樊云龍,朱宇杰

（江蘇高速公路工程養(yǎng)護技術有限公司,江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來，傳感器測試技術在瀝青路面工程中廣泛應用，以實時監(jiān)測瀝青路面結構內(nèi)部不同位置的力學響應狀態(tài)[1]。由于埋入式應變傳感器與路面結構模量差過大，容易產(chǎn)生交互影響及變形不協(xié)調(diào)，影響傳感器的測量準確性和耐久性。因此，研究傳感器與瀝青路面結構的協(xié)同工作機理，從而提高傳感器在瀝青路面中的服役性能顯得尤為重要。

眾多學者對埋入式應變傳感器在瀝青路面中應用的問題已做了大量研究，鐘陽等人將自制的應變傳感器埋入瀝青混凝土路面內(nèi)部，用以監(jiān)測路面結構的內(nèi)部應變，對路面結構內(nèi)部的應變響應隨車速的變化規(guī)律進行了研究分析[2]。董澤蛟等人以尼龍節(jié)點將兩個水平向應變傳感器和一個豎向應變傳感器進行固結，使之成為能測量三維應變的傳感器組，實現(xiàn)了埋入式傳感器對路面內(nèi)部三維應變信息的獲取[3]。廖公云依托室內(nèi)試驗，在瀝青路面結構水穩(wěn)碎石基層中埋設了VS-10振弦式應變傳感器與VSP520-4土壓力盒，對瀝青混凝土面層和水泥穩(wěn)定碎石基層的應力應變狀態(tài)進行監(jiān)測，并基于雙層彈性體系理論對路面結構層的回彈模量進行了反算驗證[4]。楊永順以傳感器實測數(shù)據(jù)為基礎，利用SPSS軟件建立了瀝青層底應變響應的預估模型，揭示了不同路面結構的瀝青層底應變響應隨荷載和溫度等因素的變化規(guī)律[5]。董忠紅使用了自主研發(fā)的能同時測量路面內(nèi)部橫向、縱向和垂向應變的傳感器，研究分析了軸重與坡道位置對路面結構內(nèi)部力學響應的影響[6]。艾長發(fā)在三種典型的瀝青路面結構內(nèi)部分別沿著行車方向和垂直于行車方向埋設了ASG電阻式應變傳感器，基于所采集的數(shù)據(jù)得到了FWD沖擊荷載和標準軸載之間的換算關系[7]。

現(xiàn)有研究多以所使用的埋入式傳感器為研究對象，然而目前應用于瀝青路面工程中的埋入式應變傳感器的尺寸各不相同，傳感器封裝材料種類繁多，現(xiàn)有成果多有局限性。針對現(xiàn)有的瀝青路面埋入式應變傳感器模量過高，與瀝青混合料的模量差較大的問題，利用ABAQUS有限元軟件，建立在標準交通荷載條件下埋入應變傳感器的路面結構的數(shù)值模型，分析埋入式應變傳感器和路面結構的力學響應特征，對埋入式應變傳感器與路面結構的交互影響進行研究，研究成果可為半剛性基層路面的傳感器埋設提供一定的理論依據(jù)。

1 有限元模型建立

該文采用常規(guī)典型路面結構進行有限元數(shù)值模擬分析，研究埋設傳感器對路面結構力學響應的影響。路面結構及材料參數(shù)見表1。路面結構采用分層結構，埋入式應變傳感器模型參考H1204埋入式應變傳感器，尺寸如圖1所示。

圖1 H1204埋入式應變傳感器的結構尺寸示意圖

表1 路面結構及材料參數(shù)

傳感器與瀝青混合料的法向接觸設定為硬接觸，切向接觸選擇Penalty摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.7，初始施加荷載采用標準荷載0.7 MPa。模型底部各方向位移約束為零，左右兩個側面處水平位移約束為零。建立的三維路面結構模型見圖2。

圖2 有限元模型

在網(wǎng)格功能模塊中對模型進行網(wǎng)格劃分，首先對模型進行剖分，剖分出荷載作用的局部區(qū)域，之后在荷載作用處、路面結構的面層層位以及傳感器范圍內(nèi)的試件部分進行網(wǎng)格加密，劃分成最小網(wǎng)格尺寸5 mm的結構網(wǎng)格，網(wǎng)格單元類型為C3D8R，網(wǎng)格劃分結果見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

2 傳感器對路面結構力學響應的影響分析

為分析傳感器埋設對于路面結構力學響應的影響，使用將傳感器埋設在有限元模型的基層中心頂部的模型及沒有埋設傳感器的有限元模型，在標準荷載作用下，分別進行有限元數(shù)值模擬得到埋設傳感器的路面結構力學響應。傳感器埋設路面結構截面水平應力分布及水平應變分布云圖如圖4所示?？梢钥闯?，中性軸位于中心線，瀝青混合料與傳感器接觸面附近存在應力突變現(xiàn)象，傳感器中部附近應變發(fā)生小范圍突變。

圖4 有無傳感器路面結構水平應力、應變剖面云圖

水平橫向應力深度分布曲線如圖5所示，可以看出，僅傳感器處出現(xiàn)應力集中，無傳感器時相同位置水平應力分布平滑。除傳感器外的其他區(qū)域水平應力并沒有發(fā)生明顯的變化，傳感器的影響范圍較小。

圖5 有無傳感器水平橫向應力深度分布曲線

水平橫向應變深度分布曲線如圖6所示，可以看出，傳感器處出現(xiàn)較小的波動，其他位置無明顯變化。相對于對水平應力分布的影響，傳感器的埋入對水平應變的影響相對更小。

圖6 有無傳感器水平橫向應變深度分布曲線

3 不同層位組合埋設影響分析

在路面結構單一層位埋設傳感器對傳感器附近路面結構力學響應有明顯影響，但影響范圍并不很大。然而在實際情況中，會出現(xiàn)需要在路面不同層位同時埋設傳感器的需求，此時多個傳感器組合埋設對于路面結構力學響應的影響是值得去關注的。該研究將傳感器豎向排列組合埋設在下面層、上基層、下基層、底基層的頂部，在標準荷載作用下，進行有限元數(shù)值模擬，得到路面結構力學響應。

傳感器埋設截面水平應力、應變分布云圖如圖7所示?？梢钥闯觯行暂S位于中心線，瀝青混合料與傳感器接觸面存在應力、應變突變現(xiàn)象，整體分布沒有太大差異，傳感器埋設影響范圍較小。

圖7 組合埋設水平應力、應變云圖

水平橫向應力深度分布曲線如圖8所示，可以看出，僅在各傳感器附件處出現(xiàn)應力突變，無傳感器時相同位置水平應力發(fā)展平滑。除埋設傳感器區(qū)域外的其他區(qū)域水平應力與不埋設傳感器的情況相比沒有發(fā)生明顯的變化，說明上下組合排列埋設的傳感器對路面結構影響范圍較小。

圖8 組合埋設水平應力曲線

水平橫向應變深度分布曲線如圖9所示，可以看出，傳感器附近出現(xiàn)較小的波動，無傳感器時相同位置應變發(fā)展平滑，其他位置相比較無明顯變化。相對于對水平應力分布的影響，傳感器的埋設對水平應變的影響相對較小。

圖9 組合埋設水平應變曲線

4 結語

（1）傳感器埋設在路面結構中對路面力學響應具有顯著影響，在傳感器與路面結構接觸面附近出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，水平應力、應變都會出現(xiàn)小范圍的突變，但水平應變的波動明顯小于水平應力。

（2）通過組合式埋設傳感器有限元模擬，發(fā)現(xiàn)在路面不同層位同時埋設傳感器時，在各傳感器與路面結構的接觸面附近出現(xiàn)應力集中，其他區(qū)域受傳感器影響很小，且傳感器之間沒有明顯的相互影響。

（3）該文研究成果可為高速公路路面的傳感器埋設提供一定的理論依據(jù)。