基于传感器监测的柔性基层沥青路面合理性论证

张艳红　王晓帆

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室1)　西安　710064)

(中国公路工程咨询集团有限公司2)　北京　100097)　(中咨华科交通建设技术有限公司3)　北京　100097)



基于传感器监测的柔性基层沥青路面合理性论证

张艳红1,2)王晓帆2,3)

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室1)西安710064)

(中国公路工程咨询集团有限公司2)北京100097)(中咨华科交通建设技术有限公司3)北京100097)

摘要：作为一种新型的沥青路面，柔性基层沥青路面一直因力学状况与实际的吻合性不明确而使应用受阻.以广州某工程为依托，选取三种典型的柔性基层沥青路面，采用Bisar 3.0与Matlab7.0相结合，全面分析路面的受力状况，并通过在现场埋设应变片，实时监测路面应力水平并与理论计算结果相对比.结果表明：轮隙中心是柔性路面弯拉应力与弯拉应变的峰值所在点；面层层底为柔性路面高弯拉响应的集中层位，面层顶部为结构受剪高峰；现场实测的试验路湿度数据与室内试验的含水量、密度结果相关性好；室外应力检测数据与室内计算结果的规律吻合、数量级相同，实际验证了理论计算结果.

关键词：道路工程；柔性路面；传感器；弯拉应变；剪应力

张艳红(1985- )：女，博士生，主要研究领域为工程结构与力学

0引言

早在1987年9月召开的第18届世界道路会议上，许多学者普遍认为半刚性路面表面的裂缝是半刚性基层引起的反射裂缝.至此，许多国家就开始对柔性基层进行了深入研究和应用.柔性基层主要有半开级配大粒径沥青碎石混合料LSM、密级配沥青稳定碎石基层混合料、半开级配或开级配的排水沥青碎石混合料基层、级配碎石等.在国内，由于经济基础及技术基础的水平所限，长期以来，各级公路大多是用半刚性材料修筑路面基层和底基层.关于柔性基层材料的应用研究近2年来才逐渐得到人们的重视，在实际工程中的应用仍是空白，仅有个别单位进行过室内试验研究和铺筑过试验段[1-3].虽然柔性路面在欧美发达国家均已得到了理论与实践的论证，但在我国，国内现有的大多数研究仅仅是停留在理论层面上，对实体工程的研究也大多只是进行了普通的路况监测，柔性路面在理论上的优越性并没有真正在工程实体中被论证.据此，文中将以广州某工程为依托，从理论上分析柔性路面的受力特点，通过在现场埋设应变片，实时监测路面应力水平并与理论计算结果相对比，将理论研究与现场监测相结合，为柔性基层沥青路面的实际应用提供参考.

1理论计算与分析

1.1计算说明

1.1.1路面结构方案

选取3个代表性的柔性路面方案,见表1～3.

表1　柔性路面方案1及材料参数

1.1.2车轮荷载

为了与现行规范设计条件相匹配，车轮荷载采用标准轴载100 kN，荷载半径10.65 cm，双轮中心距15.975 cm.层间条件采用完全连续[4].

表2　柔性路面方案2及材料参数

表3　柔性路面方案3及材料参数

1.2力学响应分析

以Bisar3.0为工具，采取路面全深度范围加密计算的模式，考虑层间完全连续条件，计算柔性路面在路面结构厚度范围内的主要力学响应分布.

1.2.1弯拉应变

国外理论-经验设计法中，混合料的疲劳性及混合料在路面结构中的受力状态是判断道路使用寿命的理论基础.沥青混合料疲劳极限的提出从根本上解释了长寿命沥青路面存在的机理.疲劳极限是指：当作用于沥青混合料的拉应变小于某一数值时，混合料能够承受无限次荷载作用，相应的拉应变值被称为疲劳极限.面层的弯拉应变水平高低可间接反映路面结构产生疲劳开裂的可能性.因此，借鉴国外沥青路面的设计理念，文中以面层的最大拉应变作为评判指标[5].

汇总各结构方案的面层最大弯拉应变见表4.各方案在道路横断面与行车方向的弯拉应变空间三维分布图见图1.

表4　柔性路面方案面层最大拉应变计算结果

图1　柔性路面弯拉应变三维分布图

1) 由表4可见，各方案的结构最大拉应变均集中在面层层底的轮隙中心处，这主要是由于3个方案在结构组合设置上的部分相似性：沥青面层或沥青处治层下直接铺筑级配碎石基层.可见，对于柔性方案而言，面层与级配碎石基层界面将成为结构高弯拉应变层位，级配碎石层与沥青混合料层的刚度迥异使得基面结合面的应变水平骤增.由于本次计算采用的是动态模量，因而计算出的结构应变水平总体不高，且各方案之间相差不大.

2) 从结构最大拉应变出现的位置来看，各方案在面层底出现结构弯拉应变峰值，而基层处于较低的弯拉应变水平.而国外柔性路面一般采用面层拉应变指标作为设计控制，因而仅从应变控制的角度上讲，3个结构方案的破坏模式将是自上而下，而非源于基层破坏引起的结构性破坏，维修和养护较为方便.路面可通过定时的养护来保持在较长的使用寿命周期内维修较高的使用性能.

3) 由图1可见，3个方案在道路空间中的弯拉应变分布图总体上较为相似，曲面均是呈较为平滑的分布，仅在面层层底时拉应变达到顶峰而形成一个突起的棱面.具体来讲，路面在路表往下的上层深度内承受压应变，随着深度的递推，应变逐渐过渡为拉应变，且沿深度递增，最后于基面结合处达到拉应变峰值.在基层深度范围内，结构承受较为平稳的拉应变水平，大小随深度递增呈先减小后增加的趋势，但总体变化幅度较小.

1.2.2弯拉应力

长期以来，我国一直以沥青层及半刚性材料层底的拉应力作为设计指标，以防止层底疲劳开裂的产生.本研究另以结构最大拉应力作为比选指标，以反映各结构弯拉应力分布状态.汇总各结构方案的结构最大弯拉应力见表5.各方案在道路横断面与行车方向的弯拉应力空间三维分布图见图2.

为了更清楚地反映各个方案在各个结构层底的弯拉应力水平的变化情况，也便于与后期现场埋设的应力数据进行对比，在此列出各方案在各结构层底的弯拉应力值，见表6.

表5　柔性路面结构最大弯拉应力计算结果

图2　柔性路面弯拉应力三维分布图

表6　柔性路面结构各层层底弯拉应力分布情况表

1) 由表5知，各方案均在靠近面层层底的轮隙中心处出现了结构的最大弯拉应力，而非在基层部分，可见无论从弯拉应力或者弯拉应变的角度控制，3个方案均符合国外长寿命路面的设计理念，即把路面破坏控制在路表一定深度，不需对结构进行大中修，保持路面长期路用性能.

2) 就各方案比较而言，方案1的结构拉应力水平最低，这主要是由于方案1设置了40 cm的沥青面层，而面层作为结构拉应力的主要承担层位，较厚的面层有力地削弱了结构的拉应力水平.其余两个方案的面层厚度虽然也是30 cm以上，但是对拉应力的消散作用远不如方案2明显.

3) 由图2可知，与弯拉应变的分布不同，3个方案的弯拉应力分布图在曲面中部有一个明显的突变和转折，且突变的位置位于靠近面层层底处.结构从路表往下承受一定范围的拉压交替，当完全转为拉应力后，其大小随深度延伸而增加，最终于靠近面层层底的深度处达到了结构弯拉应力的峰值.随后应力实现骤变，由应力峰值转为基层上部的压应力，亦即基层承受的是上压下拉的应力状态.具体来讲，在基层范围内，结构的应力先由压应力过渡为拉应力，随后应力逐渐增大，当达到级配碎石基层层底时，基层应力达到峰值，但该峰值远小于结构面层出现的应力峰值.达垫层后，结构拉应力呈减小趋势.

综上，从弯拉应力分布图上可以很明显地看出，面层层底为柔性路面承受高弯拉应力的集中层位.在车辆荷载的反复作用下，结构由于极限抗弯拉强度不足而引起的疲劳开裂首先将在面层层底产生，而非基层层底.这对于路面后期的维修养护是极为有利的[6-12].

1.2.3剪应力

面层为结构剪应力主要承担区域.文中以3个柔性路面的面层最大剪应力反映结构受剪水平高低，计算结果见表7.绘出3个柔性路面方案的三维剪应力分布见图3.

表7　柔性路面结构最大剪应力计算结果

1) 由表7可见，3个柔性路面方案的最大剪应力均出现于路表距轮隙中心约3.2 cm的位置处.可见对于柔性路面而言，在层间连续的条件下，路表为结构高受剪区域，因此该类路面对于表面层的抗剪切、抗推移性能要求极高，这与国外长寿命沥青路面的设计理念是一致的，即采用高性能的抗磨耗层作为表面层，以满足路表高抗剪、抗滑要求.

图3　柔性路面剪应力三维分布图

2) 由图3可见，柔性路面在荷载主要影响宽度范围内的剪应力分布并没有呈较规则变化.具体来讲，轮隙中心附近的路表承担了结构的极高剪应力，随后剪应力沿深度延伸先减小后增大，直至达到面层层底，剪应力达到次峰值.从曲面上看，在基面结合处，剪应力出现了骤降，并在基层范围内持续呈衰减趋势.可见，基层范围的剪应力已削弱至较小，面层顶部才是柔性路面在设计中应考虑的主要抗剪区域.

1.3结构力学特征综合分析

1) 方案1路面总厚度达100 cm，其中在力学上占绝对主导的面层厚度有40 cm.在面层的设置上，根据各层位的功能选择了3个粒径相异的沥青混合料作为主要的应力消散层，并在其下设置双层厂拌沥青处治层来弥补柔性基层刚度及强度上的不足.沥青处治层模量介于面层及基层之间，其设置大大优化了结构的受力，可以有效地避免因面基层刚度差异过大而在面层层底产生过大的弯拉应力及应力，从而实现各结构层的协同受力.就力学响应而言，方案2的弯拉应力与弯拉应变高峰均集中于沥青处治层与级配碎石层界面.与其他方案相比，该方案由于设置了较厚的面层，使得结构整体的弯拉应力水平较低.

2) 方案2的路面总厚度也是100 cm，但面层厚度较薄，仅有34 cm.该方案采用了四层混合料作为沥青面层，充分保证了结构承载和受力的需要.基层采用的是3层17 cm的级配碎石，一方面是考虑到施工压实厚度的需要，另一方面经过结构验算，西二环交通压力较大，必须采用足够厚度的级配碎石来使结构满足受力要求.就本文计算的弯拉响应来看，由于级配碎石层与沥青面层的模量差异较大，因此反映到力学响应上表现为面层层底的弯拉应力水平较高，明显高于方案1.结构弯拉应变却由于面层的优化设计而达到了较低的水平.

3) 方案3是3个方案中总厚度最薄的结构.其路面总厚度为91 cm，其中面层厚度达36 cm，能很好起到消散荷载的作用.具体来讲，面层上部采用的是两层普通的沥青混合料，其下设置了2层大粒径沥青碎石，一方面起到抗疲劳、抗车辙、抗变形的作用，另一方面也能在沥青混合料层与级配碎石层之间起到一个材料与力学的过渡，在2种刚度迥异的结构层之间形成一种缓冲，保证路面的整体受力协调性.在基层的设置上，该方案采用了双层20 cm的级配碎石层，主要是考虑到避免多层施工容易引起的层间不连续接触，导致路面受力恶化.就力学响应而言，方案3的弯拉响应均介于方案1与方案2之间，总体上受力较均衡.

2路面性能监测与力学验证

3个试验路方案分别铺筑于不同路段，进行路面性能监测，从而与室内理论分析结果进行对比.其中：方案1铺设于A段，方案2铺设于B段，方案3铺设于C段.

2.1传感器布设方案

对柔性路面结构进行长期性能观测，在基层底面和土基顶面埋设相应的传感器设备，测定该位置处的应力情况.考虑到环境因素对路面结构的影响，在沥青混凝土面层深度范围内埋设温度传感器，在土基内部埋设湿度传感器，测定面层深度范围内的温度场以及土基内部的湿度状况.

2.1.1土压力计

在土基顶面和上基层顶面各埋设一个土压力计，测定相应结构层顶面的压应力.压力计位于应变计阵列的中心延长线上，距离阵列中心2 m以上，见图4.

图4　土压力计平面布置示意图

2.1.2温度传感器

传感器埋设在硬路肩中心线上，温度传感器布置见图5.

图5　温度传感器埋设方案

2.1.3湿度传感器

在每种路面结构的土基内埋设一个探针，探针分别在10，30，50 cm处各设置一个传感器(共3个)，埋设在外车道中心线上.

2.2传感器工作测试

试验路施工完成后，对各传感器进行了现场数据采集，检验传感器的成活情况.温度和湿度传感器由CR800数采自动采集，应力应变数据用DI785进行采集.其中，温度计以及土体压力计全部正常工作，成活率为100%，方案2所在B段落的湿度传感器在工作2个月后发生故障，成活率为75%.

2.3室内外数据对比与分析

2.3.1温湿度数据

湿度数据见表8，由于湿度的日变化很小，表中只给出了1 d中某一时刻的值.由表8可见，3段试验路传感器测得的体积含水量均在20%～40%之间.而室内试验结果表明的路基土的质量含水量为9.5%～18%，密度为1.9～2.2 g/cm3，换算为体积含水量为18%～39.6%，相关性较好.另外，3种结构土基不同深度的湿度分布情况不尽相同，由以下一些因素造成.

1) 各试验段路基材料与高程不同.A，B段高度相同，C段路基顶面回填了9 cm的石屑，D段路基顶面回填了11 cm的石屑.

2) 各试验段填土不同.方案1处于挖填交界处，方案2为挖方，方案3段均为填方.各试验段土基均分层压实，不同深度的土质也不尽相同.

3) 3个段落的路面结构均不相同，其中C段为大粒径碎石，渗水能力最强.

4) B段在基层施工过程中，曾出现湿度传感器内部元件被振松，挖开后进行了重新安置，因此对靠近路基顶面位置的湿度有一定影响.

表8　各试验段不同深度的体积含水量

3段试验路的温度变化规律一致.以B段日温度变化为例，见图6.从图中可以看出，约靠近路表温度变化越明显：凌晨5:00达到最低值，14:30达到最高值；随深度增加温度变化幅度减小，变化相位滞后；当太阳辐射减弱，路面开始放热时，路表温度将低于路面内部的温度.

图6　方案2不同深度的温度日变化

2.3.2应力数据

将试验路通车1 a后的现场检测数据与前期室内理论计算结果进行对比汇总见表9.

表9　各试验段应力应变读数

由表9可见：

1) 室内的计算结果明显偏小，而室外传感器监测的数据，但二者在同一个数量级上，这说明室外的监测数据是较为可靠的.分析二者区别的原因，这主要是由于在室内计算时假设的层间条件为完全连续接触，材料参数也取的是动态参数，因此计算条件较理想；而室外的监测数据则受到传感器埋设、温湿度、层间接触、施工工艺等各方面条件的影响，因此实际条件较为恶劣，不可能达到室内理想状态下的数值，总体数据偏大；

2) 就各段对比而言，无论是理论值还是实测值，3个路段的土基顶面压应力与上基层顶面压应力水平排序均为C段>A段>B段.可见理论与实测反映出来的各路段的应力水平高低的规律是一致的，这也从侧面反映实测数据与理论数据在变化规律上的一致性.

3) 单就实测数据而言，土基顶面的压应力均大于基层顶面，这是由于土基顶面的压力计要多承受级配碎石基层或半刚性基层的自重作用，上层结构的施工碾压也可能对其产生一定的影响；而实测数据中土基顶面压应力与上基层顶面压应力的相对大小则没有规律.

4) 由理论计算知，柔性路面在面层层底处的弯拉应力最大.而实测显示该层位的应力水平并没有计算结果高，由此可知，柔性路面的实际力学分布特征与理论计算是有一定差别的，但这种差别是由计算中的各种假设条件造成的.

综上，考虑到现场实测条件的变异性，室内外应力水平存在差异是可以接受的.从各段数据变化规律、数值数量级等角度来看，室外监测的应力数据是可以作为室内计算结果的验证.实测结果显示3个柔性结构的面层层底应力水平并不高，因此可见由于级配碎石层与沥青混合料层材料刚度差异引起的面层层底疲劳破坏并不会很快发生，柔性路面较其他类型路面的优越性得到体现.

3结论

1) 柔性路面面层层底的轮隙中心处是结构弯拉应力与弯拉应变的峰值所在点位.因此从受力的角度上讲，要求该层具有优良的抗疲劳性，能抵抗车辆荷载重复作用而不产生疲劳开裂.

2) 柔性路面的最大剪应力出现于路表距轮隙中心约3.2 cm的位置处，面层层底为剪应力次峰值承担区域.

3) 面层顶部是柔性路面在设计中应考虑的主要抗剪区域.

4) 柔性路面弯拉应力分布特点为：在面层顶部及基层上部，结构实现由受压转为受拉的拉压过渡，随后拉应力沿深度延伸而递增，并于面层层底达弯拉应力峰值，基层层底达拉应力次峰值.

5) 柔性路面的面层层底为结构高弯拉响应的集中层位，面层顶部则为结构受剪高峰，因此柔性路面的破坏模式为自上下的形式，即把路面破坏控制在路表一定深度，不需对结构进行大中修，即可保持路面长期路用性能.

6) 现场实测的试验路湿度数据与室内试验的含水量与密度结果相关性较好.

7) 由于室内计算条件的理想化，考虑到现场实测条件的变异性及限制，室外实测土基及基层应力水平明显较室内计算结果大.考虑到现场实测条件的变异性，室内外应力水平存在差异是可以接受的.

8) 室内外的各路段数据变化规律一致、数值处于同一数量级上，室外监测的应力数据可较好地印证室内计算的结果.

参 考 文 献

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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

中图法分类号：U416.2