沥青路面力学响应监测系统布置方案研究*

谭振宇 李 浩 许新权 吴传海 刘 锋

(广州大学土木工程学院1) 广州 510006)(公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心2) 广州 510420)(广东华路交通科技有限公司3) 广州 510420)

沥青路面力学响应监测系统布置方案研究*

谭振宇1)李 浩2,3)许新权2,3)吴传海2,3)刘 锋2,3)

(广州大学土木工程学院1)广州 510006)(公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心2)广州 510420)(广东华路交通科技有限公司3)广州 510420)

以广东省云罗高速公路长寿命试验路项目为依托，通过对加强型半刚性基层、碾压混凝土基层和传统半刚性基层三种不同沥青路面结构应力-应变响应随空间位置变化规律的分析，并对影响力学响应监测系统布置方案的不利断面、点位、方向及间距4个关键因素进行分析，以此为理论基础，设计了沥青路面力学响应监测系统.

道路工程；沥青路面；力学响应；应力应变；布置方案

0 引 言

我国现行沥青路面设计方法采用力学-经验法，采用双圆垂直荷载作用下的弹性层状体系，以弯沉为控制指标，同时验算沥青层底或基层层底弯拉应力[1].然而以此为理论基础设计出的道路在通车不久后便出现早期病害，使用寿命远小于设计寿命.通过铺筑试验路，监测路面结构内部力学参数，探索长寿命沥青路面结构，完善我国沥青路面结构设计理论及方法，是解决目前沥青路面早期破坏的途径之一.

韦金城等[2-3]开展了沥青层应变传感器数据采集、处理及重载作用下典型路面结构动态数据分析方法的研究；董泽蛟等[4-5]开展了沥青路面三向应变响应现场实测系统的研究.然而，已有研究以经验为主来进行力学响应监测系统中传感器的布置，关于传感器数量和间距设置等方面并没有开展相关研究和论证，缺乏理论支撑.

因此，本文以广东省云罗高速公路长寿命试验路项目为依托，通过对三种不同沥青路面结构力学响应变化规律的分析，对影响力学响应监测系统布置方案的关键因素进行深入分析，并以此为理论基础设计了沥青路面力学响应监测系统.

1 力学响应监测系统介绍

监测系统包括温度、湿度、三向应变及压应力多个监测子模块.本文主要研究应力、应变监测子模块的布置方案，对温度湿度监测子模块仅作简单介绍.

温度、湿度监测子模块采用PTWD-2A型埋置式热电偶温度传感器，采用TDR-3型湿度探针监测基层和路基的湿度情况，采用PC-2S型温湿度数据采集仪；三向应变监测子模块采用美国CTL公司生产的电阻应变式传感器和MDD多点位移计，用于监测路面结构层层底横向、纵向应变和竖向变形；压应力监测子模块采用BWX型土压力计监测路基表面的竖向压应力，采用DH3817F动态数据采集仪采集应力及应变数据.

2 计算模型

2.1 计算模型

采用文献[1]的双圆均布荷载，作用半径为10.65 cm，荷载圆中心间距31.95 cm，荷载0.707 MPa.路面结构力学响应计算采用BISAR3.0软件进行线弹性计算，数据提取间隔1 cm.

2.2 计算参数

云罗高速公路长寿命试验路项目共铺筑三种结构试验路，其中，结构一基层为加强型半刚性基层，结构二为碾压混凝土基层，结构三为传统半刚性基层.三种路面结构及其设计参数见表1～3.

2.3 计算模式

选取通过轮隙中心且平行和垂直行车方向的两个断面进行研究，并各选取30个点.为方便起见，将平行和垂直行车方向的两个断面简称为XZ断面和YZ断面，两个断面代表了双圆均布荷载作用下路面结构受力的两种极限状态，将平行和垂直行车方向简称为XX方向和YY方向.对受力的大小数值及变化规律进行研究便可得到最不利断面、最不利的点位、方向及布置间距.计算点位选取见表4，表中坐标数据表示距轮隙中心的距离.

表1 结构一路面结构型式及设计参数

表2 结构二路面结构型式及设计参数

表3 结构三路面结构型式及设计参数

注：*强度为7天无侧限抗压强度设计值；**级配碎石是松散粒料，不计算拉应力、拉应变，但在结构计算时仍给该结构层赋予模量值.

表4 路面结构力学计算取点的X/Y坐标分布

3 布置方案关键因素研究

3.1 最不利断面

通过对比三种结构YZ断面和XZ断面弯沉、关键层层底应力应变及土基顶面压应变数据最大值，可得YZ断面各指标绝对值均大于XZ断面.因此，以YZ断面为最不利断面，仅讨论YZ断面各指标的变化情况.因篇幅有限，仅列出3种结构弯沉、土基顶面压应变的分布情况，见图1～2.

图1 3种结构XZ断面和YZ断面弯沉分布

图2 3种结构XZ断面和YZ断面压应变分布

3.2 最不利点位及方向

提取三种结构最不利断面30个点位XX和YY两个方向沿深度的应力应变数据，分析其数值变化规律以确定最不利点位及方向.因篇幅限制，仅列出最大应力应变值及其出现的位置，见表5～8.

表5 结构一关键层层底最大应力应变值及其位置

注：应力应变数值后括号里的数值代表其距离轮隙的距离，m.

表6 结构二关键层层底最大应力应变值及其位置

表7 结构三关键层层底最大应力应变值及其位置

表8 三种结构土基顶压应变

就关键层应力而言，下面层层底最大应力出现在距离轮隙0.133 1 m和0.159 8 m处，结构一、三为横向应力，结构二为纵向应力；基层底、底基层底最大应力均出现在轮隙正下方，且均为纵向应力；就关键层应变而言，下面层最大应变出现在轮隙正下方和距轮隙0.159 8 m处，结构一、三为纵向应变，结构二为横向应变；基层底、底基层底最大应变均出现在轮隙正下方，且均为纵向应变；就路基顶压应变而言，最大压应变均出现在轮隙正下方.

因此，在研究关键层层底力学响应的监测方案时，关键监测点位在轮隙正下方和轮胎正下方(距轮隙0.159 8 m处)，且应监测横向、纵向两个方向的应力和应变.

3.3 合理间距

三种结构关键层底应力、应变距轮隙距离变化见图3～5，就应力而言，面层底应力随距离增加先增加后减小，基层和底基层底应力随距离一直减小，下面层底变化规律更为复杂；就应变而言，面层底应变随距离增加先减小后增加再次逐渐减小，基层和底基层底应变随距离一直减小，下面层底变化规律更为复杂.应力应变在0～0.6 m内变化幅度大，在0.6～1.2 m内变化幅度减小，超过1.2 m后，逐渐趋于平稳.0～0.6 m内应变有方向上的改变，应变较应力变化复杂.因此，在考虑应力应变传感器的合理间距时，以0.6 m为分界点较为合适.

图3 结构一关键层层底应力、应变变化图

图4 结构二关键层层底应力、应变变化图

图5 结构三关键层层底应力、应变变化图

4 布置方案研究

考虑对路面结构层层底应力监测的难度，本文力学响应监测系统的布置主要以应变传感器为主，以应力传感器为辅.

由上节分析可得，在应力、应变分析中，最不利YZ断面中应关注轮隙正下方和距轮隙0.159 8 m的点位，且应监测XX、YY两个方向的应力和应变.考虑到传感器施工工艺[6]，应变传感器不宜设置过密，再次结合理论分析结果，确定本次应变传感器设置间为0.6 m.

表9 试验路传感器数量布置数量列表

注：“无”表示没有该结构；“-”表示没有布置传感器或压力计.

因篇幅有限，仅以结构一为例，说明传感器布设方案.图6～8给出了电阻应变式传感器现场布设的横、纵断面图.

“H”型、“I”型传感器分别测试纵向应变、横向应变，“H”型和“I”型传感器协同工作，可完成关键层底两个方向应变的监测工作.为了确保测试结果的准确性和完备性，设置多个平行测试断面，纵向距离为0.6 m.为了分析关键层的应变变化特征及规律，设置多个纵向测试断面，传感器横向距离为0.6 m.MDD多层位移计沿行车方向布置了两个.各层底均布置压应力传感器.温湿度传

图6 底应变计布置方案

感器布设于相应层位的路肩处，用以修正温度对应变测量结果的影响.

图7 结构一纵剖面图

图8 结构一MDD测点布置方案

5 结 论

1)YZ平面可以反应整个路面结构的最不利受力状态，关键监测点位在轮隙正下方和轮胎正下方(距轮隙0.159 8 m处)，横向、纵向两个方向的应力和应变均有最大值出现，应同时监测.

2) 应力、应变在0～-0.6 m内变化幅度大，在0.6～1.2 m内变化幅度减小，超过1.2 m后，逐渐趋于平稳.综合施工工艺及理论分析结果，传感器间距设置为0.6 m.

以此为理论基础，设计了沥青路面力学响应监测系统，对探索长寿命沥青路面结构，完善沥青路面结构设计理论及方法，解决沥青路面早期破坏问题提供参考.

[1]中华人民共和国交通部.公路沥青路面设计规范:JTG D50—2006[S].北京:人民交通出版社,2006.

[2]韦金城,王林,DAVID H T.沥青层应变传感器数据采集及处理方法研究[J].公路工程,2009,34(2):45-46.

[3]杨永顺,王林,韦金城,等.重载作用下典型路面结构动态响应数据采集与分析[J].公路交通科技,2010,27(5):11-16.

[4]董泽蛟,柳浩,谭忆秋,等.沥青路面三向应变响应现场实测研究[J].华南理工大学学报(自然科学版),2009,37(7):46-51.

[5]董泽蛟,曹丽萍,谭忆秋,等.移动荷载作用下沥青路面三向应变动力响应模拟分析[J].土木工程学报,2009,42(4):133-139.

[6]王甲辰,李浩,吴传海,等.湿热重载地区长寿命沥青路面动态响应实测系统研究[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

*广东省交通运输厅科技项目资助(2012-02-011)

U416

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.034

谭振宇(1992—)：男，硕士生，主要研究领域为沥青路面力学计算