柔性基層瀝青路面動力響應試槽試驗

李起偉，黎 曉，梁乃興

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074)

瀝青層底拉應變是我國瀝青路面結構設計指標之一［1］，獲取路面結構內部實際的應變行為，對瀝青路面結構設計具有指導意義。近年來，國內外廣泛開展應用應變傳感器檢測移動荷載下路面結構內部動力響應的研究，得出瀝青路面結構在不同車輛速度、軸載和溫度下的力學性能［2-9］。筆者通過埋設電阻應變片傳感器對典型瀝青路面結構內部動力響應進行長期觀測，分析移動荷載作用下瀝青路面結構的應力應變響應，目的是驗證路面彈性層狀體系應力應變計算模型的數值解，進一步對瀝青路面疲勞壽命進行預估。

1 試驗路方案

1.1 路面結構設計

該試槽試驗路總長16 m，寬3 m，采用柔性基層瀝青路面結構。路面結構組合和厚度如圖1。

圖1 柔性基層瀝青路面結構Fig.1 Structure of asphalt pavement with flexible base

1.2 電阻應變片布設

1.2.1 電阻應變片的埋設方案

在上面層底部、中面層底部和下面層底部分別設置2個測點，共計6個測點。所有的測點均布設

在同一側的行車帶上，測點位置平面如圖2。

圖2 電阻應變片平面布置(單位:cm)Fig.2 Plane Arrangement chart of resistance strain gauge

現場每個測點的電阻應變片貼片方式見圖3，由4片橫向片(橫向片垂直行車方向)和2片縱向片(縱向片沿行車方向)組成。考慮后期采集數據時選用惠斯登橋路的需要，橫向片和縱向片成直角排列，間距10 cm。

圖3 電阻應變片貼片方式Fig.3 Coating place of the resistance gauge

1.2.2 電阻應變片的選擇

應變片測量原理是以其柵長范圍內的平均應變來表示這一長度內某點的應變，其誤差由柵長大小和其中應變梯度決定［10］。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選擇是否合理。根據應變片的工作特性，針對道路使用條件，按照以下原則選擇應變片的尺寸。

1)被測量材料的分布狀態。由于瀝青混合料是非均質材料，集料和瀝青材料彈性模量差別大，內部應變分布不均勻，此時，要根據混合料內部骨料的大小選擇應變片，柵長應為粗集料最大粒徑的4～5倍［10］，在誤差允許的條件下選用長標距的電阻式應變片作為路用應變片。

2)測量范圍。因為柵長大小影響應變片測量誤差，所以應針對不同的應變測量范圍選擇不同標距的應變片。在應力集中區域，測量點應力時，應選擇柵長小的應變片;當測量平均應變，觀測一定區域范圍內應變變化情況時，應選擇柵長較大、適合測量范圍的應變片。

3)黏貼難易。標距較長的應變片，黏貼時方向易于準確，且應變片的橫向效應也較小，因此，在誤差允許的條件下應選擇柵長較大的應變片。

綜合以上原則，結合路面結構特點和研究內容，在測量瀝青路面動力響應時，路用電阻應變片柵長應在80 mm以上，依據本次試驗路結構所用的瀝青混合料，試驗選用型號為B×120-100AA型電阻式應變片，敏感柵尺寸為100×3 mm。

1.2.3 電阻應變片的黏貼

由于道路材料組成復雜、碾壓施工等工藝特點，電阻應變片極易破壞，并且在測試時嚴重影響采集數據的穩定性和可靠度。因此，黏貼時必須嚴格安裝黏貼的工藝流程進行操作。

1)準備。用砂紙對黏貼表面進行打磨，并打出與貼片方向呈45°的交叉條紋，然后用浸有丙酮的脫脂棉球清洗打磨部位，待溶劑揮發表面完全干燥后畫出應變片的定位線，務必使其與應變測試方向吻合。

2)涂底膠。在已經準備好的結構層表面涂一層3 μm 厚的914膠［10］，并按照914 膠的固化要求，自然風干2 h左右。

3)貼片。在底膠尚未完全固化、略有發黏時，用刮刀在應變片基底上涂刷一層黏結劑，將應變片的中心線對準結構層表面的定位線準確的貼上，用刮刀沿應變片軸線方向輕輕刮壓，撫平應變片，去除氣泡并擠出多余膠液。

4)檢查。應變片黏貼完畢后，對其認真檢查，當發現基底有損壞，敏感柵有變形、斷路、短路，應變片阻值變化超出測量儀器調平范圍，貼片位置不正確，有氣泡，局部沒貼上，絕緣強度不夠等問題時，及時鏟除重貼。

5)應變片防護。待黏結劑充分固化后，在應變片和引線上涂一層914膠，并敷上瀝青，進行封裝，避免應變片因潮濕引起絕緣電阻下降，從而有效減小長期觀測時應變片的蠕變和零點漂移。

6)導線保護。將導線穿過PPR管，并用特細砂灌滿PPR管，再在結構層表面刻制一條寬1 cm深1 cm的槽，緊緊卡住PPR管，然后用溶化的瀝青封住PPR管，避免導線在施工中因為混合料的擠壓，發生剪切破壞。

1.3 試驗路壓實方式

試驗路鋪筑時，所有結構層均用20 t的光輪振動壓路機進行壓實，壓實方式如下:

1)下面層:先靜壓1遍，然后弱振(高頻低幅，激振力約300 kN)10遍，再靜壓1遍。

2)中面層:先靜壓1遍，然后強振(低頻高幅，激振力約410 kN)7遍，再靜壓1遍。

3)上面層:直接靜壓14遍。

2 試驗測試條件

2.1 移動荷載

選用雙輪組單軸載的東風卡車作為試驗車，車輛重8 t。由于試驗室條件和室外環境限制，試驗車速控制在15 km/h左右。車輛在測點上方來回行駛，使測點正好位于行車輪跡帶下面。

2.2 數據采集系統

本次試驗中，動態應變檢測系統采用生基科技有限公司生產的“SJ-RFQC分布式無線動靜態數據采集測試系統”，系統由4通道動靜態應變采集器、SJ-WNN子站路由器和一套電腦終端等組成。4通道動靜態應變采集器的分辨率為1 με，應變采集范圍達 ±20 000 με，精度為 0.1%，零點漂移為±1 με/h。

2.3 數據采集頻率

在改善電阻應變片測量數據的穩定性時，除了利用黏貼方式以外，就是通過選擇合適的測量電路，利用差動技術，改善電阻應變片的穩定性，而將應變片做在惠斯登電橋中無疑是最佳的選擇。惠斯登電橋如圖4。通過差動技術，在動力響應測試中提高電橋的靈敏度，消除蠕變和非線性誤差，實現溫度補償，抵消了共模誤差。數據采集頻率最大值由式(1)計算:

式中:fmax為所測動態應變的最高頻率，Hz;v為應變波在材料中的傳播速度，m/s;l為應變片柵長，m;［e］為測量允許相對誤差，取0.5%。

結合微機處理能力和實驗室汽車行駛速度，設定數據采集頻率為800 Hz。

圖4 惠斯登電橋Fig.4 Wheatstone Bridge

3 試驗結果與分析

3.1 壓實方式對電阻應變片存活率的影響

在不同的壓實方式下，各個結構層電阻應變片的存活率如表1。

表1 電阻應變片存活率Table 1 Survival rate of resistance gauges

從表1可以看出，在靜壓情況下，采取有效的保護措施，即使在道路極其復雜的環境條件下，電阻應變片仍然有較理想的存活率，可以直接用于瀝青路面結構動力響應的測試;而在強振作用下電阻應變片卻極難存活。因此為保證存活率和壓實度，施工時盡量使用大噸位壓路機，采用靜壓或者弱振的方式作業。

3.2 應變測試結果與分析

在氣溫為30℃時，實測上面層層底的橫向應變響應如圖5，橫向應變最大為37.6 με。

從圖5可以看出，在移動荷載作用下瀝青面層首先出現壓應變，其次是拉應變，最后是壓應變。拉壓狀態交替出現，如果受車輛荷載長期作用，路面不可避免地產生疲勞破壞。這種結果也與國內外同類試驗得出的結論相吻合。

圖5 橫向應變時程Fig.5 The time course graph of lateral strain

3.3 實測應變最大值與數值計算對比

根據層狀彈性體系，利用BISAR 3.0程序，荷載為動態應變測試時試驗車重量，即8 t，根據現行規范［1］，輪胎接地面積取當量圓面積，直徑 21.30 cm，采用表2的參數，計算圖1所示結構，上面層層底的靜態應變為44.13 με，大于實測上面層層底的橫向應變最大值 37.6 με。

表2 結構參數Table 2 Survival rate of resistance gauges

在路面結構主要受動荷載作用情況下，層狀彈性體系模型計算應變偏大，現行路面靜態載荷設計模式不能真實反映移動荷載下路面結構的力學狀態，因此，為真實反映路面結構應力應變狀態，現行的路面結構設計方法需要從靜態設計向動態設計轉化。

4 結論

1)歸納了路用電阻應變片的選擇標準。在道路工程試驗中，電阻應變片敏感柵的尺寸按照以下3個原則選取:被測量材料的分布狀態、測量范圍和黏貼難易。在測量瀝青路面動力響應時，路用電阻應變片柵長應在80 mm以上。

2)壓路機壓實方式對電阻應變片存活率有較大影響。在靜壓情況下，采取文中所示有效的保護措施，電阻應變片有較理想的存活率，可以直接用于瀝青路面結構動力響應的測試，而在強振作用下電阻應變片卻極難存活。

3)介紹通過惠斯登電橋，利用差動技術改善電阻應變片的穩定性、提高靈敏度的數據采集方法。同時，采集頻率定為800 Hz。

4)在移動荷載作用下瀝青面層交替出現拉壓應變，這種重復作用不可避免地使路面出現疲勞破壞。

5)在路面結構主要受動荷載作用情況下，層狀彈性體系模型計算應變比實測結果偏大，現行路面靜態載荷設計模式不能真實反映移動荷載下路面結構的力學狀態。因此，為真實反映路面結構應力應變狀態，現行的路面結構設計方法需要從靜態設計向動態設計轉化。

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