動(dòng)載作用下半剛性基層瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值模擬

張　靜，魏連雨，馬士賓，王　濤

(1.河北工業(yè)大學(xué)　土木與交通學(xué)院，天津　300401；2.天津市建筑科學(xué)研究院，天津　300193)

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動(dòng)載作用下半剛性基層瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值模擬

張靜1，魏連雨1，馬士賓1，王濤2

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津300401；2.天津市建筑科學(xué)研究院，天津300193)

依托實(shí)際工程，基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和三維有限元模擬技術(shù),研究動(dòng)載作用下半剛性基層瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)。首先，基于光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)行半剛性基層瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，確定有限元瞬態(tài)分析的動(dòng)力學(xué)原理、荷載條件、邊界條件及材料參數(shù)，建立瀝青路面三維有限元模型；然后分析不同軸載及材料參數(shù)下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的動(dòng)力響應(yīng)特征。結(jié)果表明，動(dòng)載作用下，車(chē)速越低，路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)越不利；縱向(行車(chē)方向)拉應(yīng)變大于橫向拉應(yīng)變；隨軸載的增大，路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)波動(dòng)性增強(qiáng)，瀝青層內(nèi)部拉壓應(yīng)變交替變化劇烈；面層模量對(duì)路基頂壓應(yīng)變的影響程度顯著于基層模量，基層模量則對(duì)面層底拉應(yīng)變影響較大。

道路工程；瀝青路面;光纖光柵傳感技術(shù)；動(dòng)力響應(yīng)；應(yīng)變；數(shù)值模擬

0　引言

截至2014年年末我國(guó)高速公路總里程達(dá)11.19萬(wàn)公里，躍居世界第一，其中公路養(yǎng)護(hù)里程占總里程90%以上。在已建成的高速公路瀝青路面中，80%以上采用基于經(jīng)典路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。這種利用靜載代替車(chē)輛動(dòng)荷載的設(shè)計(jì)方法所反映的路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，不能反映路面結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)受力狀態(tài)，導(dǎo)致半剛性基層瀝青路面沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就出現(xiàn)裂縫、坑槽、車(chē)轍等損壞現(xiàn)象，造成工作量繁重的養(yǎng)護(hù)工作[1]。因此，半剛性基層瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)研究成為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)，智能傳感器在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用也成為道路領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前現(xiàn)有的檢測(cè)手段僅定性給出其損壞的程度，不能獲取路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實(shí)時(shí)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、損壞原因診斷以及損壞演化規(guī)律的研究[2]。本文采用基于光纖光柵傳感技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和三維有限元模擬技術(shù)，深入研究在移動(dòng)荷載作用下，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步完善提供理論參考。

1　基于光纖光柵傳感技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)路概況及傳感器布設(shè)

光纖光柵(FBG)傳感器具有靈敏度高、變異性小且與路面結(jié)構(gòu)層協(xié)同變形良好的特點(diǎn)[3-5]，本研究使用FBG傳感器進(jìn)行半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。以某國(guó)道改造工程為依托鋪設(shè)試驗(yàn)路，路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。車(chē)輛荷載作用下半剛性基層瀝青路面拉應(yīng)變最大值出現(xiàn)在車(chē)道輪跡帶處，因此將傳感器埋設(shè)在車(chē)道右側(cè)輪跡帶基層及面層層底，F(xiàn)BG傳感器、壓力盒以及溫度傳感器的平面布置如圖2所示。為獲得車(chē)輛荷載作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)徑向、橫向應(yīng)變，F(xiàn)BG傳感器沿徑向、橫向兩個(gè)方向埋設(shè)，瀝青面層底編號(hào)為A-1，A-2，基層底編號(hào)為B-1，B-2。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到半剛性基層瀝青路面在移動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，用于對(duì)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1　路面結(jié)構(gòu)示意圖及傳感器縱斷面布置圖Fig.1　Schematic diagram of pavement structure and layout of sensor longitudinal profile

圖2　傳感器平面布置圖Fig.2　Plan layout of sensors

1.2動(dòng)載測(cè)試與分析

加載試驗(yàn)采用雙后軸加載車(chē)，將軸重最大的中軸標(biāo)定為標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，采用電子地秤稱(chēng)量中軸軸重并通過(guò)壓力盒校核，使兩種方法測(cè)試結(jié)果一致。半剛性基層瀝青路面動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)試使用SM130型光纖光柵解調(diào)儀(見(jiàn)圖3)，掃描頻率1 kHz。

圖3　SM130型光纖光柵解調(diào)儀Fig.3　SM130 FBG demodulator

動(dòng)載試驗(yàn)設(shè)計(jì)20,30,50,60 km/h共4種不同車(chē)速，使加載車(chē)按4種規(guī)定車(chē)速通過(guò)測(cè)試點(diǎn)，由于環(huán)境影響及駕駛員操作的不穩(wěn)定性，造成實(shí)際車(chē)速與規(guī)定車(chē)速之間存在偏差，由FBG傳感器測(cè)定應(yīng)變?nèi)我鈨刹ǚ彘g的時(shí)間差，計(jì)算得加載車(chē)實(shí)際車(chē)速為27，34，57，63 km/h。由于車(chē)輛振動(dòng)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的作用，采集得到數(shù)據(jù)具有波動(dòng)性，利用Matlab進(jìn)行插值去噪處理后，得到半剛性基層瀝青路面應(yīng)變時(shí)程圖(見(jiàn)圖4，拉應(yīng)變?yōu)檎?。

圖4　不同車(chē)速下，路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程Fig.4　Time histories of dynamic response of pavement structure at different speeds

由圖4看出，移動(dòng)荷載對(duì)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的作用具有明顯規(guī)律性。動(dòng)載作用下，半剛性基層底以拉應(yīng)變?yōu)橹?；瀝青面層底則先產(chǎn)生壓應(yīng)變，逐漸增大至峰值后突變?yōu)槔瓚?yīng)變并迅速增長(zhǎng)至峰值。圖4清晰顯示路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變場(chǎng)與荷載呈現(xiàn)同步變化，應(yīng)變峰值與軸重成正比，與車(chē)輛車(chē)速成反比。由于動(dòng)載作用時(shí)間短，路面結(jié)構(gòu)變形不如靜載作用下充分，隨車(chē)速的增加，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變峰值不斷減小，應(yīng)變場(chǎng)波動(dòng)性明顯減弱，荷載作用范圍縮小。綜上，車(chē)速越低，路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)越趨于不利，因此車(chē)輛的啟動(dòng)、停車(chē)過(guò)程對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層應(yīng)變的影響更為顯著，同時(shí)表明FBG傳感器能夠準(zhǔn)確快速地反映路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變場(chǎng)的實(shí)時(shí)變化。

2　半剛性基層瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模型的建立

2.1半剛性基層瀝青路面瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)平衡方程

依據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)基本理論動(dòng)力響應(yīng)，使用ANSYS有限元軟件建立半剛性基層瀝青路面三維實(shí)體模型時(shí)，半剛性基層瀝青路面的有限元瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)平衡方程[6]為：

(1)

計(jì)算中車(chē)輛荷載采用AASHTO推薦的矩形汽車(chē)荷載如圖5所示，輪胎接地壓強(qiáng)為0.7 MPa。車(chē)輛移動(dòng)荷載采用階躍方式加載，荷載的移動(dòng)通過(guò)設(shè)置隨時(shí)間變化的不同單元實(shí)現(xiàn)，速度通過(guò)設(shè)置階躍函數(shù)在其中任一單元上不同的持續(xù)時(shí)間實(shí)現(xiàn)。取等效軸載邊長(zhǎng)0.2 m作為加載模型中的最小單元邊長(zhǎng)，當(dāng)加載車(chē)速為V時(shí)，荷載作用時(shí)間T計(jì)算方法見(jiàn)式(2):

(2)

式中，T為載作用時(shí)間；a為方形等效軸載邊長(zhǎng)；V為車(chē)輛行駛速度。

半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的阻尼，通常采用瑞利阻尼假設(shè)[7]：

(3)

式中α，β為阻尼系數(shù)，可由動(dòng)力系統(tǒng)的前兩階模態(tài)分析并按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，通?？杉僭O(shè)為0.05 和0.1[8-9]。

圖5　車(chē)輛荷載模型(單位：cm)Fig.5　Vehicle load model (unit: cm)

2.2材料參數(shù)

模型采用應(yīng)變實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)路面結(jié)構(gòu)，材料參數(shù)如表1所示。

表1　路面結(jié)構(gòu)模型參數(shù)Tab.1　Parameters of pavement structure model

2.3有限元模型

半剛性基層瀝青路面三維有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖6，其中X為車(chē)輛行駛方向，Z為沿路面深度方向。考慮到計(jì)算效率和輪胎接地面積大小，模型尺寸長(zhǎng)4 m，寬3.6 m，土基深度方向取3 m，模型使用SOLID45單元。半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)荷載擴(kuò)散能力較強(qiáng)，為盡量減小邊界效應(yīng)，將模型土基尺寸擴(kuò)大一倍；同時(shí)，為提高計(jì)算精度，對(duì)輪跡帶區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

圖6　三維有限元模型Fig.6　Three-dimensional finite element model

在分析過(guò)程中作如下假設(shè)[10]：(1)假定結(jié)構(gòu)層各層間完全連續(xù)接觸，各層均由均質(zhì)、各向同性的線(xiàn)性彈性材料組成，以彈性模量和泊松比表征彈性參數(shù)；(2)土基為水平方向無(wú)限延伸的半無(wú)限體，其余各層在水平方向上無(wú)限延伸，無(wú)縱向、橫向位移，有厚度；(3)路面底部全約束。

2.4實(shí)測(cè)結(jié)果與模型結(jié)果的對(duì)比分析

將速度為60 km/h時(shí)加載車(chē)中軸(標(biāo)準(zhǔn)軸載)作用下路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整。有限元模型計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7，各結(jié)構(gòu)層應(yīng)變峰值的實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值見(jiàn)表2。可以看到，半剛性基層瀝青路面三維有限元模型計(jì)算得到的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變值與試驗(yàn)路實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致，峰值誤差為0.147～4.616 με，即本文所建有限元模型與路面結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況基本相同。

圖7　車(chē)速60 km/h時(shí)，有限元模型動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程Fig.7　Time history of dynamic response by finite element model when vehicle speed is 60 km/h表2　車(chē)速60 km/h時(shí)，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)拉應(yīng)變峰值Tab.2　Maximum tensile strain of pavement structure when vehicle speed is 60 km/h

應(yīng)變值/(×10-6)編號(hào)A-1A-2B-1B-2實(shí)測(cè)值30.96425.60826.42918.839模型計(jì)算值32.08420.99225.16918.986誤差-1.124.6161.26-0.147

圖7顯示，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，瀝青面層底先出現(xiàn)壓應(yīng)變，隨后壓應(yīng)變急劇變?yōu)槔瓚?yīng)變，縱向拉應(yīng)變最大值大于橫向拉應(yīng)變；基層底以拉應(yīng)變?yōu)橹?，縱向拉應(yīng)變最大值大于橫向拉應(yīng)變。綜上所述，在半剛性基層路面結(jié)構(gòu)中，與行車(chē)方向相同的縱向拉應(yīng)變大于橫向拉應(yīng)變，即在同一結(jié)構(gòu)層中，縱向拉應(yīng)變是影響路面結(jié)構(gòu)變形的主要因素。

3　半剛性基層瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)分析

為解決半剛性基層瀝青路面的耐久性問(wèn)題，我國(guó)半剛性基層長(zhǎng)壽命路面設(shè)計(jì)中主要控制3個(gè)方面[11-12]：路基頂面壓應(yīng)變、瀝青層底拉應(yīng)變、半剛性基層底拉應(yīng)變。結(jié)合2.4節(jié)結(jié)果，將路基頂面壓應(yīng)變、瀝青層底縱向拉應(yīng)變以及半剛性基層底縱向拉應(yīng)變作為分析指標(biāo)，研究材料特性對(duì)移動(dòng)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，考慮我國(guó)近年超載現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)分析超載[13]對(duì)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變場(chǎng)變化規(guī)律及動(dòng)力響應(yīng)特征。

3.1不同軸載對(duì)路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響

為探究不同軸載對(duì)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變場(chǎng)的影響規(guī)律，將輪胎接地壓強(qiáng)分別設(shè)定為0.5，0.7，0.9，1.1，1.3 MPa。圖8給出了半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)隨軸載的變化曲線(xiàn)。

圖8　不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)Fig.8　Dynamic response of pavement structure under different loads

可以看到，路基頂面、瀝青層底及半剛性基層底應(yīng)變峰值均隨軸載的增加而增加。瀝青層底承受拉、壓兩種應(yīng)變，拉、壓應(yīng)變峰值都隨軸載的增加而增加，即應(yīng)變由壓變拉的變化過(guò)程更加劇烈，這種拉、壓應(yīng)變的交替作用是導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)疲勞損壞的主要原因。綜上所述，隨軸載的增加，路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)波動(dòng)性增強(qiáng)，瀝青層內(nèi)部應(yīng)變?cè)诤奢d作用前后的拉壓應(yīng)變交替變化更加劇烈。

3.2材料參數(shù)對(duì)路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響

采用單因素分析法分別改變?yōu)r青層、水泥穩(wěn)定碎石基層的材料模量，研究面層和基層材料特性對(duì)動(dòng)載作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)的影響，為路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。計(jì)算中瀝青面層模量取1 500～2 500 MPa，半剛性基層模量取800～1 600 MPa，取值范圍包括了常見(jiàn)路面材料類(lèi)型。圖9給出了半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變峰值隨模量的變化曲線(xiàn)。

圖9　路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變峰值隨模量的變化曲線(xiàn)Fig.9　Maximum strain curves of pavement structure varying with modulus

由圖9(a)看到，隨瀝青面層模量的增加，路基頂壓應(yīng)變不斷減小，面層層底和基層層底拉應(yīng)變呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。圖9(b)顯示，隨著半剛性基層模量的增加，瀝青面層層底拉應(yīng)變不斷減小，基層底和路基頂應(yīng)變變化不大?？梢缘玫?，面層模量對(duì)路基頂壓應(yīng)變的影響程度顯著于基層模量；基層模量則對(duì)面層底拉應(yīng)變影響較大。路面彎沉是路基和路面結(jié)構(gòu)不同深度處豎向應(yīng)變的總和，綜上，若想減小路面彎沉，通過(guò)增大基層模量是得不償失的，應(yīng)在路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)中適當(dāng)增大面層模量；而在路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)中，若基層選用較小模量值，需重點(diǎn)驗(yàn)算面層底拉應(yīng)變是否與材料的容許抗拉強(qiáng)度相適應(yīng)。

4　結(jié)論

(1)根據(jù)基于光纖光柵傳感技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變場(chǎng)與荷載呈現(xiàn)同步變化；隨車(chē)速的增加，應(yīng)變峰值不斷減小，應(yīng)變場(chǎng)波動(dòng)性明顯減弱，荷載作用范圍縮小。

(2)根據(jù)有限元模型計(jì)算結(jié)果得到，在半剛性基層路面結(jié)構(gòu)中，與行車(chē)方向相同的縱向拉應(yīng)變大于橫向拉應(yīng)變，即在同一結(jié)構(gòu)層中，縱向拉應(yīng)變是影響路面結(jié)構(gòu)變形的主要因素。

(3)移動(dòng)荷載作用下，瀝青面層模量對(duì)路基頂壓應(yīng)變的影響程度顯著于基層模量，基層模量則對(duì)面層底拉應(yīng)變影響較大。在路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)中，若通過(guò)增大基層模量減小路面彎沉則得不償失，應(yīng)適當(dāng)增大面層模量；若基層選用較小模量值，需重點(diǎn)驗(yàn)算面層底拉應(yīng)變是否與材料的容許抗拉強(qiáng)度相適應(yīng)。

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Field Test and Numerical Simulation of Dynamic Response of Semi-rigid Base Asphalt Pavement under Moving Vehicle Load

ZHANG Jing1，WEI Lian-yu1，MA Shi-bin1，WANG Tao2

(1. School of Civil Engineering and Transportation, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China；2. Tianjin Research Institute of Building Science, Tianjin 300193, China)

Relying on the real project, the dynamic response of semi-rigid base asphalt pavement under moving vehicle load is studied based on the field test and 3D finite element simulation. First, the field test of the dynamic response of semi-rigid base asphalt pavement is conducted using fiber grating sensing technology. The dynamic theory, the moving vehicle load condition, the boundary condition and the structural parameters for the FE transient analysis are determined according to the field test result, and a 3D finite element model of the asphalt pavement is established. Then, the internal dynamic response feature of the pavement under different axle loads and material parameters are analysed. The result indicates that (1) under moving vehicle load, the stress state of the pavement tends to adverse with the decreasing of vehicle speed; (2) the longitudinal (the same as the driving direction) tensile strain is greater than the transverse tensile strain; (3) as the load increases, the volatility of strain response of the pavement is enhanced, and the tensile and compressive strains in the asphalt layer change alternately and dramatically; (4) the effect of surface modulus on the compressive strain on the top of subgrade is more significant than the base modulus, but the base modulus has a great impact on tensile strain at the bottom of surface.

road engineering; asphalt pavement;fiber grating sensing technology; dynamic response; strain; numerical simulation

2015-12-30

河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(ZD2014099)；河北省教育廳青年基金項(xiàng)目(QN2015036)

張靜(1988-)，女，河北張家口人，博士研究生.(13920530692@126.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.10.004

U416.217

A

1002-0268(2016)10-0019-06