瀝青路面力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方案研究*

譚振宇 李 浩 許新權(quán) 吳傳海 劉 鋒

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院1) 廣州 510006)(公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)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(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方案研究*

譚振宇1)李 浩2,3)許新權(quán)2,3)吳傳海2,3)劉 鋒2,3)

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院1)廣州 510006)(公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)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(zhǎng)壽命試驗(yàn)路項(xiàng)目為依托，通過對(duì)加強(qiáng)型半剛性基層、碾壓混凝土基層和傳統(tǒng)半剛性基層三種不同瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)隨空間位置變化規(guī)律的分析，并對(duì)影響力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方案的不利斷面、點(diǎn)位、方向及間距4個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，以此為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了瀝青路面力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

道路工程；瀝青路面；力學(xué)響應(yīng)；應(yīng)力應(yīng)變；布置方案

0 引 言

我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)方法采用力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)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(biāo)，同時(shí)驗(yàn)算瀝青層底或基層層底彎拉應(yīng)力[1].然而以此為理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出的道路在通車不久后便出現(xiàn)早期病害，使用壽命遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)壽命.通過鋪筑試驗(yàn)路，監(jiān)測(cè)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)參數(shù)，探索長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)，完善我國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)采集、處理及重載作用下典型路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析方法的研究；董澤蛟等[4-5]開展了瀝青路面三向應(yīng)變響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)的研究.然而，已有研究以經(jīng)驗(yàn)為主來進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器的布置，關(guān)于傳感器數(shù)量和間距設(shè)置等方面并沒有開展相關(guān)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(zhǎng)壽命試驗(yàn)路項(xiàng)目為依托，通過對(duì)三種不同瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)變化規(guī)律的分析，對(duì)影響力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方案的關(guān)鍵因素進(jìn)行深入分析，并以此為理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了瀝青路面力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

1 力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括溫度、濕度、三向應(yīng)變及壓應(yīng)力多個(gè)監(jiān)測(cè)子模塊.本文主要研究應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)子模塊的布置方案，對(duì)溫度濕度監(jiān)測(cè)子模塊僅作簡(jiǎn)單介紹.

溫度、濕度監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)基層和路基的濕度情況，采用PC-2S型溫濕度數(shù)據(jù)采集儀；三向應(yīng)變監(jiān)測(cè)子模塊采用美國(guó)CTL公司生產(chǎn)的電阻應(yīng)變式傳感器和MDD多點(diǎn)位移計(jì)，用于監(jiān)測(cè)路面結(jié)構(gòu)層層底橫向、縱向應(yīng)變和豎向變形；壓應(yīng)力監(jiān)測(cè)子模塊采用BWX型土壓力計(jì)監(jiān)測(cè)路基表面的豎向壓應(yīng)力，采用DH3817F動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集應(yīng)力及應(yīng)變數(shù)據(jù).

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型

采用文獻(xiàn)[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(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算采用BISAR3.0軟件進(jìn)行線彈性計(jì)算，數(shù)據(jù)提取間隔1 cm.

2.2 計(jì)算參數(shù)

云羅高速公路長(zhǎng)壽命試驗(yàn)路項(xiàng)目共鋪筑三種結(jié)構(gòu)試驗(yàn)路，其中，結(jié)構(gòu)一基層為加強(qiáng)型半剛性基層，結(jié)構(gòu)二為碾壓混凝土基層，結(jié)構(gòu)三為傳統(tǒng)半剛性基層.三種路面結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1～3.

2.3 計(jì)算模式

選取通過輪隙中心且平行和垂直行車方向的兩個(gè)斷面進(jìn)行研究，并各選取30個(gè)點(diǎn).為方便起見，將平行和垂直行車方向的兩個(gè)斷面簡(jiǎn)稱為XZ斷面和YZ斷面，兩個(gè)斷面代表了雙圓均布荷載作用下路面結(jié)構(gòu)受力的兩種極限狀態(tài)，將平行和垂直行車方向簡(jiǎn)稱為XX方向和YY方向.對(duì)受力的大小數(shù)值及變化規(guī)律進(jìn)行研究便可得到最不利斷面、最不利的點(diǎn)位、方向及布置間距.計(jì)算點(diǎn)位選取見表4，表中坐標(biāo)數(shù)據(jù)表示距輪隙中心的距離.

表1 結(jié)構(gòu)一路面結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)二路面結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)三路面結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計(jì)參數(shù)

注：*強(qiáng)度為7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；**級(jí)配碎石是松散粒料，不計(jì)算拉應(yīng)力、拉應(yīng)變，但在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)仍給該結(jié)構(gòu)層賦予模量值.

表4 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算取點(diǎn)的X/Y坐標(biāo)分布

3 布置方案關(guān)鍵因素研究

3.1 最不利斷面

通過對(duì)比三種結(jié)構(gòu)YZ斷面和XZ斷面彎沉、關(guān)鍵層層底應(yīng)力應(yīng)變及土基頂面壓應(yīng)變數(shù)據(jù)最大值，可得YZ斷面各指標(biāo)絕對(duì)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(biāo)的變化情況.因篇幅有限，僅列出3種結(jié)構(gòu)彎沉、土基頂面壓應(yīng)變的分布情況，見圖1～2.

圖1 3種結(jié)構(gòu)XZ斷面和YZ斷面彎沉分布

圖2 3種結(jié)構(gòu)XZ斷面和YZ斷面壓應(yīng)變分布

3.2 最不利點(diǎn)位及方向

提取三種結(jié)構(gòu)最不利斷面30個(gè)點(diǎn)位XX和YY兩個(gè)方向沿深度的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，分析其數(shù)值變化規(guī)律以確定最不利點(diǎn)位及方向.因篇幅限制，僅列出最大應(yīng)力應(yīng)變值及其出現(xiàn)的位置，見表5～8.

表5 結(jié)構(gòu)一關(guān)鍵層層底最大應(yīng)力應(yīng)變值及其位置

注：應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值后括號(hào)里的數(shù)值代表其距離輪隙的距離，m.

表6 結(jié)構(gòu)二關(guān)鍵層層底最大應(yīng)力應(yīng)變值及其位置

表7 結(jié)構(gòu)三關(guān)鍵層層底最大應(yīng)力應(yīng)變值及其位置

表8 三種結(jié)構(gòu)土基頂壓應(yīng)變

就關(guān)鍵層應(yīng)力而言，下面層層底最大應(yīng)力出現(xiàn)在距離輪隙0.133 1 m和0.159 8 m處，結(jié)構(gòu)一、三為橫向應(yīng)力，結(jié)構(gòu)二為縱向應(yīng)力；基層底、底基層底最大應(yīng)力均出現(xiàn)在輪隙正下方，且均為縱向應(yīng)力；就關(guān)鍵層應(yīng)變而言，下面層最大應(yīng)變出現(xiàn)在輪隙正下方和距輪隙0.159 8 m處，結(jié)構(gòu)一、三為縱向應(yīng)變，結(jié)構(gòu)二為橫向應(yīng)變；基層底、底基層底最大應(yīng)變均出現(xiàn)在輪隙正下方，且均為縱向應(yīng)變；就路基頂壓應(yīng)變而言，最大壓應(yīng)變均出現(xiàn)在輪隙正下方.

因此，在研究關(guān)鍵層層底力學(xué)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)方案時(shí)，關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在輪隙正下方和輪胎正下方(距輪隙0.159 8 m處)，且應(yīng)監(jiān)測(cè)橫向、縱向兩個(gè)方向的應(yīng)力和應(yīng)變.

3.3 合理間距

三種結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層底應(yīng)力、應(yīng)變距輪隙距離變化見圖3～5，就應(yīng)力而言，面層底應(yīng)力隨距離增加先增加后減小，基層和底基層底應(yīng)力隨距離一直減小，下面層底變化規(guī)律更為復(fù)雜；就應(yīng)變而言，面層底應(yīng)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(yīng)變隨距離一直減小，下面層底變化規(guī)律更為復(fù)雜.應(yīng)力應(yīng)變?cè)?～0.6 m內(nèi)變化幅度大，在0.6～1.2 m內(nèi)變化幅度減小，超過1.2 m后，逐漸趨于平穩(wěn).0～0.6 m內(nèi)應(yīng)變有方向上的改變，應(yīng)變較應(yīng)力變化復(fù)雜.因此，在考慮應(yīng)力應(yīng)變傳感器的合理間距時(shí)，以0.6 m為分界點(diǎn)較為合適.

圖3 結(jié)構(gòu)一關(guān)鍵層層底應(yīng)力、應(yīng)變變化圖

圖4 結(jié)構(gòu)二關(guān)鍵層層底應(yīng)力、應(yīng)變變化圖

圖5 結(jié)構(gòu)三關(guān)鍵層層底應(yīng)力、應(yīng)變變化圖

4 布置方案研究

考慮對(duì)路面結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力監(jiān)測(cè)的難度，本文力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置主要以應(yīng)變傳感器為主，以應(yīng)力傳感器為輔.

由上節(jié)分析可得，在應(yīng)力、應(yīng)變分析中，最不利YZ斷面中應(yīng)關(guān)注輪隙正下方和距輪隙0.159 8 m的點(diǎn)位，且應(yīng)監(jiān)測(cè)XX、YY兩個(gè)方向的應(yīng)力和應(yīng)變.考慮到傳感器施工工藝[6]，應(yīng)變傳感器不宜設(shè)置過密，再次結(jié)合理論分析結(jié)果，確定本次應(yīng)變傳感器設(shè)置間為0.6 m.

表9 試驗(yàn)路傳感器數(shù)量布置數(shù)量列表

注：“無”表示沒有該結(jié)構(gòu)；“-”表示沒有布置傳感器或壓力計(jì).

因篇幅有限，僅以結(jié)構(gòu)一為例，說明傳感器布設(shè)方案.圖6～8給出了電阻應(yīng)變式傳感器現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的橫、縱斷面圖.

“H”型、“I”型傳感器分別測(cè)試縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變，“H”型和“I”型傳感器協(xié)同工作，可完成關(guān)鍵層底兩個(gè)方向應(yīng)變的監(jiān)測(cè)工作.為了確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和完備性，設(shè)置多個(gè)平行測(cè)試斷面，縱向距離為0.6 m.為了分析關(guān)鍵層的應(yīng)變變化特征及規(guī)律，設(shè)置多個(gè)縱向測(cè)試斷面，傳感器橫向距離為0.6 m.MDD多層位移計(jì)沿行車方向布置了兩個(gè).各層底均布置壓應(yīng)力傳感器.溫濕度傳

圖6 底應(yīng)變計(jì)布置方案

感器布設(shè)于相應(yīng)層位的路肩處，用以修正溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果的影響.

圖7 結(jié)構(gòu)一縱剖面圖

圖8 結(jié)構(gòu)一MDD測(cè)點(diǎn)布置方案

5 結(jié) 論

1)YZ平面可以反應(yīng)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的最不利受力狀態(tài)，關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(gè)方向的應(yīng)力和應(yīng)變均有最大值出現(xiàn)，應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè).

2) 應(yīng)力、應(yīng)變?cè)?～-0.6 m內(nèi)變化幅度大，在0.6～1.2 m內(nèi)變化幅度減小，超過1.2 m后，逐漸趨于平穩(wěn).綜合施工工藝及理論分析結(jié)果，傳感器間距設(shè)置為0.6 m.

以此為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了瀝青路面力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)探索長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)，完善瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)交通部.公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)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(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)動(dòng)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.

[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(chǎng)實(shí)測(cè)研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,37(7):46-51.

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

[6]王甲辰,李浩,吳傳海,等.濕熱重載地區(qū)長(zhǎng)壽命瀝青路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)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(yùn)輸廳科技項(xiàng)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(lǐng)域?yàn)闉r青路面力學(xué)計(jì)算