柔性基層瀝青路面動力響應(yīng)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(yīng)變是我國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計指標之一［1］，獲取路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部實際的應(yīng)變行為，對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計具有指導意義。近年來，國內(nèi)外廣泛開展應(yīng)用應(yīng)變傳感器檢測移動荷載下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部動力響應(yīng)的研究，得出瀝青路面結(jié)構(gòu)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(shè)電阻應(yīng)變片傳感器對典型瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部動力響應(yīng)進行長期觀測，分析移動荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，目的是驗證路面彈性層狀體系應(yīng)力應(yīng)變計算模型的數(shù)值解，進一步對瀝青路面疲勞壽命進行預(yù)估。

1 試驗路方案

1.1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)。路面結(jié)構(gòu)組合和厚度如圖1。

圖1 柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of asphalt pavement with flexible base

1.2 電阻應(yīng)變片布設(shè)

1.2.1 電阻應(yīng)變片的埋設(shè)方案

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

在同一側(cè)的行車帶上，測點位置平面如圖2。

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

現(xiàn)場每個測點的電阻應(yīng)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?？紤]后期采集數(shù)據(jù)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(yīng)變片貼片方式Fig.3 Coating place of the resistance gauge

1.2.2 電阻應(yīng)變片的選擇

應(yīng)變片測量原理是以其柵長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變來表示這一長度內(nèi)某點的應(yīng)變，其誤差由柵長大小和其中應(yīng)變梯度決定［10］。測量結(jié)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(jù)應(yīng)變片的工作特性，針對道路使用條件，按照以下原則選擇應(yīng)變片的尺寸。

1)被測量材料的分布狀態(tài)。由于瀝青混合料是非均質(zhì)材料，集料和瀝青材料彈性模量差別大，內(nèi)部應(yīng)變分布不均勻，此時，要根據(jù)混合料內(nèi)部骨料的大小選擇應(yīng)變片，柵長應(yīng)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(yīng)變片作為路用應(yīng)變片。

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

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

綜合以上原則，結(jié)合路面結(jié)構(gòu)特點和研究內(nèi)容，在測量瀝青路面動力響應(yīng)時，路用電阻應(yīng)變片柵長應(yīng)在80 mm以上，依據(jù)本次試驗路結(jié)構(gòu)所用的瀝青混合料，試驗選用型號為B×120-100AA型電阻式應(yīng)變片，敏感柵尺寸為100×3 mm。

1.2.3 電阻應(yīng)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(yīng)變片極易破壞，并且在測試時嚴重影響采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)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(fā)表面完全干燥后畫出應(yīng)變片的定位線，務(wù)必使其與應(yīng)變測試方向吻合。

2)涂底膠。在已經(jīng)準備好的結(jié)構(gòu)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(fā)黏時，用刮刀在應(yīng)變片基底上涂刷一層黏結(jié)劑，將應(yīng)變片的中心線對準結(jié)構(gòu)層表面的定位線準確的貼上，用刮刀沿應(yīng)變片軸線方向輕輕刮壓，撫平應(yīng)變片，去除氣泡并擠出多余膠液。

4)檢查。應(yīng)變片黏貼完畢后，對其認真檢查，當發(fā)現(xiàn)基底有損壞，敏感柵有變形、斷路、短路，應(yīng)變片阻值變化超出測量儀器調(diào)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(yīng)變片防護。待黏結(jié)劑充分固化后，在應(yīng)變片和引線上涂一層914膠，并敷上瀝青，進行封裝，避免應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(fā)生剪切破壞。

1.3 試驗路壓實方式

試驗路鋪筑時，所有結(jié)構(gòu)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(huán)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本次試驗中，動態(tài)應(yīng)變檢測系統(tǒng)采用生基科技有限公司生產(chǎn)的“SJ-RFQC分布式無線動靜態(tài)數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)”，系統(tǒng)由4通道動靜態(tài)應(yīng)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(tài)應(yīng)變采集器的分辨率為1 με，應(yīng)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(shù)據(jù)采集頻率

在改善電阻應(yīng)變片測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)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(shù)，改善電阻應(yīng)變片的穩(wěn)定性，而將應(yīng)變片做在惠斯登電橋中無疑是最佳的選擇?；菟沟请姌蛉鐖D4。通過差動技術(shù)，在動力響應(yīng)測試中提高電橋的靈敏度，消除蠕變和非線性誤差，實現(xiàn)溫度補償，抵消了共模誤差。數(shù)據(jù)采集頻率最大值由式(1)計算:

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

結(jié)合微機處理能力和實驗室汽車行駛速度，設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率為800 Hz。

圖4 惠斯登電橋Fig.4 Wheatstone Bridge

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 壓實方式對電阻應(yīng)變片存活率的影響

在不同的壓實方式下，各個結(jié)構(gòu)層電阻應(yīng)變片的存活率如表1。

表1 電阻應(yīng)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(huán)境條件下，電阻應(yīng)變片仍然有較理想的存活率，可以直接用于瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的測試;而在強振作用下電阻應(yīng)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(yè)。

3.2 應(yīng)變測試結(jié)果與分析

在氣溫為30℃時，實測上面層層底的橫向應(yīng)變響應(yīng)如圖5，橫向應(yīng)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(xiàn)壓應(yīng)變，其次是拉應(yīng)變，最后是壓應(yīng)變。拉壓狀態(tài)交替出現(xiàn)，如果受車輛荷載長期作用，路面不可避免地產(chǎn)生疲勞破壞。這種結(jié)果也與國內(nèi)外同類試驗得出的結(jié)論相吻合。

圖5 橫向應(yīng)變時程Fig.5 The time course graph of lateral strain

3.3 實測應(yīng)變最大值與數(shù)值計算對比

根據(jù)層狀彈性體系，利用BISAR 3.0程序，荷載為動態(tài)應(yīng)變測試時試驗車重量，即8 t，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)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(shù)，計算圖1所示結(jié)構(gòu)，上面層層底的靜態(tài)應(yīng)變?yōu)?4.13 με，大于實測上面層層底的橫向應(yīng)變最大值 37.6 με。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Survival rate of resistance gauges

在路面結(jié)構(gòu)主要受動荷載作用情況下，層狀彈性體系模型計算應(yīng)變偏大，現(xiàn)行路面靜態(tài)載荷設(shè)計模式不能真實反映移動荷載下路面結(jié)構(gòu)的力學狀態(tài)，因此，為真實反映路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，現(xiàn)行的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法需要從靜態(tài)設(shè)計向動態(tài)設(shè)計轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)論

1)歸納了路用電阻應(yīng)變片的選擇標準。在道路工程試驗中，電阻應(yīng)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(tài)、測量范圍和黏貼難易。在測量瀝青路面動力響應(yīng)時，路用電阻應(yīng)變片柵長應(yīng)在80 mm以上。

2)壓路機壓實方式對電阻應(yīng)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(yīng)變片有較理想的存活率，可以直接用于瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的測試，而在強振作用下電阻應(yīng)變片卻極難存活。

3)介紹通過惠斯登電橋，利用差動技術(shù)改善電阻應(yīng)變片的穩(wěn)定性、提高靈敏度的數(shù)據(jù)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(xiàn)拉壓應(yīng)變，這種重復作用不可避免地使路面出現(xiàn)疲勞破壞。

5)在路面結(jié)構(gòu)主要受動荷載作用情況下，層狀彈性體系模型計算應(yīng)變比實測結(jié)果偏大，現(xiàn)行路面靜態(tài)載荷設(shè)計模式不能真實反映移動荷載下路面結(jié)構(gòu)的力學狀態(tài)。因此，為真實反映路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，現(xiàn)行的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法需要從靜態(tài)設(shè)計向動態(tài)設(shè)計轉(zhuǎn)化。

［1］JTG D 50—2006公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］楊永順，王林，韋金城，等.重載作用下典型路面結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集與分析［J］.公路交通科技，2010，27(5):11-16.Yang Yongshun，Wang Lin，Wei Jincheng，et al.Typical pavement structure dynamic response data collection and analysis under heavy vehicle loading［J］.Transportation Research and Development，2010，27(5):11-16.

［3］董忠紅，呂彭民.瀝青路面動力響應(yīng)檢測傳感器的設(shè)計及應(yīng)用［J］.筑路機械與施工機械化，2008，25(10):78-80.Dong Zhonghong，Lv Pengmin.Design and application of sensor for detection of dynamic response of asphalt pavement［J］.Road Machinery ＆ Construction Mechanization，2008，25(10):78-80.

［4］董澤蛟，柳浩，譚憶秋，等.瀝青路面三向應(yīng)變響應(yīng)現(xiàn)場實測研究［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2009，37(7):46-51.Dong Zejiao，Liu Hao，Tan Yiqiu，et al.Field measurement of threedirection strain response of asphalt pavement［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science，2009，37(7):46-51.

［5］Siddharthan R V，Yao Jian，Sebaaly P E.Pavement strain from moving dynamic 3D load distribution［J］.Journal of Transportation Engineering，1998，120(6):557-566.

［6］Angela L P，David H T.A full-scale pavement structural study for mechanistic-empirical pavement design［J］.Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists，2005，74(1):519-557.

［7］Imad L A，Pyeong J Y，Mostafa A E，et al.Effects of tire configurations on pavement damage［J］.Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists，2005，74(1):283-327.

［8］蔣鑫，邱延峻，凌建明.半填半挖式路基靜動力穩(wěn)定性分析［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2007，26(6):87-91.Jiang Xin，Qiu Yanjun，Ling Jianming.Stability analysis of partcut and part-fill subgrade under static and dynamic loading［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2007，26(6):87-91.

［9］楊潔，楊上清，肖盛燮.強震邊坡動力響應(yīng)及安全系數(shù)計算［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2011，30(2):277-281.Yang Jie，Yang Shangqing，Xiao Shengxie.Dynamic response and safety coefficient calculation of slope under severe earthquake［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011，30(2):277-281.

［10］張如一，沈觀林，李朝弟.應(yīng)變電測與傳感器［M］.北京:清華大學出版社，1999.

［11］張琦，李新娥，祖靜.電阻應(yīng)變式傳感器的穩(wěn)定性［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2009，24(5):37-39.Zhang Qi，Li Xine，Zu Jing.Stability of resistance strain-gage transducer［J］.Electro-Optic Technology Application，2009，24(5):37-39.