基于五維光纖傳感器的瀝青路面動(dòng)水壓力測(cè)量的研究

呂　棟，胡小弟，周永蓮，王　富

武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

基于五維光纖傳感器的瀝青路面動(dòng)水壓力測(cè)量的研究

呂棟，胡小弟，周永蓮，王富*

武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

基于國內(nèi)外已有的研究成果，介紹了一種自行研發(fā)的五維光纖傳感器，用于測(cè)量瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的動(dòng)水壓力.該傳感器應(yīng)用光纖傳感原理，采用十字梁結(jié)構(gòu)將4個(gè)光纖傳感器固定，并填充水泥混凝土以穩(wěn)定及保護(hù)傳感器.將五維傳感器埋設(shè)于路面，并使之處于飽水狀態(tài).當(dāng)加載車輛以不同速度駛過時(shí)，光纖光柵將傳遞壓應(yīng)變信號(hào)，然后由調(diào)制解調(diào)器接收信號(hào)，即可測(cè)量出動(dòng)水壓力值.實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，動(dòng)水壓力呈正負(fù)壓交替現(xiàn)象，且最大正壓力可達(dá)到0.115 MPa，最大負(fù)壓力達(dá)到0.073 MPa.各方向的動(dòng)水壓力均不相同，但均隨車速遞增.

瀝青路面；五維光纖傳感器；動(dòng)水壓力；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

1　引　言

動(dòng)水壓力是指車輛在運(yùn)動(dòng)過程中路面內(nèi)的水膜不斷被擠壓，并從輪胎兩側(cè)和輪胎花紋間隙排出，于是本來相對(duì)靜態(tài)的水壓在擠壓作用下產(chǎn)生了一個(gè)動(dòng)態(tài)的、瞬時(shí)的水壓力［1］.反復(fù)的動(dòng)水壓力促使了瀝青與集料間的剝離，進(jìn)而引發(fā)瀝青路面水損壞［2］.因此，對(duì)動(dòng)水壓力的研究十分重要.

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)動(dòng)水壓力進(jìn)行過不同程度的研究.動(dòng)水壓力的獲得主要分兩種方法，即為數(shù)值分析法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法.Kettil等［3］通過編制有限元程序來模擬動(dòng)水壓力；張勐等［4］采用FLUENT建立輪胎在橋面行駛的有限元模型，模擬不同行駛速度、不同水膜厚度及不同花紋深度等條件，并計(jì)算橋面的動(dòng)水壓力值；湯濰澤等［5］基于Biot固結(jié)理論，對(duì)實(shí)測(cè)工況下路面情況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)流固耦合分析，定量研究了路面層內(nèi)的動(dòng)水壓力長消規(guī)律；譚憶秋等［6］則基于多孔介質(zhì)理論，建立有限元模型，得出動(dòng)水壓力水荷載周期性作用呈周期性正、負(fù)壓交替；孫立軍等［7］自制電磁式流體壓強(qiáng)傳感器，并發(fā)現(xiàn)動(dòng)水壓力隨行車速度增加而增長；高俊啟等［8］通過自制的單向光纖傳感器實(shí)測(cè)了動(dòng)水壓力，并得出具體的動(dòng)水壓力量值.

本文的試驗(yàn)采用靈敏度高、體積小的布拉格光纖傳感器，并在前、后、左、右和下部5個(gè)方向分別設(shè)置該類型傳感器，即從5個(gè)方向測(cè)量動(dòng)水壓力量值，從而更加準(zhǔn)確地得到動(dòng)水壓力的特點(diǎn)及量值.

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1五維光纖傳感器工作原理

光纖傳感器全稱光纖光柵傳感器，本文采用的布拉格光纖光柵傳感器，其作用原理如圖1所示.其中，Λ為光柵周期，內(nèi)層為纖芯層，外層為包層，纖芯的折射率比包層的折射率稍大，是一種使用較強(qiáng)紫外線激光刻錄在光纖中心的光學(xué)器件，具有波長選擇性能，當(dāng)光波通過光纖光柵時(shí)，達(dá)到臨界條件的波長被反射回來，而其余波長則無損透過，當(dāng)光纖光柵受到物理或機(jī)械特性的變化時(shí)，由于彈光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、熱膨脹等作用，將引起波長變化［9］，通過檢測(cè)該變化，可獲知待測(cè)物理量的變化.將該傳感器埋設(shè)于道路測(cè)量動(dòng)水壓力，通過一個(gè)彈性增敏元件，感知車輛駛過對(duì)路面水的擠壓力，即可實(shí)時(shí)反映動(dòng)水壓力量值.

圖1　光纖光柵工作原理示意圖Fig.1　Schematic diagram of fiber bragg grating

2.2五維傳感器的研制

五維傳感器是指從5個(gè)方向來測(cè)量路面動(dòng)水壓力的傳感器系統(tǒng).而一個(gè)光纖傳感器只能測(cè)量一個(gè)方向的動(dòng)水壓力，這對(duì)研究動(dòng)水壓力的整體情況顯得不足.本試驗(yàn)中的五維傳感器，是基于單維光纖傳感器工作原理，自制夾具從4個(gè)方向各固定一個(gè)光纖傳感器，相對(duì)于車輛行駛方向，則分別是前、后、右（左）、豎4個(gè)方向，來全面的測(cè)量各個(gè)方向的動(dòng)水壓力.其中左方和右方受力對(duì)稱，其動(dòng)水壓力是相等的，故兩側(cè)只需一個(gè)傳感器即可.

光纖傳感器屬于精密儀器，易于損壞，且體積較小，不易固定；而在實(shí)際道路測(cè)量中，需要將傳感器埋設(shè)于路面，接受車輛碾壓及動(dòng)水沖刷.因此在保護(hù)傳感器不受損傷的同時(shí)，還要準(zhǔn)確地測(cè)量出所需數(shù)據(jù)，這就需要采取一定的措施.

為了更好的穩(wěn)固傳感器，并保證傳感器測(cè)試時(shí)不受損傷，本研究采用十字梁五維力傳感器結(jié)構(gòu)，傳感器組件主要由內(nèi)室、外室、固體填充物、連接筒、光纖傳感器等組成.如圖2所示.如圖2（a），內(nèi)室為70 mm×70 mm×70 mm的立體空間，主要用于存水；外室為240 mm×240 mm×210 mm的長方體空間，為整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的外框；連接筒為內(nèi)徑21 mm、外徑23 mm的PVC管，用于連接內(nèi)外室并放置傳感器，內(nèi)外室之間用水泥混凝土澆筑，使整個(gè)傳感器系統(tǒng)更加穩(wěn)定牢固，不會(huì)因?yàn)檐囕v碾壓而遭受破壞，如圖2（b）.

圖2　五維傳感器結(jié)構(gòu)和外形（a）傳感器結(jié)構(gòu)；（b）傳感器外形Fig.2　Structure and shape of the five-dimensional sensors （a）Structure of sensor；（b）Sensor shape

2.3試驗(yàn)設(shè)備

在五維傳感器之外，還需要數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以及試驗(yàn)車輛.數(shù)據(jù)采集設(shè)備為Smart Scan Aero光纖光柵信號(hào)解調(diào)儀，具有高頻掃描頻率和USB存儲(chǔ)功能，適用于各種環(huán)境下的高頻信號(hào)檢測(cè).應(yīng)力傳導(dǎo)至光纖光柵，由光纖光柵反射回的光信號(hào)通過光纖定向耦合器送到波長分析器，然后通過光探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最后由計(jì)算機(jī)作出分析并存儲(chǔ)，并按規(guī)定的格式在計(jì)算機(jī)上顯示出被測(cè)物理量的數(shù)值.

2.4傳感器埋設(shè)

選定試驗(yàn)路段，在路面切割出一個(gè)比五維傳感器組件略大的空間，使儀器頂面與路面平齊，并預(yù)留光纖通過管道.在傳感器組件的中間槽注滿水，保持充盈狀態(tài)，車輪駛過時(shí)，輪胎可對(duì)槽內(nèi)水施加擠壓力，如圖3所示.

圖3　傳感器埋設(shè)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Fig.3　Photographs of the embedding sensor and testing on the spot

3　結(jié)果與討論

加載車輛分別以40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h等不同的速度，駛過埋設(shè)的測(cè)試設(shè)備上方.圖4是加載車速度為80 km/h時(shí)各方向動(dòng)水壓力的測(cè)量值.

圖4　車速為80 km/h時(shí)動(dòng)水壓力趨勢(shì)Fig.4　Variation of dynamic water pressure at the vehicle speed of 80 km/h

由圖4可以看出：

1）圖形有兩個(gè)連續(xù)波動(dòng)，分別是前輪和后輪駛過造成的.第一個(gè)波動(dòng)比第二個(gè)波動(dòng)幅度大，說明汽車在快速行駛的時(shí)候，前輪沖擊水膜造成的動(dòng)水壓力，要高于后輪的作用.

2）動(dòng)水壓力呈正負(fù)壓交替進(jìn)行，說明車輛行駛在積水路面時(shí)，除了正面沖刷之外，在駛離時(shí)還會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生泵吸作用.在加載初期，動(dòng)水壓力快速增長，達(dá)到峰值，之后車輪駛離，荷載卸去，動(dòng)水壓力減小，但由于泵吸作用，導(dǎo)致動(dòng)水壓力呈負(fù)向.

3）圖像顯示各方向的動(dòng)水壓力變化規(guī)律相似，但具體量值不同，說明車輛駛過積水路面時(shí)，路面各方向均會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，且都是先增大后減小并呈正負(fù)壓交替形式，但不同方向的壓力大小不同.

為了對(duì)比不同車速下的動(dòng)水壓力規(guī)律，需要得出具體的動(dòng)水壓力測(cè)試結(jié)果.不同速度時(shí)各方向的動(dòng)水壓力峰值如表1所示.

表1　不同速度時(shí)各方向動(dòng)水壓力峰值Tab.1　Peak values of dynamic water pressure in different directions under different vehicle speeds

從表1可以看出：

1）當(dāng)車速不同時(shí)，同一方向的動(dòng)水壓力不同，且正向和負(fù)向動(dòng)水壓力均隨著車速增加而增大；

2）當(dāng)車速相同時(shí)，不同方向的正壓力大小順序均為后＞右＞豎＞前，負(fù)壓力大小順序均為前＞豎＞右＞后，正負(fù)壓力在不同方向的變化順序恰好相反；也就是說，車輛快速行駛產(chǎn)生的正向動(dòng)水壓力，并不是豎直方向的量值最大，而是車輛行駛方向的反方向量值最大；車輛快速行駛產(chǎn)生的負(fù)向動(dòng)水壓力，也不是豎直方向的量值最大，而是車輛行駛方向的量值最大；

3）從量值上看，動(dòng)水壓力的正壓力值和泵吸負(fù)值，在速度相對(duì)較低時(shí)，如40 km/h和60 km/h，泵吸負(fù)值略高正壓力值；而當(dāng)速度較高時(shí)，如80 km/h和100 km/h，盡管泵吸負(fù)值低于正壓力值，但其量值依然顯著.因此分析動(dòng)水壓力對(duì)瀝青混合料的影響時(shí)，不僅僅要考慮其正壓力值，還要考慮其泵吸負(fù)值.

4　結(jié)語

本研究通過自制的五維傳感器，測(cè)量了不同車速條件下路面前、后、左、右和下部5個(gè)方向的動(dòng)水壓力，得到如下結(jié)論：

1）研發(fā)的五維光纖傳感器可有效地測(cè)量出路面5個(gè)方向的動(dòng)水壓力；

2）動(dòng)水壓力呈正負(fù)壓交替進(jìn)行，即車輪駛?cè)霑r(shí)為壓應(yīng)力，產(chǎn)生動(dòng)水正向壓力，輪胎駛離時(shí)產(chǎn)生泵吸負(fù)壓力.從量值的大小來看，泵吸負(fù)壓力不能忽略.

3）5個(gè)方向的動(dòng)水壓力均隨車速增加而增大；而車速一定時(shí)，不同方向的動(dòng)水壓力大小各不相同，且沿著行車反方向的動(dòng)水正壓力值，要高于豎直方向的值；沿著行車方向的動(dòng)水泵吸負(fù)壓力值，也要略高于豎直方向的泵吸負(fù)壓值.

［1］孫立軍，張宏超，胡小弟，等.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］ 沙慶林.高速公路瀝青路面早期損壞與對(duì)策［J］.長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，3（3）：1-6. SHA Q L.The premature damage of bituminous pavement on expressway and the countermeasures［J］.Journal of Changsha university of science and technology （Natural science），2006，3（3）：1-6.

［3］KETTIL P，ENGSTROM G，WIBERG N E.Coupled hydro-mechanical wave propagation in road structures ［J］.Computers and structures，2005，83（21）：1719-1729.

［4］張勐，錢振東，許靜，等.鋼橋面鋪裝表面動(dòng)水壓力仿真分析［J］.公路，2016，3（3）：43-46. ZHANG M，QIAN Z D，XU J，et al.Numerical simulation of hydrodynamic pressure on steel bridge deck pavement［J］.Highway，2016，3（3）：43-46.

［5］湯濰澤，歐金秋，崔新壯，等.車載引起的瀝青路面內(nèi)動(dòng)水壓力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2015，45（6）：84-90. TANG W Z，OU J Q，CUI X Z，et al.Field test and research on vehicle load induced dynamic pore pressure in asphalt pavement［J］.Journal of Shandong university （Engineering science），2015，45（6）：84-90.

［6］ 郭乃勝，譚憶秋，趙穎華.動(dòng)荷載下飽水瀝青路面黏彈性分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2012（2）：184-190. GUO N S，TAN Y Q，ZHAO Y H.Viscoelastic analysis of saturated asphalt pavement subjected to dynamic load ［J］.Chinacivil engineeringjournal，2012（2）：184-190.

［7］ 李少波，張宏超，孫立軍.動(dòng)水壓力的形成與模擬測(cè)量［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35（7）：915-918. LI S B，ZHANG H C，SUN L J.Development and simulation measurement of dynamic hydraulic pressure［J］. Journal of Tongji university（Natural science），2007，35 （7）：915-918.

［8］蔣澤民，高俊啟，季天劍，等.壓電傳感器測(cè)量路面動(dòng)水壓力研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（4）：17-19. JIANG Z M，GAO J Q，JI T J，et al.Research on piezoelectric sensor measuring pavement hydrodynamic pressure［J］.Transducer and microsystem technologies，2012，31（4）：17-19.

［9］ 錢亮，黃延，孫嬌娜.基于光纖光柵的路面動(dòng)水壓力測(cè)量試驗(yàn)研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（26）：1-2.

本文編輯：龔曉寧

Measurement of Dynamic Water Pressure of Asphalt Pavement by Five-Dimensional Optical Fiber Sensor

LYU Dong，HU Xiaodi，ZHOU Yonglian，WANG Fu*
School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

Based on domestic and foreign studies，a method used for measuring the dynamic water pressure of asphalt pavement by five-dimensional optical fiber sensor was proposed.According to the sensing principl，a five dimensional fiber optic sensor was prepared by fixing four optical fiber sensors on a crossbeam.In addition，the concrete cement was used to stabilize and protect the sensor.Test of dynamic water pressure was conducted by embedding the sensor in the asphalt pavement，which was kept in water-saturated state.When the vehicles passed the test section at different speeds，the signals of compressive strain could be transferred to the modulator demodulator by the fiber grating.Therefore，the dynamic water pressure in different directions could be collected during the whole process.It can be concluded that dynamic water pressure presents a continuing exchanging process of positive and negative pressure.The maximum positive pressure is about 0.115 MPa and the maximum negative pressure is about 0.073 MPa.The dynamic water pressure in all directions varies much，but it all increase with the increase of the vehicle speed.

asphalt pavement；five-dimensional optical fiber sensor；dynamic water pressure；field measurement

U415

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.03.013

1674-2869（2016）03-0268-05

2016-03-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51278389）；湖北省交通廳科技項(xiàng)目（2013-731-1-3）；武漢市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014010202010098）

呂棟，碩士研究生.E-mail：977953443@qq.com

王富，博士，副教授.E-mail：wangfu@wit.edu.cn