基于APT試驗的半剛性基層瀝青路面動力響應分析

莊傳儀，葉亞麗，張 寧

(1.山東交通學院交通土建工程學院，山東濟南 250357；2.濟聊高速公路齊河管理處，山東德州 251100)

基于APT試驗的半剛性基層瀝青路面動力響應分析

莊傳儀1，葉亞麗1，張 寧2

(1.山東交通學院交通土建工程學院，山東濟南 250357；2.濟聊高速公路齊河管理處，山東德州 251100)

通過足尺試驗路加速加載試驗研究半剛性基層瀝青路面的動力響應，為路面性能預估及結構設計提供依據。通過修筑水泥穩定碎石基層和二灰穩定碎石基層2種結構APT試驗路，埋設水平應變儀、豎向壓應力傳感器和溫度傳感器，實時采集路面結構動應力、應變、彎沉和路面溫度場，分析溫度與結構動應變、應力響應的關系，開展基于FWD彎沉盆的路面結構層模量和力學響應計算分析。研究結果表明,半剛性基層層底拉應變受溫度影響較小，半剛性基層厚度對結構彎沉影響較大；半剛性基層厚度越小，其模量衰減越快；隨重復荷載作用，半剛性基層層底拉應變響應先較快增加而后緩慢減??；在路面使用初期(<2 560萬次標準軸載)，半剛性基層結構模量衰減較慢，當輪載作用1億次標準軸載累計當量軸次時，半剛性基層模量約衰減55%。

瀝青路面；半剛性基層；APT；動力響應；落錘式彎沉

半剛性基層是我國高等級公路建設中普遍采用的結構類型，研究分析行車荷載和自然環境影響下半剛性基層瀝青路面的動力響應，為掌握半剛性基層瀝青路面結構響應特征及力學響應規律提供數據支撐，為路面結構性能及結構設計提供依據[1-4]。通過修筑APT(Accelerated Pavement Testing，加速加載試驗)足尺試驗路，并埋設應變儀、壓力盒、溫度傳感器等，結合加載過程中的實時監測和彎沉測試，可以有效分析半剛性基層瀝青路面的動力響應特征[5-8]，快速獲取研究數據和成果。

1 APT試驗路概況

圖1 APT試驗路路面結構

1.1結構設計與試驗荷載

APT試驗路路面結構分為水泥穩定碎石基層和二灰穩定碎石基層2種類型，APT試驗路長9 m、寬4 m，路基為無限深，試驗路結構布置見圖1(圖中層厚單位為cm)。足尺試驗路采用可移動直線式路面加速加載實驗系統(Accelerated Loading Test, ALT)進行疲勞破壞試驗。ALT采用單向加載方式，依靠單側單軸施加荷載，加載有效長度為9 m，單軸軸載為400 kN，有效運行速度為23 km/h，每天可向路面施加約7 000次輪載作用。

1.2傳感器埋置

為了對APT試驗路路面性能進行實時監測，試驗路修筑過程中，在半剛性基層層頂埋設1套土壓力盒和2個工字梁應變儀，埋設方式采用沿加載方向和垂直于加載方向2種；在半剛性基層層底布設4個水平縱向應變傳感器，具體埋設位置如圖2所示。表1為數據采取通道與對應的傳感器及位置。

圖2 傳感器埋設位置示意圖

表1傳感器編號及位置

數據采集通道編號傳感器型號位置W1B?1346．0m(二灰碎石底)W20132．5m(水穩碎石底)W3242．0m(水穩碎石底)W4093．2m(水穩碎石底)W6Y?152．5m(瀝青面層底)W11035．5m(瀝青面層底)W13土壓力盒4．5m(二灰碎石底)

圖3 彎沉檢測位置

2 數據采集

2.1應力應變數據采集

路面結構響應的時間和電壓采用DATAQ高頻數據采集設備定期采集，基于DSP二次開發將電壓信號處理轉變為應變，最后利用Excel截取最大應變和最小應變作為實時的拉壓應變[9-10]。

2.2彎沉采集

在足尺APT試驗路疲勞加載破壞試驗過程中，每加載一定次數(70 000次)后采用落錘式彎沉儀檢測路面彎沉盆參數，彎沉檢測位置如圖3所示(圖中長度單位為m)。

3 路面實時響應數據分析

3.1 APT試驗路溫度場

試驗路在路表面以下0，2，4 cm不同深度處埋設3個溫度傳感器, 對應的溫度分別用T1、T2、T3表示，傳感器每隔15 min自動采集1次溫度，其中 0 cm處溫度傳感器用來測量路表面處的空氣溫度。圖4為加載143 928次時采集到的路面結構層不同深度處的溫度變化曲線，可以看出瀝青層不同深度處的溫度隨環境溫度的升降而升降，由于熱量傳遞的時間差，瀝青層底溫度變化明顯滯后，但隨著深度的增加，溫度變化幅度趨于平緩。

圖4 路表溫度及瀝青層不同深度處溫度變化

3.2溫度與應變

加速加載試驗期間每天定期(選在9：00和21：00)對路面結構層底的拉壓應變進行采集，由于溫度較高時拉壓應變變化較明顯，因此設定應變采集頻率為2 000 Hz/通道，連續采集3 min以上以確保應變采集數據的準確性與穩定性，同時記錄瀝青層不同深度處的溫度。

圖5為結構1在不同加載次數時路面應變和溫度的變化曲線。傳感器W6采集結構1輪隙中間處瀝青層底拉壓應變，傳感器W2采集水穩碎石基層底的拉壓應變，在已完成的加載中，面層底的應變為20×10-6～39.4×10-6，基層底的應變為58.5×10-6～73.2×10-6，初始應變均較小且整體變化幅度不大，半剛性基層層底拉應變對溫度的變化不敏感，受溫度的影響很小。

圖5 結構1不同加載次數時面層底和基層底應變隨溫度的變化曲線

圖6為結構3在不同加載次數時路面應變和溫度的變化曲線。傳感器W11采集結構3輪隙中間處瀝青層底拉壓應變，傳感器W1采集二灰碎石基層底的拉壓應變，在已完成的加載中，面層底的應變為87.6×10-6～185.3×10-6，基層底的應變為74.6×10-6～103.7×10-6，同樣可以看出半剛性基層層底拉應變基本不受溫度影響。

3.3溫度與應力

結構3在不同加載次數下基層頂應力和溫度的變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，基層層頂位置壓應力為32.9～45.9 kPa，隨著荷載作用次數的增加，壓應力的變化與溫度的變化趨勢有較高的相關性。

4 APT試驗路結構響應特征分析

4.1 FWD彎沉

在加速加載試驗期間共進行6次FWD彎沉檢測，每個樁號以相同荷載水平檢測3次并取后2次的荷載中心點處彎沉的均值作為此處的代表彎沉[11]，其中3種結構不同樁號處的FWD荷載中心處的彎沉隨加載次數的變化曲線如圖8所示。

圖6 結構3不同加載次數下面層底應變基層底應變和溫度的變化曲線

圖7 結構3不同加載次數下基層頂應力和溫度的變化曲線

圖8 不同路面結構的FWD彎沉隨加載次數的變化曲線

由圖8可以看出，FWD荷載中心處的彎沉隨加載次數的增加而逐漸增大，在前15萬次的加載過程中，彎沉變化幅度不明顯，繼續加載過程中彎沉增加幅度明顯增大。加速加載試驗過程中得到的彎沉結果表明，對于同一基層厚度的二灰穩定碎石基層結構和水泥穩定碎石結構基層的彎沉相差不大，與結構1和結構2相比，基層厚度較薄的二灰穩定碎石基層結構(結構3)的彎沉較大。彎沉隨著加載次數的增加而逐漸增大，說明路面結構在荷載的反復作用下強度會相應衰減。

4.2 FWD反算模量

為研究重復載荷作用下半剛性基層的模量的衰變規律，在APT足尺路面不同加載階段進行路表FWD彎沉測試，進行各結構層的模量反算，得到半剛性基層的模量衰減變化。由于APT試驗路路面結構層次較多，且瀝青層較薄，為了避免迭代反算造成的數據失真，在FWD模量反算時應將瀝青層模量事先確定，作為已知參數，反算其它結構層的模量，提高路面結構模量反算的精度和準確性。

參考AASHTO TP62試驗方法，采用常應變控制方式，對旋轉壓實成型的圓柱體試件施加連續正弦荷載，測試AC-13瀝青混合料試件在代表溫度(20 ℃)下的動態模量。永久性路面瀝青層模量與溫度關系模型為

E20=ET×exp(-0.072 2(20-T))，

(1)

式中E20為20 ℃瀝青層的動態模量，MPa；ET為溫度T的瀝青層的動態模量，MPa；T為瀝青面層中間深度處的溫度，℃。

APT足尺路面加速加載疲勞破壞試驗期間，進行了6次路表FWD彎沉檢測。FWD結構模量反算時選用50 kN荷載水平測試的彎沉盆，其中瀝青層動態模量根據FWD彎沉測試時的路面溫度由式(1)計算得到，反算路面基層和路基的結構模量。圖9為APT試驗路半剛性基層模量隨軸載重復作用次數的變化。

圖9 不同路面結構的基層模量與加載次數的相關性曲線

由圖9可以看出，在足尺路面加速加載疲勞試驗初期(0～10萬次)，半剛性基層的模量隨加載次數的增加而緩慢下降；隨荷載的繼續作用，其模量隨荷載作用次數下降較快；半剛性基層結構3的模量衰減速度>結構1>結構2；在加速加載半剛性基層疲勞破壞過程中，主要分為2個階段：第一階段，在半剛性基層的模量衰減過程中，加載次數為0～10萬次(標準軸載累計當量次數0～2 560萬次)時，各結構層半剛性基層的模量平均衰減了5.23%，衰減速度較慢，基層模量的下降趨勢較平緩；第二階段，加載次數>10萬次后，基層模量的下降速率加快，經過37萬次重輪載作用后(標準軸載累計當量次數約1億次)，各結構層半剛性基層的模量平均衰減了54.87%，基層模量的衰減速率較快。

4.3力學響應及其特征

圖10 力學響應計算模型及控制點位應變傳感器埋設

半剛性基層的剛度較大，瀝青面層的底面基本上處于壓應力(應變)或低拉應力(應變)狀態，因而，在基層產生疲勞開裂破壞之前，瀝青面層不會出現自下而上的疲勞開裂損壞[12]。在行車荷載作用下，半剛性基層瀝青路面基層層底承受較大的彎拉應力，現行公路瀝青路面設計規范同樣以半剛性基層層底拉應變(力)作為設計指標之一，以控制半剛性基層的疲勞開裂[13-15]。因此，取半剛性基層層底作為拉應變計算的關鍵控制點位，并在該位置預先埋設應變傳感器，實時監測足尺路面結構在行車荷載和環境因素影響下的力學響應。控制點位及應變傳感器埋設如圖10所示。

以足尺路面結構3為例，采用多層彈性層狀體系計算控制點位的力學響應，假設各結構層層間界面狀態為完全連續，采用雙圓垂直均布荷載(半徑為r)，軸載為單軸雙輪組200 kN，輪胎接地胎壓為1.1 MPa，接地半徑為12.03 cm，雙圓荷載中心距為31.95 cm。根據現場FWD結構層反算模量結果，將各層材料的模量、泊松比和厚度參數輸入到計算程序中，得到控制點的應變，然后將理論計算結果與實測結果進行比較，如圖11所示。

由圖11分析發現，二灰碎石基層層底計算應變略小于實測應變，兩者分布規律較一致，具有較好的相關性；隨重復荷載作用次數增加，半剛性基層層底實測應變與理論計算應變均表現出一致的規律性：在加載初期，半剛性基層層底拉應變響應增大，這與面層瀝青混合料被行車荷載的進一步壓密有關；經過一定重復荷載的作用次數后，半剛性基層層底拉應變表現為隨荷載作用次數增加，先急劇下降后趨于平緩的狀態。

圖11 結構3基層層底應變響應實測與計算對比

5 結論

1)半剛性基層層底埋設動應變儀傳感器，能監測路面結構在行車荷載和環境影響下的路面結構力學響應，為半剛性基層瀝青路面結構性能預測、路面結構設計及半剛性基層疲勞壽命預估模型的修正提供有效技術措施。

2)隨荷載作用次數的增加，半剛性基層瀝青路面路表FWD中心彎沉先減小后增大，半剛性基層厚度對結構彎沉影響較大，半剛性基層厚度越小，FWD中心彎沉越大。

3)重復荷載作用初期，半剛性基層模量衰減較緩慢，約經過10萬次200 kN單軸軸載作用后，半剛性基層模量衰減較快，且隨半剛性基層厚度的減小，其模量衰減速率越大；水泥穩定碎石基層強度衰減速率大于二灰穩定碎石基層。

4)FWD反算模量作為半剛性基層瀝青路面結構響應分析輸入參數，能滿足計算分析精度要求。

5)在重復車輛荷載作用初期，隨瀝青層被進一步壓密，半剛性基層層底拉應變響應增大；經過一定重復荷載作用次數后，半剛性基層層底拉應變衰減較快，而后衰減速率變慢。

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AnalysisforDynamicResponseofSemi-RigidBaseAsphaltPavementBasedonAPTTest

ZHUANGChuan-yi1，YEYa-li1，ZHANGNing2

(1.SchoolofTransportationandCivilEngineering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China;2.QiheManagementOfficeofJiliaoSuperhighway,Dezhou251100,China)

In this article, the dynamic response of the semi-rigid asphalt pavement is studied through the acceleration and loading test on the full-scale test road, which provides the basis for the prediction and structural design of pavement performance. Through the APT test road construction with the two structures of cement stabilized macadam and lime-fly ash stabilized macadam, strain gauges, vertical stress sensors and temperature sensors are laid to make the real-time collection of the dynamic stress, strain and deflection of the pavement structure as well as the pavement temperature field, to analyze the correlation between the temperature and the responses of the structural dynamic strain and stress and also the calculation of the pavement layer moduli and mechanical response based on the FWD deflection basin. The research results are as follows. The tensile strain of semi-rigid base layer is less affected by temperature. The structural deflection is greatly affected by the thickness of the semi-rigid base. The thinner the semi-rigid base thickness is, the faster the decline of its modulus is. With the function of repeated loads, the declining rate of tensile strain of semi-rigid base layer increases first and then slowly decreases. In the early service (less than 25.6 million times of standard axle loads), the modulus of the semi-rigid base decays slowly and when the pavement is loaded with 100 million cumulative equivalent standard axle loads, its modulus decays about 55%.

asphalt pavement; semi-rigid base; APT; dynamic response; falling weight deflection

郎偉鋒)

2014-03-03

交通運輸部應用基礎研究項目 ( 2011-319-817-480)；山東省交通科技創新計劃項目(2011-10)；山東交通學院科研基金項目(Z201324)

莊傳儀(1980—)，男，山東青州人，山東交通學院講師，工學博士，主要研究方向為路面結構與材料性能.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.012

U416.223;416.217

A

1672-0032(2014)03-0055-07