计算结果表明，这种加筋作用主要降低裂缝处拉应力集 中，对剪应力集中影响不大，同时提出了加筋材料和应力吸收薄膜的界定范围， 土工筋材与结构层的结合状态对其加筋作用影响很大，应尽量保证土工筋材与结 构层之间完全联结。周富杰等人对土工网、土工格栅、土工布、聚胺脂改性的卷 材( a p p ) 和特种金属网格进行了3 种试验温度( 3 、15 、6 0 ) 下的小梁弯 曲试验评价混合料的抗裂性能，结果显示，除土工布外，其他措施对防治荷载型 反射裂缝基本上都是有效的，其中特种金属网格的防治效果最为显著。在研究复 合式路面结构设计理论时，许志鸿、李淑明、蔡喜棉等运用有限元程序和三维模 型，分析了水泥混凝土路面与沥青面层复合后反射裂缝形成的机理及土工织物的 应用效果。黄岩等人通过室内试验证明织物加筋沥青面层可有效提高沥青混凝土 的疲劳性能，疲劳寿命的提高主要体现在裂缝扩展阶段。张兴强等用非线性弹簧 阻尼延迟器一质量块系统模拟土工格栅纵肋、横肋与土动力相互作用采用集中 刚度法形成总刚，可用来研究加筋土在动载作用下的变形特性1 2 2 瑚j 。 动载作用下士- t 格栅加筋路面的有限元分析 目前对于土工织物土工膜的应用主要集中在防水性能方面，在路面体系中起 到隔离的作用，如在雨水较多的地区防止路表水渗入路面内部，盐渍土地区防止 盐分随毛细水上升到路表。土工格栅主要用于加筋沥青面层，但是由于土工格栅 与面层之间是点线接触，因此加筋效果有刚3 训。 聚酯玻纤布是一种新型的土工合成材料，是玻璃纤维和聚酯纤维的复合体， 具有玻璃纤维的强度及聚酯纤维的柔韧性，在路面体系中可以同时起到隔水和防 裂的双重效果，目前正在国内外道路工程尤其是加铺工程得到广泛的推广应用。 尽管已经有一部分实体工程的应用，但目前国内外对聚酯玻纤布的研究还刚刚处 于起步阶段。 东南大学尹应梅、倪富健等利用m t s 和u t m 试验系统对聚酯玻纤布复合沥青 混合料试件进行应力控制和应变控制的疲劳试验，并引入了能量指标对混合料的 疲劳性能进行了对比分析，认为聚酯玻纤布可以有效提高沥青混合料的疲劳性能。 进行了室内荷载型反射裂缝模拟试验，认为聚酯玻纤布可以延缓裂缝的出现，显 著降低裂缝的扩散速度，提高混合料抵抗反射裂缝的能力，同时试验中发现，聚 酯玻纤布复合沥青混凝土小梁的自下而上发展的裂缝数量多而小，且时间出现裂 缝后，聚酯玻纤布并没有破坏，依然有防水和隔离的效果。重庆交通大学李林健 通过建立二维、三维有限元模型，从反射裂缝产生机理、加筋材料一般作用机理 入手，结合聚酯玻纤布材料特性，充分考虑沥青材料粘弹性的特殊性质以及环境 因素，阐明了聚酯玻纤布的作用机理。 综上所述，土工合成材料用作土体加筋时，其基本作用是给土体提供抗拉强 度，改善土体结构的整体受力条件，增强地基的承载能力，提高建筑结构的稳定 性。根据实测的结果和理论分析，认为土工合成材料的加筋作用机理主要是：增 强垫层的整体性和刚度，调整不均匀沉降；扩散应力，由于垫层刚度增大的影响， 扩大了荷载扩散的范围，是应力均匀分布；约束作用，亦即约束下卧软土地基的 侧向变形【3 8 - 矧。 1 5 本文主要研究内容及方法 ( 1 ) 通过对在旧水泥混凝土路面加铺沥青罩面层的工程中，采用土工材料加 筋沥青混凝土来增加其抗拉强度的实例进行长期观测，确定土工材料防治反射裂 缝的有效性。 ( 2 ) 根据已建立的动载作用下加筋土的计算模式，建立在动力荷载作用下土 工格栅与土相互作用的有限元分析模型，分析不同荷载作用对加筋路面应力应变 的影响，探讨材料性能对路面性能和破坏的影响机理。 ( 3 ) 通过对新建沥青混凝土路面基层有无贯穿裂缝时未加筋土工格栅和加筋 8 硕l ：学位论文 土工格栅，水泥混凝土路面和沥青混凝土路面加铺层l 日j 是否布设加筋土工格栅等 工况分别进行了有限元数值计算分析，了解土工格栅对防止和减缓裂缝发生的工 作机理。 动载作 f j 下十。j ：格栅加筋路面的有限元分析 第2 章有限元法简介 2 1 基本介绍 自然界中的许多实际现象从简单的自由落体运动到复杂的航天技术，从油气 资源勘测到天气形势预报等都是借助于代数方程、微分方程或积分方程来描述和 分析它们的自然规律。尽管对于许多问题已经得到了它们所遵循的基本方程，但 只有那些方程性质比较简单且几何边界相当规则的少数问题才能求出解析解而对 于大多数的工程技术问题，由于物体的几何状况复杂或问题的某些特性是非线性 的，则很难得到解析解。解决这种问题通常有两种途径，一是简化假设，把基本 方程和边界条件简化为能够得到解析解的问题，这种方法只在少数情况下是可行 的，因而有很大的局限性。二是人们多年来寻求和发展的另一种方法数值解法， 它可以给出近似的然而却可以满足工程精度要求的解答。 有限单元法也是一种数值计算方法，它是随着几十年来电子计算机的飞速发 展和广泛应用而发展起来的。自从有限单元法出现以来，人们很快认识到了它的 潜力，特别是在工程技术领域。如今，它更是广泛地应有于各种不同领域，成功 地解决了各种工程问题，成为科技工作者的有力工具。 道路结构通常是由多种材料分层铺筑而成的层状结构体系。并且它往往是一 个大面积的层状结构支承在无限深的地基上，由于荷载以及其他各种条件的限制， 对如此复杂的结构体作严格而又完善的力学分析是十分困难的，有时也是不必要 的。道路结构计算研究中常用模型分析法。这种方法包括解析法、数值法和半解 析法。解析法给出的结果是函数形式，只适用于边界简单的问题的求解。数值法 中最常用的是有限元法，她适用于不同边界条件的复杂问题，但结果会有一定的 误差范围。通常情况下两种方法并用，以节省时间，提高精度。 本文采用有限元法计+ 算加筋路面在动力荷载下的应力应变，所用的软件为国 际流行的a n s y