基于傳感器監測的柔性基層瀝青路面合理性論證

張艷紅　王曉帆

(長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室1)　西安　710064)

(中國公路工程咨詢集團有限公司2)　北京　100097)　(中咨華科交通建設技術有限公司3)　北京　100097)

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基于傳感器監測的柔性基層瀝青路面合理性論證

張艷紅1,2)王曉帆2,3)

(長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室1)西安710064)

(中國公路工程咨詢集團有限公司2)北京100097)(中咨華科交通建設技術有限公司3)北京100097)

摘要：作為一種新型的瀝青路面，柔性基層瀝青路面一直因力學狀況與實際的吻合性不明確而使應用受阻.以廣州某工程為依托，選取三種典型的柔性基層瀝青路面，采用Bisar 3.0與Matlab7.0相結合，全面分析路面的受力狀況，并通過在現場埋設應變片，實時監測路面應力水平并與理論計算結果相對比.結果表明：輪隙中心是柔性路面彎拉應力與彎拉應變的峰值所在點；面層層底為柔性路面高彎拉響應的集中層位，面層頂部為結構受剪高峰；現場實測的試驗路濕度數據與室內試驗的含水量、密度結果相關性好；室外應力檢測數據與室內計算結果的規律吻合、數量級相同，實際驗證了理論計算結果.

關鍵詞：道路工程；柔性路面；傳感器；彎拉應變；剪應力

張艷紅(1985- )：女，博士生，主要研究領域為工程結構與力學

0引言

早在1987年9月召開的第18屆世界道路會議上，許多學者普遍認為半剛性路面表面的裂縫是半剛性基層引起的反射裂縫.至此，許多國家就開始對柔性基層進行了深入研究和應用.柔性基層主要有半開級配大粒徑瀝青碎石混合料LSM、密級配瀝青穩定碎石基層混合料、半開級配或開級配的排水瀝青碎石混合料基層、級配碎石等.在國內，由于經濟基礎及技術基礎的水平所限，長期以來，各級公路大多是用半剛性材料修筑路面基層和底基層.關于柔性基層材料的應用研究近2年來才逐漸得到人們的重視，在實際工程中的應用仍是空白，僅有個別單位進行過室內試驗研究和鋪筑過試驗段[1-3].雖然柔性路面在歐美發達國家均已得到了理論與實踐的論證，但在我國，國內現有的大多數研究僅僅是停留在理論層面上，對實體工程的研究也大多只是進行了普通的路況監測，柔性路面在理論上的優越性并沒有真正在工程實體中被論證.據此，文中將以廣州某工程為依托，從理論上分析柔性路面的受力特點，通過在現場埋設應變片，實時監測路面應力水平并與理論計算結果相對比，將理論研究與現場監測相結合，為柔性基層瀝青路面的實際應用提供參考.

1理論計算與分析

1.1計算說明

1.1.1路面結構方案

選取3個代表性的柔性路面方案,見表1～3.

表1　柔性路面方案1及材料參數

1.1.2車輪荷載

為了與現行規范設計條件相匹配，車輪荷載采用標準軸載100 kN，荷載半徑10.65 cm，雙輪中心距15.975 cm.層間條件采用完全連續[4].

表2　柔性路面方案2及材料參數

表3　柔性路面方案3及材料參數

1.2力學響應分析

以Bisar3.0為工具，采取路面全深度范圍加密計算的模式，考慮層間完全連續條件，計算柔性路面在路面結構厚度范圍內的主要力學響應分布.

1.2.1彎拉應變

國外理論-經驗設計法中，混合料的疲勞性及混合料在路面結構中的受力狀態是判斷道路使用壽命的理論基礎.瀝青混合料疲勞極限的提出從根本上解釋了長壽命瀝青路面存在的機理.疲勞極限是指：當作用于瀝青混合料的拉應變小于某一數值時，混合料能夠承受無限次荷載作用，相應的拉應變值被稱為疲勞極限.面層的彎拉應變水平高低可間接反映路面結構產生疲勞開裂的可能性.因此，借鑒國外瀝青路面的設計理念，文中以面層的最大拉應變作為評判指標[5].

匯總各結構方案的面層最大彎拉應變見表4.各方案在道路橫斷面與行車方向的彎拉應變空間三維分布圖見圖1.

表4　柔性路面方案面層最大拉應變計算結果

圖1　柔性路面彎拉應變三維分布圖

1) 由表4可見，各方案的結構最大拉應變均集中在面層層底的輪隙中心處，這主要是由于3個方案在結構組合設置上的部分相似性：瀝青面層或瀝青處治層下直接鋪筑級配碎石基層.可見，對于柔性方案而言，面層與級配碎石基層界面將成為結構高彎拉應變層位，級配碎石層與瀝青混合料層的剛度迥異使得基面結合面的應變水平驟增.由于本次計算采用的是動態模量，因而計算出的結構應變水平總體不高，且各方案之間相差不大.

2) 從結構最大拉應變出現的位置來看，各方案在面層底出現結構彎拉應變峰值，而基層處于較低的彎拉應變水平.而國外柔性路面一般采用面層拉應變指標作為設計控制，因而僅從應變控制的角度上講，3個結構方案的破壞模式將是自上而下，而非源于基層破壞引起的結構性破壞，維修和養護較為方便.路面可通過定時的養護來保持在較長的使用壽命周期內維修較高的使用性能.

3) 由圖1可見，3個方案在道路空間中的彎拉應變分布圖總體上較為相似，曲面均是呈較為平滑的分布，僅在面層層底時拉應變達到頂峰而形成一個突起的棱面.具體來講，路面在路表往下的上層深度內承受壓應變，隨著深度的遞推，應變逐漸過渡為拉應變，且沿深度遞增，最后于基面結合處達到拉應變峰值.在基層深度范圍內，結構承受較為平穩的拉應變水平，大小隨深度遞增呈先減小后增加的趨勢，但總體變化幅度較小.

1.2.2彎拉應力

長期以來，我國一直以瀝青層及半剛性材料層底的拉應力作為設計指標，以防止層底疲勞開裂的產生.本研究另以結構最大拉應力作為比選指標，以反映各結構彎拉應力分布狀態.匯總各結構方案的結構最大彎拉應力見表5.各方案在道路橫斷面與行車方向的彎拉應力空間三維分布圖見圖2.

為了更清楚地反映各個方案在各個結構層底的彎拉應力水平的變化情況，也便于與后期現場埋設的應力數據進行對比，在此列出各方案在各結構層底的彎拉應力值，見表6.

表5　柔性路面結構最大彎拉應力計算結果

圖2　柔性路面彎拉應力三維分布圖

表6　柔性路面結構各層層底彎拉應力分布情況表

1) 由表5知，各方案均在靠近面層層底的輪隙中心處出現了結構的最大彎拉應力，而非在基層部分，可見無論從彎拉應力或者彎拉應變的角度控制，3個方案均符合國外長壽命路面的設計理念，即把路面破壞控制在路表一定深度，不需對結構進行大中修，保持路面長期路用性能.

2) 就各方案比較而言，方案1的結構拉應力水平最低，這主要是由于方案1設置了40 cm的瀝青面層，而面層作為結構拉應力的主要承擔層位，較厚的面層有力地削弱了結構的拉應力水平.其余兩個方案的面層厚度雖然也是30 cm以上，但是對拉應力的消散作用遠不如方案2明顯.

3) 由圖2可知，與彎拉應變的分布不同，3個方案的彎拉應力分布圖在曲面中部有一個明顯的突變和轉折，且突變的位置位于靠近面層層底處.結構從路表往下承受一定范圍的拉壓交替，當完全轉為拉應力后，其大小隨深度延伸而增加，最終于靠近面層層底的深度處達到了結構彎拉應力的峰值.隨后應力實現驟變，由應力峰值轉為基層上部的壓應力，亦即基層承受的是上壓下拉的應力狀態.具體來講，在基層范圍內，結構的應力先由壓應力過渡為拉應力，隨后應力逐漸增大，當達到級配碎石基層層底時，基層應力達到峰值，但該峰值遠小于結構面層出現的應力峰值.達墊層后，結構拉應力呈減小趨勢.

綜上，從彎拉應力分布圖上可以很明顯地看出，面層層底為柔性路面承受高彎拉應力的集中層位.在車輛荷載的反復作用下，結構由于極限抗彎拉強度不足而引起的疲勞開裂首先將在面層層底產生，而非基層層底.這對于路面后期的維修養護是極為有利的[6-12].

1.2.3剪應力

面層為結構剪應力主要承擔區域.文中以3個柔性路面的面層最大剪應力反映結構受剪水平高低，計算結果見表7.繪出3個柔性路面方案的三維剪應力分布見圖3.

表7　柔性路面結構最大剪應力計算結果

1) 由表7可見，3個柔性路面方案的最大剪應力均出現于路表距輪隙中心約3.2 cm的位置處.可見對于柔性路面而言，在層間連續的條件下，路表為結構高受剪區域，因此該類路面對于表面層的抗剪切、抗推移性能要求極高，這與國外長壽命瀝青路面的設計理念是一致的，即采用高性能的抗磨耗層作為表面層，以滿足路表高抗剪、抗滑要求.

圖3　柔性路面剪應力三維分布圖

2) 由圖3可見，柔性路面在荷載主要影響寬度范圍內的剪應力分布并沒有呈較規則變化.具體來講，輪隙中心附近的路表承擔了結構的極高剪應力，隨后剪應力沿深度延伸先減小后增大，直至達到面層層底，剪應力達到次峰值.從曲面上看，在基面結合處，剪應力出現了驟降，并在基層范圍內持續呈衰減趨勢.可見，基層范圍的剪應力已削弱至較小，面層頂部才是柔性路面在設計中應考慮的主要抗剪區域.

1.3結構力學特征綜合分析

1) 方案1路面總厚度達100 cm，其中在力學上占絕對主導的面層厚度有40 cm.在面層的設置上，根據各層位的功能選擇了3個粒徑相異的瀝青混合料作為主要的應力消散層，并在其下設置雙層廠拌瀝青處治層來彌補柔性基層剛度及強度上的不足.瀝青處治層模量介于面層及基層之間，其設置大大優化了結構的受力，可以有效地避免因面基層剛度差異過大而在面層層底產生過大的彎拉應力及應力，從而實現各結構層的協同受力.就力學響應而言，方案2的彎拉應力與彎拉應變高峰均集中于瀝青處治層與級配碎石層界面.與其他方案相比，該方案由于設置了較厚的面層，使得結構整體的彎拉應力水平較低.

2) 方案2的路面總厚度也是100 cm，但面層厚度較薄，僅有34 cm.該方案采用了四層混合料作為瀝青面層，充分保證了結構承載和受力的需要.基層采用的是3層17 cm的級配碎石，一方面是考慮到施工壓實厚度的需要，另一方面經過結構驗算，西二環交通壓力較大，必須采用足夠厚度的級配碎石來使結構滿足受力要求.就本文計算的彎拉響應來看，由于級配碎石層與瀝青面層的模量差異較大，因此反映到力學響應上表現為面層層底的彎拉應力水平較高，明顯高于方案1.結構彎拉應變卻由于面層的優化設計而達到了較低的水平.

3) 方案3是3個方案中總厚度最薄的結構.其路面總厚度為91 cm，其中面層厚度達36 cm，能很好起到消散荷載的作用.具體來講，面層上部采用的是兩層普通的瀝青混合料，其下設置了2層大粒徑瀝青碎石，一方面起到抗疲勞、抗車轍、抗變形的作用，另一方面也能在瀝青混合料層與級配碎石層之間起到一個材料與力學的過渡，在2種剛度迥異的結構層之間形成一種緩沖，保證路面的整體受力協調性.在基層的設置上，該方案采用了雙層20 cm的級配碎石層，主要是考慮到避免多層施工容易引起的層間不連續接觸，導致路面受力惡化.就力學響應而言，方案3的彎拉響應均介于方案1與方案2之間，總體上受力較均衡.

2路面性能監測與力學驗證

3個試驗路方案分別鋪筑于不同路段，進行路面性能監測，從而與室內理論分析結果進行對比.其中：方案1鋪設于A段，方案2鋪設于B段，方案3鋪設于C段.

2.1傳感器布設方案

對柔性路面結構進行長期性能觀測，在基層底面和土基頂面埋設相應的傳感器設備，測定該位置處的應力情況.考慮到環境因素對路面結構的影響，在瀝青混凝土面層深度范圍內埋設溫度傳感器，在土基內部埋設濕度傳感器，測定面層深度范圍內的溫度場以及土基內部的濕度狀況.

2.1.1土壓力計

在土基頂面和上基層頂面各埋設一個土壓力計，測定相應結構層頂面的壓應力.壓力計位于應變計陣列的中心延長線上，距離陣列中心2 m以上，見圖4.

圖4　土壓力計平面布置示意圖

2.1.2溫度傳感器

傳感器埋設在硬路肩中心線上，溫度傳感器布置見圖5.

圖5　溫度傳感器埋設方案

2.1.3濕度傳感器

在每種路面結構的土基內埋設一個探針，探針分別在10，30，50 cm處各設置一個傳感器(共3個)，埋設在外車道中心線上.

2.2傳感器工作測試

試驗路施工完成后，對各傳感器進行了現場數據采集，檢驗傳感器的成活情況.溫度和濕度傳感器由CR800數采自動采集，應力應變數據用DI785進行采集.其中，溫度計以及土體壓力計全部正常工作，成活率為100%，方案2所在B段落的濕度傳感器在工作2個月后發生故障，成活率為75%.

2.3室內外數據對比與分析

2.3.1溫濕度數據

濕度數據見表8，由于濕度的日變化很小，表中只給出了1 d中某一時刻的值.由表8可見，3段試驗路傳感器測得的體積含水量均在20%～40%之間.而室內試驗結果表明的路基土的質量含水量為9.5%～18%，密度為1.9～2.2 g/cm3，換算為體積含水量為18%～39.6%，相關性較好.另外，3種結構土基不同深度的濕度分布情況不盡相同，由以下一些因素造成.

1) 各試驗段路基材料與高程不同.A，B段高度相同，C段路基頂面回填了9 cm的石屑，D段路基頂面回填了11 cm的石屑.

2) 各試驗段填土不同.方案1處于挖填交界處，方案2為挖方，方案3段均為填方.各試驗段土基均分層壓實，不同深度的土質也不盡相同.

3) 3個段落的路面結構均不相同，其中C段為大粒徑碎石，滲水能力最強.

4) B段在基層施工過程中，曾出現濕度傳感器內部元件被振松，挖開后進行了重新安置，因此對靠近路基頂面位置的濕度有一定影響.

表8　各試驗段不同深度的體積含水量

3段試驗路的溫度變化規律一致.以B段日溫度變化為例，見圖6.從圖中可以看出，約靠近路表溫度變化越明顯：凌晨5:00達到最低值，14:30達到最高值；隨深度增加溫度變化幅度減小，變化相位滯后；當太陽輻射減弱，路面開始放熱時，路表溫度將低于路面內部的溫度.

圖6　方案2不同深度的溫度日變化

2.3.2應力數據

將試驗路通車1 a后的現場檢測數據與前期室內理論計算結果進行對比匯總見表9.

表9　各試驗段應力應變讀數

由表9可見：

1) 室內的計算結果明顯偏小，而室外傳感器監測的數據，但二者在同一個數量級上，這說明室外的監測數據是較為可靠的.分析二者區別的原因，這主要是由于在室內計算時假設的層間條件為完全連續接觸，材料參數也取的是動態參數，因此計算條件較理想；而室外的監測數據則受到傳感器埋設、溫濕度、層間接觸、施工工藝等各方面條件的影響，因此實際條件較為惡劣，不可能達到室內理想狀態下的數值，總體數據偏大；

2) 就各段對比而言，無論是理論值還是實測值，3個路段的土基頂面壓應力與上基層頂面壓應力水平排序均為C段>A段>B段.可見理論與實測反映出來的各路段的應力水平高低的規律是一致的，這也從側面反映實測數據與理論數據在變化規律上的一致性.

3) 單就實測數據而言，土基頂面的壓應力均大于基層頂面，這是由于土基頂面的壓力計要多承受級配碎石基層或半剛性基層的自重作用，上層結構的施工碾壓也可能對其產生一定的影響；而實測數據中土基頂面壓應力與上基層頂面壓應力的相對大小則沒有規律.

4) 由理論計算知，柔性路面在面層層底處的彎拉應力最大.而實測顯示該層位的應力水平并沒有計算結果高，由此可知，柔性路面的實際力學分布特征與理論計算是有一定差別的，但這種差別是由計算中的各種假設條件造成的.

綜上，考慮到現場實測條件的變異性，室內外應力水平存在差異是可以接受的.從各段數據變化規律、數值數量級等角度來看，室外監測的應力數據是可以作為室內計算結果的驗證.實測結果顯示3個柔性結構的面層層底應力水平并不高，因此可見由于級配碎石層與瀝青混合料層材料剛度差異引起的面層層底疲勞破壞并不會很快發生，柔性路面較其他類型路面的優越性得到體現.

3結論

1) 柔性路面面層層底的輪隙中心處是結構彎拉應力與彎拉應變的峰值所在點位.因此從受力的角度上講，要求該層具有優良的抗疲勞性，能抵抗車輛荷載重復作用而不產生疲勞開裂.

2) 柔性路面的最大剪應力出現于路表距輪隙中心約3.2 cm的位置處，面層層底為剪應力次峰值承擔區域.

3) 面層頂部是柔性路面在設計中應考慮的主要抗剪區域.

4) 柔性路面彎拉應力分布特點為：在面層頂部及基層上部，結構實現由受壓轉為受拉的拉壓過渡，隨后拉應力沿深度延伸而遞增，并于面層層底達彎拉應力峰值，基層層底達拉應力次峰值.

5) 柔性路面的面層層底為結構高彎拉響應的集中層位，面層頂部則為結構受剪高峰，因此柔性路面的破壞模式為自上下的形式，即把路面破壞控制在路表一定深度，不需對結構進行大中修，即可保持路面長期路用性能.

6) 現場實測的試驗路濕度數據與室內試驗的含水量與密度結果相關性較好.

7) 由于室內計算條件的理想化，考慮到現場實測條件的變異性及限制，室外實測土基及基層應力水平明顯較室內計算結果大.考慮到現場實測條件的變異性，室內外應力水平存在差異是可以接受的.

8) 室內外的各路段數據變化規律一致、數值處于同一數量級上，室外監測的應力數據可較好地印證室內計算的結果.

參 考 文 獻

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Proof on Rationality of Flexible Base Asphalt

Pavement Depending on Sensor Monitoring

ZHANG Yanhong1,2)WANG Xiaofan2,3)

(KeyLaboratoryofHighwayEngineeringinSpecialRegionofMinistry

ofEducation,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)1)

(ChinaHighwayEngineeringConsultingGrouplimitedcompany,Beijing100097,China)2)

(ChinaCommunicationsFirstHighwayEngineeringBureauHighwayInvestigation

andDesignInstituteLimitedCompany,Beijing100024,China)3)

Abstract：As a new type of asphalt pavement, application of flexible pavement is hindered from applying for the inconsistency between mechanical condition and practice. Based on west second ring road of Guangzhou city, the paper chose three kinds of typical flexible base asphalt pavement，making use of the software including bisar 3.0 and Matlab 7.0 to analysis the mechanical condition comprehensively. In addition, by means of inbuilt strain foil in field to monitor pavement stress level in time and compare with theoretical results. The results showed that middle of tire gaps was the peak point of bending-tensile stress and bending-tensile strain for flexible pavement; bottom of surface layer was the layer whose bending-tensile stress was maximum for flexible pavement while top of surface layer was the layer whose shearing stress was the highest; there showed well relativity between humidity data tested from field and liquid water content、density obtained from indoor test; Outdoor stress data was in accordance with indoor results on choosing regular and order, which proofed the theoretical result.

Key words：highway engineering; flexible pavement; sensor; bending-tensile strain; shearing stress

收稿日期：2015-12-11

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.024

中圖法分類號：U416.2