吉增暉 ,余暉 ,鄭炳鋒 ,潘大為 ,吳威偉 ,張倩倩

(1.揚(yáng)州市公路事業(yè)發(fā)展中心,揚(yáng)州 225007;2.揚(yáng)州西外環(huán)路建設(shè)指揮部,揚(yáng)州 225007;3.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,南京 210019;4.新型道路材料國(guó)家工程研究中心,南京 210019)

中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部印發(fā)的《交通運(yùn)輸行業(yè)野外科學(xué)觀測(cè)研究基地建設(shè)發(fā)展方案(2019—2025 年)》中指出:應(yīng)當(dāng)“積累基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)期服役性能數(shù)據(jù),掌握基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)、材料的長(zhǎng)期性能演變規(guī)律和運(yùn)行狀態(tài)”“充分運(yùn)用野外觀測(cè)數(shù)據(jù),把握行業(yè)基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究的主攻方向,加強(qiáng)對(duì)交通運(yùn)輸發(fā)展趨勢(shì)規(guī)律的研究”。《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)將瀝青層層底彎拉應(yīng)變、瀝青層豎向壓應(yīng)力、土基頂部豎向壓應(yīng)變等作為性能預(yù)估模型的輸入?yún)?shù)。目前輸入的力學(xué)指標(biāo)主要基于彈性層狀體系,依托有限元模型獲得,而瀝青路面非線性特征顯著,材料指標(biāo)環(huán)境依賴性明顯,計(jì)算值與實(shí)際值的相關(guān)性有待進(jìn)一步論證。因此,有必要尋求瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法,掌握瀝青路面結(jié)構(gòu)真實(shí)行為,實(shí)現(xiàn)瀝青路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模擬及仿真[1-3]。

王旭東等[4]依托我國(guó)足尺路面試驗(yàn)環(huán)道,開(kāi)展了瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)響應(yīng)的持續(xù)跟蹤觀測(cè),分析了不同影響因素下力學(xué)響應(yīng)行為的變化規(guī)律。董澤蛟等[5]認(rèn)為瀝青路面動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試是掌握結(jié)構(gòu)內(nèi)部真實(shí)受力狀態(tài)的有效手段,故設(shè)計(jì)了瀝青路面三向應(yīng)變的測(cè)試方法,對(duì)不同荷載條件下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。楊永順等[6]研究發(fā)現(xiàn)隨著軸載的增加和路面溫度的升高,瀝青層層底最大拉應(yīng)變?cè)龃?傳統(tǒng)半剛性基層結(jié)構(gòu)在重載和較高路面溫度下具有較大的瀝青層層底應(yīng)變響應(yīng)。韓文揚(yáng)等[7]研究車(chē)輛荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),對(duì)瀝青路面進(jìn)行了不同軸重、車(chē)速及不同瀝青層厚度條件下的路面動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測(cè)。劉寧[8]在瀝青層中埋設(shè)應(yīng)變傳感器測(cè)量元件,對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部在不同實(shí)際車(chē)輛荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),分析了多車(chē)道高速公路貨車(chē)車(chē)道路面的性能和組合設(shè)計(jì)。張懷志等[9]采用光纖光柵傳感器實(shí)測(cè)足尺加速加載路面的面層底部、基層底部和路基頂面的力學(xué)響應(yīng)。

2019 年以來(lái),揚(yáng)州市國(guó)省干線公路瀝青路面野外觀測(cè)基地開(kāi)始建設(shè),依托345 國(guó)道儀征新集至劉集段、331 省道寶應(yīng)段、333 省道高郵段,針對(duì)一般路段與特殊路段開(kāi)展環(huán)境信息、交通荷載、力學(xué)響應(yīng)、材料性能、路面性能等多維度的監(jiān)測(cè)工作。本文依托345 國(guó)道儀征新集至劉集段建設(shè)工程,通過(guò)在路面結(jié)構(gòu)的不同層位埋設(shè)應(yīng)力應(yīng)變傳感器,提供力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)方法,分析了軸重、車(chē)速等對(duì)瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)的影響,以期為路面結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)提供可靠的方法。

1 試驗(yàn)方案

1.1 傳感器布設(shè)方案

依托345 國(guó)道儀征新集至劉集段建設(shè)工程,分別在兩個(gè)斷面(新集往劉集方向,K4 +020、K4 +040)行車(chē)道的右輪跡帶埋設(shè)瀝青應(yīng)變計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)、土壓力計(jì)、溫度傳感器以及濕度傳感器。瀝青各結(jié)構(gòu)層內(nèi)預(yù)埋傳感器型號(hào)如表1 所示。

表1 瀝青各結(jié)構(gòu)層內(nèi)預(yù)埋傳感器型號(hào)

1.2 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)方案

選擇2 軸6 輪標(biāo)準(zhǔn)車(chē)對(duì)預(yù)埋傳感器的瀝青路面進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試不同工況(軸重、溫度、車(chē)速)下路面各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)響應(yīng),研究軸載、溫度以及車(chē)速對(duì)路面動(dòng)力響應(yīng)的影響。試驗(yàn)變量如表2 所示。

表2 試驗(yàn)變量

1.3 動(dòng)力響應(yīng)分析方法

為定量分析不同試驗(yàn)條件下瀝青路面動(dòng)力響應(yīng),定義εc為后輪所產(chǎn)生的應(yīng)變/應(yīng)力時(shí)程曲線中壓應(yīng)變/壓應(yīng)力最大值;εt為后輪所產(chǎn)生的應(yīng)變/應(yīng)力時(shí)程曲線中拉應(yīng)變/拉應(yīng)力最大值;Δt為前輪和后輪通過(guò)同一個(gè)傳感器正上方時(shí)所產(chǎn)生的時(shí)間差,瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線參數(shù)如圖1 所示。

根據(jù)瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線參數(shù),可以計(jì)算得到車(chē)輛的行駛速度v,計(jì)算公式為

式中,L為車(chē)輛前軸和后軸的軸間距。

2 瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)分析

2.1 軸重對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響

為研究不同軸重條件下的無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)變峰值εt,在路表溫度為30 ℃時(shí)測(cè)試不同軸重?zé)o機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)變,測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。

當(dāng)軸重為50 kN、100 kN 和150 kN 時(shí),底基層層底的拉應(yīng)變峰值εt分別是4.08 ±0.43 με、10.28±0.53 με 和19.96±0.97 με;下基層層底的拉應(yīng)變峰值εt分別是2.14 ± 0.25 με、3.80 ± 0.22 με 和5.10±0.52 με。當(dāng)軸重為150 kN(比標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN 高50%)時(shí),底基層層底拉應(yīng)變峰值εt比標(biāo)準(zhǔn)軸載增長(zhǎng)了94.2%。這表明底基層層底縱向拉應(yīng)變隨軸載增加且呈現(xiàn)非線性增加趨勢(shì),可見(jiàn)拉應(yīng)變的增長(zhǎng)會(huì)顯著縮短無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的疲勞壽命。

2.2 速度對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響

為研究車(chē)輛行駛速度對(duì)瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)的影響,在路表溫度30 ℃、軸載150 kN 的條件下,對(duì)埋設(shè)傳感器的瀝青路面采用不同的車(chē)輛行駛速度(18 km/h、36 km/h 和58 km/h)進(jìn)行測(cè)試。不同車(chē)速條件下下面層層底三向應(yīng)變時(shí)程曲線如圖3 所示。

由圖3 可以看出,隨著車(chē)輛行駛速度提高,前軸和后軸行駛過(guò)同一傳感器的時(shí)間間隔遞減。此外,后軸所產(chǎn)生的下面層層底三向應(yīng)變時(shí)程曲線中的壓、拉應(yīng)變峰值εc、εt隨行駛速度的降低而顯著增大。

軸重為50 kN、100 kN 和150 kN 時(shí),采用冪函數(shù)對(duì)不同車(chē)速條件下瀝青層層底縱向拉應(yīng)變大小進(jìn)行擬合,下面層層底縱向拉應(yīng)變與車(chē)速的相關(guān)性如表3 所示。

表3 下面層層底縱向拉應(yīng)變與車(chē)速的相關(guān)性

軸重為50 kN、100 kN 和150 kN 時(shí),采用冪函數(shù)對(duì)不同車(chē)速條件下瀝青層層底豎向壓應(yīng)變大小進(jìn)行擬合,下面層層底豎向壓應(yīng)變與車(chē)速的相關(guān)性如表4 所示。

表4 下面層層底豎向壓應(yīng)變與車(chē)速的相關(guān)性

運(yùn)用表3 和表4 中得到的擬合公式,對(duì)不同車(chē)速條件下瀝青層層底的縱向拉應(yīng)變和豎向壓應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算,不同車(chē)速條件下下面層層底縱向拉應(yīng)變和豎向壓應(yīng)變預(yù)測(cè)結(jié)果如表5 所示。

表5 不同車(chē)速條件下下面層層底縱向拉應(yīng)變和豎向壓應(yīng)變預(yù)測(cè)結(jié)果

從表5 可以看出,當(dāng)速度為1 km/h 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN 使瀝青層層底產(chǎn)生了99.2 με 的縱向拉應(yīng)變,而當(dāng)行駛速度為80 km/h 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)軸重100 kN 使瀝青層層底產(chǎn)生了15.4 με 的縱向拉應(yīng)變,僅為車(chē)速1 km/h 時(shí)縱向拉應(yīng)變的15.5%。此外,當(dāng)車(chē)速為1 km/h 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)軸重100 kN 使瀝青層層底產(chǎn)生了-1 295.4 με的豎向壓應(yīng)變,而當(dāng)行駛速度為80km/h時(shí),標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN 使瀝青層層底產(chǎn)生了-145.5 με 的豎向壓應(yīng)變。由此可見(jiàn),車(chē)輛低速行駛無(wú)論是對(duì)瀝青層層底縱向拉應(yīng)變還是對(duì)豎向壓應(yīng)變均會(huì)產(chǎn)生不利影響,進(jìn)而導(dǎo)致瀝青面層產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂和車(chē)轍等病害,這就解釋了為什么交叉路口等減速、停車(chē)頻繁路段更易出現(xiàn)路面損壞。這是因?yàn)檐?chē)輛低速行駛會(huì)使車(chē)輪作用于路面瀝青混合料的頻率降低,而根據(jù)瀝青混合料時(shí)間-溫度等效原理,瀝青混合料在低頻荷載作用下的動(dòng)態(tài)模量等效于高溫下的動(dòng)態(tài)模量。因此,瀝青面層的動(dòng)態(tài)模量隨車(chē)速降低而降低,導(dǎo)致瀝青面層內(nèi)應(yīng)變?cè)龃?。在此方?趙冬漢等[10]提出從交叉口車(chē)轍變形層位、抗車(chē)轍提升理念和對(duì)策角度出發(fā),對(duì)交叉口路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

當(dāng)軸重為50 kN、100 kN 和150 kN 時(shí),不同車(chē)速條件下無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底的縱向拉應(yīng)變峰值如圖4 所示。由圖4 可以看出,無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底縱向拉應(yīng)變均隨車(chē)速提高而略有所降低。不同于瀝青面層層底應(yīng)變與速度之間呈現(xiàn)的冪函數(shù)關(guān)系,無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底縱向拉應(yīng)變與行駛速度呈現(xiàn)線性變化關(guān)系。

分析原因,一方面是隨著路面的擴(kuò)散作用,不同車(chē)速對(duì)路面基層混合料作用頻率的影響有所減小;另一方面,水泥穩(wěn)定碎石自身的模量受加載頻率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于瀝青混合料。此外,瀝青面層的動(dòng)態(tài)模量隨車(chē)速降低而降低,這間接導(dǎo)致面層承載力下降,從而導(dǎo)致擴(kuò)散到基層頂面的壓應(yīng)力增大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)在路面結(jié)構(gòu)的不同層位埋設(shè)應(yīng)力應(yīng)變傳感器,實(shí)現(xiàn)力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)方法,分析了軸重、車(chē)速等對(duì)瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)的影響?；谏鲜霈F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),得到以下結(jié)論:

(1) 當(dāng)軸重為50 kN、100 kN 和150 kN 時(shí),底基層層底的拉應(yīng)變峰值分別是4.08 ± 0.43 με、10.28 ±0.53 με 和19.96 ±0.97 με;下基層層底的拉應(yīng)變峰值分別是2.14 ±0.25 με、3.80 ±0.22 με和5.10 ±0.52 με。由此可知,隨著軸重的增加,下基層層底和底基層層底縱向拉應(yīng)變均顯著增加。

(2) 建立了車(chē)速分別為18 km/h、36 km/h 和58 km/h 時(shí)下面層層底三向應(yīng)變時(shí)程曲線。分別建立了瀝青層層底豎向壓應(yīng)變、縱向拉應(yīng)變與速度的冪函數(shù)。

(3) 利用擬合公式可知,當(dāng)車(chē)速為1 km/h 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)軸重100 kN 使瀝青層層底產(chǎn)生了99.2 με 的縱向拉應(yīng)變,而當(dāng)車(chē)速為80 km/h 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)軸重100 kN 使瀝青層層底產(chǎn)生了15.4 με 的縱向拉應(yīng)變,僅為1 km/h 時(shí)縱向拉應(yīng)變的15.5%。當(dāng)速度為1 km/h 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)軸重100 kN 使瀝青層層底產(chǎn)生了-1 295.4 με 的豎向壓應(yīng)變,而當(dāng)行駛速度為80 km/h 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)軸重100 kN 使瀝青層層底產(chǎn)生-145.5 με 的豎向壓應(yīng)變。

(4) 實(shí)測(cè)車(chē)輛軸重為50 kN、100 kN 和150 kN 情況下以不同速度駛過(guò)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底縱向傳感器時(shí)所產(chǎn)生的拉應(yīng)變峰值。結(jié)果表明:無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底縱向拉應(yīng)變與行駛速度呈現(xiàn)線性變化關(guān)系。