瀝青路面力學響應監測系統布置方案研究*

譚振宇 李 浩 許新權 吳傳海 劉 鋒

(廣州大學土木工程學院1) 廣州 510006)(公路交通安全與應急保障技術及裝備交通運輸行業研發中心2) 廣州 510420)(廣東華路交通科技有限公司3) 廣州 510420)

瀝青路面力學響應監測系統布置方案研究*

譚振宇1)李 浩2,3)許新權2,3)吳傳海2,3)劉 鋒2,3)

(廣州大學土木工程學院1)廣州 510006)(公路交通安全與應急保障技術及裝備交通運輸行業研發中心2)廣州 510420)(廣東華路交通科技有限公司3)廣州 510420)

以廣東省云羅高速公路長壽命試驗路項目為依托，通過對加強型半剛性基層、碾壓混凝土基層和傳統半剛性基層三種不同瀝青路面結構應力-應變響應隨空間位置變化規律的分析，并對影響力學響應監測系統布置方案的不利斷面、點位、方向及間距4個關鍵因素進行分析，以此為理論基礎，設計了瀝青路面力學響應監測系統.

道路工程；瀝青路面；力學響應；應力應變；布置方案

0 引 言

我國現行瀝青路面設計方法采用力學-經驗法，采用雙圓垂直荷載作用下的彈性層狀體系，以彎沉為控制指標，同時驗算瀝青層底或基層層底彎拉應力[1].然而以此為理論基礎設計出的道路在通車不久后便出現早期病害，使用壽命遠小于設計壽命.通過鋪筑試驗路，監測路面結構內部力學參數，探索長壽命瀝青路面結構，完善我國瀝青路面結構設計理論及方法，是解決目前瀝青路面早期破壞的途徑之一.

韋金城等[2-3]開展了瀝青層應變傳感器數據采集、處理及重載作用下典型路面結構動態數據分析方法的研究；董澤蛟等[4-5]開展了瀝青路面三向應變響應現場實測系統的研究.然而，已有研究以經驗為主來進行力學響應監測系統中傳感器的布置，關于傳感器數量和間距設置等方面并沒有開展相關研究和論證，缺乏理論支撐.

因此，本文以廣東省云羅高速公路長壽命試驗路項目為依托，通過對三種不同瀝青路面結構力學響應變化規律的分析，對影響力學響應監測系統布置方案的關鍵因素進行深入分析，并以此為理論基礎設計了瀝青路面力學響應監測系統.

1 力學響應監測系統介紹

監測系統包括溫度、濕度、三向應變及壓應力多個監測子模塊.本文主要研究應力、應變監測子模塊的布置方案，對溫度濕度監測子模塊僅作簡單介紹.

溫度、濕度監測子模塊采用PTWD-2A型埋置式熱電偶溫度傳感器，采用TDR-3型濕度探針監測基層和路基的濕度情況，采用PC-2S型溫濕度數據采集儀；三向應變監測子模塊采用美國CTL公司生產的電阻應變式傳感器和MDD多點位移計，用于監測路面結構層層底橫向、縱向應變和豎向變形；壓應力監測子模塊采用BWX型土壓力計監測路基表面的豎向壓應力，采用DH3817F動態數據采集儀采集應力及應變數據.

2 計算模型

2.1 計算模型

采用文獻[1]的雙圓均布荷載，作用半徑為10.65 cm，荷載圓中心間距31.95 cm，荷載0.707 MPa.路面結構力學響應計算采用BISAR3.0軟件進行線彈性計算，數據提取間隔1 cm.

2.2 計算參數

云羅高速公路長壽命試驗路項目共鋪筑三種結構試驗路，其中，結構一基層為加強型半剛性基層，結構二為碾壓混凝土基層，結構三為傳統半剛性基層.三種路面結構及其設計參數見表1～3.

2.3 計算模式

選取通過輪隙中心且平行和垂直行車方向的兩個斷面進行研究，并各選取30個點.為方便起見，將平行和垂直行車方向的兩個斷面簡稱為XZ斷面和YZ斷面，兩個斷面代表了雙圓均布荷載作用下路面結構受力的兩種極限狀態，將平行和垂直行車方向簡稱為XX方向和YY方向.對受力的大小數值及變化規律進行研究便可得到最不利斷面、最不利的點位、方向及布置間距.計算點位選取見表4，表中坐標數據表示距輪隙中心的距離.

表1 結構一路面結構型式及設計參數

表2 結構二路面結構型式及設計參數

表3 結構三路面結構型式及設計參數

注：*強度為7天無側限抗壓強度設計值；**級配碎石是松散粒料，不計算拉應力、拉應變，但在結構計算時仍給該結構層賦予模量值.

表4 路面結構力學計算取點的X/Y坐標分布

3 布置方案關鍵因素研究

3.1 最不利斷面

通過對比三種結構YZ斷面和XZ斷面彎沉、關鍵層層底應力應變及土基頂面壓應變數據最大值，可得YZ斷面各指標絕對值均大于XZ斷面.因此，以YZ斷面為最不利斷面，僅討論YZ斷面各指標的變化情況.因篇幅有限，僅列出3種結構彎沉、土基頂面壓應變的分布情況，見圖1～2.

圖1 3種結構XZ斷面和YZ斷面彎沉分布

圖2 3種結構XZ斷面和YZ斷面壓應變分布

3.2 最不利點位及方向

提取三種結構最不利斷面30個點位XX和YY兩個方向沿深度的應力應變數據，分析其數值變化規律以確定最不利點位及方向.因篇幅限制，僅列出最大應力應變值及其出現的位置，見表5～8.

表5 結構一關鍵層層底最大應力應變值及其位置

注：應力應變數值后括號里的數值代表其距離輪隙的距離，m.

表6 結構二關鍵層層底最大應力應變值及其位置

表7 結構三關鍵層層底最大應力應變值及其位置

表8 三種結構土基頂壓應變

就關鍵層應力而言，下面層層底最大應力出現在距離輪隙0.133 1 m和0.159 8 m處，結構一、三為橫向應力，結構二為縱向應力；基層底、底基層底最大應力均出現在輪隙正下方，且均為縱向應力；就關鍵層應變而言，下面層最大應變出現在輪隙正下方和距輪隙0.159 8 m處，結構一、三為縱向應變，結構二為橫向應變；基層底、底基層底最大應變均出現在輪隙正下方，且均為縱向應變；就路基頂壓應變而言，最大壓應變均出現在輪隙正下方.

因此，在研究關鍵層層底力學響應的監測方案時，關鍵監測點位在輪隙正下方和輪胎正下方(距輪隙0.159 8 m處)，且應監測橫向、縱向兩個方向的應力和應變.

3.3 合理間距

三種結構關鍵層底應力、應變距輪隙距離變化見圖3～5，就應力而言，面層底應力隨距離增加先增加后減小，基層和底基層底應力隨距離一直減小，下面層底變化規律更為復雜；就應變而言，面層底應變隨距離增加先減小后增加再次逐漸減小，基層和底基層底應變隨距離一直減小，下面層底變化規律更為復雜.應力應變在0～0.6 m內變化幅度大，在0.6～1.2 m內變化幅度減小，超過1.2 m后，逐漸趨于平穩.0～0.6 m內應變有方向上的改變，應變較應力變化復雜.因此，在考慮應力應變傳感器的合理間距時，以0.6 m為分界點較為合適.

圖3 結構一關鍵層層底應力、應變變化圖

圖4 結構二關鍵層層底應力、應變變化圖

圖5 結構三關鍵層層底應力、應變變化圖

4 布置方案研究

考慮對路面結構層層底應力監測的難度，本文力學響應監測系統的布置主要以應變傳感器為主，以應力傳感器為輔.

由上節分析可得，在應力、應變分析中，最不利YZ斷面中應關注輪隙正下方和距輪隙0.159 8 m的點位，且應監測XX、YY兩個方向的應力和應變.考慮到傳感器施工工藝[6]，應變傳感器不宜設置過密，再次結合理論分析結果，確定本次應變傳感器設置間為0.6 m.

表9 試驗路傳感器數量布置數量列表

注：“無”表示沒有該結構；“-”表示沒有布置傳感器或壓力計.

因篇幅有限，僅以結構一為例，說明傳感器布設方案.圖6～8給出了電阻應變式傳感器現場布設的橫、縱斷面圖.

“H”型、“I”型傳感器分別測試縱向應變、橫向應變，“H”型和“I”型傳感器協同工作，可完成關鍵層底兩個方向應變的監測工作.為了確保測試結果的準確性和完備性，設置多個平行測試斷面，縱向距離為0.6 m.為了分析關鍵層的應變變化特征及規律，設置多個縱向測試斷面，傳感器橫向距離為0.6 m.MDD多層位移計沿行車方向布置了兩個.各層底均布置壓應力傳感器.溫濕度傳

圖6 底應變計布置方案

感器布設于相應層位的路肩處，用以修正溫度對應變測量結果的影響.

圖7 結構一縱剖面圖

圖8 結構一MDD測點布置方案

5 結 論

1)YZ平面可以反應整個路面結構的最不利受力狀態，關鍵監測點位在輪隙正下方和輪胎正下方(距輪隙0.159 8 m處)，橫向、縱向兩個方向的應力和應變均有最大值出現，應同時監測.

2) 應力、應變在0～-0.6 m內變化幅度大，在0.6～1.2 m內變化幅度減小，超過1.2 m后，逐漸趨于平穩.綜合施工工藝及理論分析結果，傳感器間距設置為0.6 m.

以此為理論基礎，設計了瀝青路面力學響應監測系統，對探索長壽命瀝青路面結構，完善瀝青路面結構設計理論及方法，解決瀝青路面早期破壞問題提供參考.

[1]中華人民共和國交通部.公路瀝青路面設計規范:JTG D50—2006[S].北京:人民交通出版社,2006.

[2]韋金城,王林,DAVID H T.瀝青層應變傳感器數據采集及處理方法研究[J].公路工程,2009,34(2):45-46.

[3]楊永順,王林,韋金城,等.重載作用下典型路面結構動態響應數據采集與分析[J].公路交通科技,2010,27(5):11-16.

[4]董澤蛟,柳浩,譚憶秋,等.瀝青路面三向應變響應現場實測研究[J].華南理工大學學報(自然科學版),2009,37(7):46-51.

[5]董澤蛟,曹麗萍,譚憶秋,等.移動荷載作用下瀝青路面三向應變動力響應模擬分析[J].土木工程學報,2009,42(4):133-139.

[6]王甲辰,李浩,吳傳海,等.濕熱重載地區長壽命瀝青路面動態響應實測系統研究[J].中外公路,2016,36(2):58-62.

Study on Layout of Monitoring System about Mechanical Response of Asphalt Pavement

TAN Zhenyu1)LI Hao2,3)XU Xinquan2,3)WU Chuanhai2,3)LIU Feng2,3)

(School of Civil Engineering, Guangzhou university, Guangzhou 510006, China)1)(Research and Development Center on Road Transport Safety and Emergency Support Technology & Equipment, Ministry of Transport, Guangzhou 510420, China)2)(Guangdong Hualu Communications Technology Co. Ltd., Guangzhou 510420, China)3)

Based on the long life test road project of Yunluo Expressway in Guangdong Province, the stress and strain response of three kinds of asphalt pavement structures with reinforced semi-rigid base, RCC base and traditional semi-rigid base are analyzed by varying the change of spatial position. The key factors of adverse section, point, direction and spacing of the layout of the mechanical response monitoring system are comprehensively analyzed. Based on this, the asphalt pavement mechanical response monitoring system is designed.

road engineering; asphalt pavement; mechanical response; stress and strain; layout

2017-03-17

*廣東省交通運輸廳科技項目資助(2012-02-011)

U416

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.034

譚振宇(1992—)：男，碩士生，主要研究領域為瀝青路面力學計算