行駛速度對高速彎沉儀檢測結(jié)果影響分析★

臧國帥 金光來

(江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 211086)

0 引言

激光式高速彎沉測定儀(Testing system of laser high speed deflectometer)，簡稱高速彎沉儀，是指以正常的車流速度利用多普勒激光傳感器測量由于標(biāo)準(zhǔn)載貨汽車行駛所致的路面變形速度，通過預(yù)設(shè)在不同位置上的傳感器采集到的路面變形速度反演出動態(tài)荷載作用下的路面彎沉盆的一種路面結(jié)構(gòu)強度測量儀器(設(shè)備、系統(tǒng))[1]。高速彎沉儀測試速度范圍為30 km/h～90 km/h。相比于傳統(tǒng)的貝克曼梁、FWD彎沉儀，高速彎沉儀檢測彎沉的效率大大提高，并納入了JTG 3450—2019公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程“T 0957—2019激光式高速路面彎沉測定儀測試路面彎沉方法”[2]，因此在多個省份的網(wǎng)級公路檢測中得到了推廣應(yīng)用[3]。然而目前仍缺乏對高速彎沉儀檢測結(jié)果有效性的深入分析，尤其是檢測速度的影響[4-6]。

1 高速彎沉儀檢測技術(shù)簡介

彎沉盆與彎沉斜率可以進行相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)已知彎沉盆時，可通過求導(dǎo)得到彎沉盆上各點的彎沉斜率；而當(dāng)已知彎沉盆上各點斜率時，可通過積分得到相應(yīng)的彎沉盆，如圖1所示。計算公式如式(1)所示。

(1)

其中，d′(x)為彎沉盆x點處的斜率；d(x)為彎沉盆x點處的彎沉。

彎沉斜率(d′(x))是瞬時彎沉速度VD(豎直方向)與瞬時行車速度VK(水平方向)之比，如式(2)所示。而瞬時彎沉速度VD可通過基于多普勒效應(yīng)的多普勒激光傳感器進行測量(如式(3)所示)，其中F為時間的倒數(shù)，可以通過激光傳感器發(fā)射、接受的時間差計算得到，因此解決了高速彎沉儀進行高速測量的難題[6]。

(2)

(3)

其中，VD為瞬時彎沉速度；VK為瞬時行車速度；V為波源和接收者的相對速度;C為光波傳播速度，3.0×108m/s;Fd為接收端頻率變化;FS為發(fā)射頻率。

2 有限元模型

2.1 材料參數(shù)

高速彎沉儀對路面施加的是一個移動荷載，因此在力學(xué)響應(yīng)模擬分析時，應(yīng)當(dāng)考慮瀝青混合料的黏彈性效應(yīng)。瀝青混合料是黏彈性材料，其力學(xué)特性受荷載頻率和溫度的影響，具有蠕變和松弛特性。依據(jù)Boltzmann疊加原理，黏彈性材料的積分型本構(gòu)關(guān)系式如式(4)所示。

(4)

其中，σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；τ為積分變量；ξ為縮減時間；E為黏彈性材料的松弛模量；松弛模量采用Prony系列表達式，如式(5)所示。

(5)

其中，ρm為松弛時間，ρm=ηm/Em；Em為彈簧模量；ηm為黏壺黏度；E∞為長期平衡模量。

ABAQUS有限元軟件對黏彈性材料的參數(shù)選擇Material Behaviors下的Viscoelastic時域內(nèi)的Prony表達式，利用式(6)進行歸一化。路面結(jié)構(gòu)如表1所示，瀝青混合料松弛模量參數(shù)Prony級數(shù)如表2所示[7]。

(6)

其中，G(t)為剪切模量；K(t)為體積模量；v為材料的泊松比。歸一化后可以得到相應(yīng)的模量比，在ABAQUS中材料參數(shù)選項中輸入。

表1 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表2 瀝青混合料Prony級數(shù) MPa

2.2 模型尺寸及單元

模型尺寸長寬高為6 m×6 m×3 m。模型網(wǎng)絡(luò)采用非均勻劃分，在荷載附近以及結(jié)構(gòu)層進行細(xì)分，其余部分進行漸進粗分，模型劃分結(jié)果如圖2a)所示。

2.3 荷載模擬

HSD對路面施加的是移動荷載。在ABAQUS中采用VDLOAD外部子程序?qū)崿F(xiàn)移動荷載的施加，通過逐步移動荷載作用位置進行實現(xiàn)(如圖2b)和圖2c)所示)，具體過程詳見參考文獻[8]。

3 理論影響分析

分別設(shè)置有限元模型移動荷載的行駛速度5.4 km/h，10.8 km/h，18 km/h，30 km/h，50 km/h，70.1 km/h，80 km/h，90 km/h，108 km/h，模擬分析理論彎沉，結(jié)果如圖3a)所示。從中可以看出，行駛速度對彎沉有顯著影響，行駛速度越快，彎沉越??；但隨著行駛速度增加，影響程度趨于減弱。以行駛速度50 km/h為基準(zhǔn)，計算其他速度下的彎沉偏差，結(jié)果如圖3b)所示，從中可以看出，當(dāng)行駛速度5.4 km/h時，彎沉值同比增大35.8%，當(dāng)行駛速度為108 km/h時，彎沉值同比減小5.9%。

4 試驗路現(xiàn)場分析

選取某高速的3 km路段作為試驗段，檢測車道為最外側(cè)行車道，樁號分別為K333～K334，K343～K344,K354～K355。分別以速度50 km/h和80 km/h進行彎沉檢測，計算各個路段的代表彎沉值，計算彎沉速度變異系數(shù)，應(yīng)滿足規(guī)范要求不大于5%。

(7)

其中，Lspd為彎沉速度變異系數(shù)；L50和L80分別為速度50 km/h和80 km/h時的代表彎沉值。

試驗段檢測結(jié)果如表3,圖4所示，從中可以看出，彎沉測量速度變異性常規(guī)路段試驗結(jié)果平均偏差為3.5%，滿足規(guī)范要求。

表3 彎沉測量速度變異性常規(guī)路段試驗結(jié)果

5 結(jié)語

針對行駛速度對高速彎沉儀檢測結(jié)果的影響，理論模擬和試驗路分析結(jié)果表明：

1)隨著行駛速度的增加，路表理論彎沉逐漸減小，在行駛速度為5.4 km/h～108 km/h之間，以50 km/h時彎沉為基準(zhǔn)，理論彎沉變化幅度為35.8%～-5.9%；

2)試驗路測試時，彎沉速度變異性為3.5%，滿足規(guī)范要求不大于5%；

3)建議高速彎沉儀保持勻速行駛，速度保持在50 km/h～70 km/h。