基于光纖布拉格光柵傳感器的永久路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測研究

張 權(quán)， 張慶宇， 王志斌， 邱文利， 何兆益

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2.河北雄安京德高速公路有限公司，河北 保定 071700)

0 引 言

永久性瀝青路面設(shè)計(jì)理念是指所設(shè)計(jì)路面能使用40年以上且服役期間不需要結(jié)構(gòu)性大修，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能降低傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的疲勞開裂和瀝青層永久變形，將路面損壞限制在面層[1]。因此，實(shí)現(xiàn)永久路面結(jié)構(gòu)服役目標(biāo)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于合理確定路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)[2]。采用靜載代替車輛動(dòng)載的傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析不能真實(shí)反映路面結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況耦合下的受力狀態(tài)[3]。為了合理確定當(dāng)前施工水平下永久路面結(jié)構(gòu)在實(shí)際車輛荷載下的動(dòng)力響應(yīng)。

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)傳感器可以實(shí)現(xiàn)多參量、多點(diǎn)監(jiān)測且具有較高的靈敏度，逐漸應(yīng)用于道路結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測[4～6]。譚憶秋等人[7,8]利用FBG研究了路面車轍病害和協(xié)同變形并論證了FBG傳感器監(jiān)測道路結(jié)構(gòu)響應(yīng)的可行性。張靜等人[9]采用FBG技術(shù)研究了半剛性基層底的應(yīng)變響應(yīng)與荷載和車速的演變規(guī)律。

結(jié)合FBG傳感器相關(guān)性高、變形協(xié)調(diào)性好的特點(diǎn)[4]。本文嘗試開展基于FBG傳感器的永久路面結(jié)構(gòu)面層、基層和路基的全斷面動(dòng)力響應(yīng)實(shí)際工程現(xiàn)場應(yīng)用測試。為了掌握永久路面結(jié)構(gòu)瀝青混合料面層、水泥穩(wěn)定碎石基層和無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土路基在車輛荷載下的實(shí)際力學(xué)響應(yīng)，本文依托河北京德高速實(shí)驗(yàn)路，分析了FBG傳感器在三種筑路材料施工工況下的存活率和協(xié)同變形特性，利用FBG應(yīng)變傳感器和土壓力傳感器測試了半剛性基層永久性瀝青路面結(jié)構(gòu)在動(dòng)載下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，為FBG傳感器在道路施工監(jiān)測中的應(yīng)用和路面結(jié)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)分析提供依據(jù)。

1 FBG傳感器監(jiān)測原理

FBG傳感器一般分為溫度傳感器、壓力傳感和應(yīng)變傳感器，其監(jiān)測原理是在結(jié)構(gòu)層特定位置埋入FBG傳感器，結(jié)構(gòu)受力后引起傳感器擠壓、拉伸進(jìn)而改變纖芯折射率，使得由FBG解調(diào)儀發(fā)出的光信號波一部分從光柵中透射出去，另一部分沿著光纖繼續(xù)傳播，從而將結(jié)構(gòu)應(yīng)力—應(yīng)變和溫度等監(jiān)測變量轉(zhuǎn)化波長信號[10]。由耦合模理論可知，光柵的諧振波長λb主要受光柵周期Λ和光纖纖芯傳播模式有效折射率neff影響，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(1)[11]

λb=2neffΛ

(1)

當(dāng)FBG溫度和應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，引起FBG諧振波長的偏移量數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(2)

[α+ξ]ΔT)

(2)

式中ε和ΔT分別為應(yīng)變和溫度的變化，Pij為光纖材料的彈光張量分量，α為光纖材料熱膨脹系數(shù)，ξ為光纖材料熱光系數(shù)，ν為光纖材料的泊松比。

2 試驗(yàn)路概況與傳感器布設(shè)

2.1 路面結(jié)構(gòu)與監(jiān)測方案

以新建項(xiàng)目京德高速為依托，該永久路面結(jié)構(gòu)為：4 cm橡膠瀝青混凝土(ARHM—13)+8 cm橡膠瀝青混凝土(ARHM—20)+12 cm橡膠瀝青混凝(ARHM—25)+三層18 cm水泥穩(wěn)定碎石，路面總厚度78 cm。路基主要為水泥或石灰穩(wěn)定土。結(jié)合《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)指標(biāo)，試驗(yàn)段主要監(jiān)測路面各結(jié)構(gòu)層沿著行車方向的豎向應(yīng)變和垂直行車方向的橫向應(yīng)變以及路床頂面土壓力和路基溫濕度情況。為了減少監(jiān)測誤差，各傳感器采用分層直接埋入的方式置于各結(jié)構(gòu)層底部，縱斷面上為防止各層傳感器的植入造成結(jié)構(gòu)層混合料模量變化疊加，傳感器埋設(shè)宜交替埋設(shè)?？紤]路面結(jié)構(gòu)各層施工厚度、碾壓工藝以及面層瀝青混合料高溫環(huán)境的影響，為了確保成活并取得預(yù)期監(jiān)測的效果，該試驗(yàn)段布設(shè)兩個(gè)斷面，路面結(jié)構(gòu)示意圖及其中1個(gè)斷面的傳感器縱斷面布置方案如圖1所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)示意圖及傳感器縱斷面布置方案

平面布置時(shí)，考慮瀝青混合料攤鋪溫度較高以及碾壓時(shí)厚度較薄對傳感器成活的影響，中面層和下面層分別布設(shè)2個(gè)輪跡帶，增大埋設(shè)數(shù)量。其中，考慮厚度影響和路面結(jié)構(gòu)安全上面層只在應(yīng)急車道布設(shè)溫度傳感器。中、下面層傳感器平面布置方案如圖2所示。水泥穩(wěn)定碎石基層厚度較大、攤鋪沒有高溫影響且該縱斷面上層位較低，采用單串形式埋設(shè)于右側(cè)輪跡帶上，光纜采用間斷性穿聚氯乙烯(poly vinyl chloride,PVC)管保護(hù)以降低混合料壓實(shí)對光纜的不利影響。

圖2 中、下面層傳感器平面布置方案

2.2 傳感器現(xiàn)場布設(shè)工藝

埋設(shè)過程中，結(jié)合路面橫斷面設(shè)計(jì)圖利用GPS定位系統(tǒng)預(yù)先測定試驗(yàn)段埋設(shè)點(diǎn)位。路基土壓力傳感器、溫度傳感器和濕度感器分別采用挖坑法埋設(shè)于路床頂面10cm和20cm深度位置，埋設(shè)完畢后用鋼輪壓路機(jī)壓實(shí)并恢復(fù)路床原狀。壓力傳感器和溫濕度傳感器埋設(shè)過程如圖3所示。

圖3 路基傳感器埋設(shè)示意

水穩(wěn)層和面層埋設(shè)時(shí)，結(jié)合施工攤鋪進(jìn)度提前在GPS點(diǎn)位上做好標(biāo)記，并將應(yīng)變傳感器按布設(shè)方案沿行車方向布設(shè)豎向應(yīng)變傳感器、沿水平面垂直行車方向布設(shè)橫向應(yīng)變傳感器，傳感器布設(shè)完成后，通過覆蓋一層混合料將傳感器進(jìn)行固定，覆蓋時(shí)需要人工對傳感器附近的粗料進(jìn)行剔除并用細(xì)集料將傳感器充分覆蓋并預(yù)埋，然后攤鋪機(jī)正常攤鋪施工，待攤鋪完成后即可正常開展壓實(shí)工藝。水穩(wěn)層、面層的橫、縱向應(yīng)變傳感器和溫度傳感器埋設(shè)過程如圖4所示。

圖4 水穩(wěn)層、面層傳感器埋設(shè)示意

3 永久路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)測試與分析

3.1 成活率檢測

已有研究多在室內(nèi)和試驗(yàn)場進(jìn)行測試分析，實(shí)際工程現(xiàn)場的應(yīng)用成活率鮮有報(bào)道[6,10]。道路現(xiàn)場施工機(jī)械碾壓應(yīng)力大，埋設(shè)過程不僅受攤鋪及運(yùn)料機(jī)械的干擾，面層傳感器還受瀝青混合料攤鋪的高溫影響。因此，傳感器室外應(yīng)用成活率是決定監(jiān)測成效的關(guān)鍵，本實(shí)驗(yàn)以成活率指標(biāo)(各層成活串?dāng)?shù)比上各層總埋設(shè)串?dāng)?shù))來分析傳感器的成活情況，結(jié)果表明：室外工況下FBG傳感器成活率較低。其中，基層和路基的傳感器成活率高于面層，說明室外瀝青混合料的高溫施工環(huán)境對傳感器成活具有不利影響，對基層傳感器光纜穿PVC管保護(hù)的措施有助于提高傳感器的成活率。統(tǒng)計(jì)各層成活率如圖5所示。

圖5 傳感器成活率統(tǒng)計(jì)

3.2 測試方案

3.2.1 車輛軸型和軸重的選擇

為了研究軸載和軸型對永久路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)作用規(guī)律，選擇單軸雙輪組、并裝雙軸和并裝三軸加載車三種軸型進(jìn)行研究，單軸雙輪組兩軸加載車后軸配重10 T、并裝雙軸三軸加載車后軸分別配重14 T和1 T、并裝三軸的六軸加載車后軸配重22 T。每級荷載配重通過地磅稱重校核，精確在100 kg以內(nèi)。

3.2.2 車輛速度控制

測試類型分為靜載測試和動(dòng)載測試，每次測試均重復(fù)4次。靜載測試時(shí)，各級荷載加載車沿著輪跡帶標(biāo)線位置以5 km/h速度緩慢勻速移動(dòng)模擬靜載測試，監(jiān)測輪中心壓過傳感器上方時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。動(dòng)載測試時(shí)，單軸和并裝雙軸的加載車沿著輪跡帶標(biāo)線位置以10,20,30,40,50 km/h速度勻速壓過傳感器，并裝三軸加載車以10,20,30 km/h速度勻速壓過傳感器，分別測試路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)。

3.3 壓實(shí)均勻性分析

隨著碾壓次數(shù)增加，混合料逐漸被壓實(shí)，彈性模量逐漸增大，傳感器會(huì)出現(xiàn)反復(fù)碾壓累積變形，混合料變硬后累積變形可以反映在傳感器上，在一定壓實(shí)度下路面各層底的響應(yīng)是穩(wěn)定的[7]。因此，可以利用多組FBG監(jiān)測不同位置處結(jié)構(gòu)層底的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變響應(yīng)以評價(jià)各層底橫向和縱向的壓實(shí)均勻性。結(jié)合成活傳感器的各點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，碾壓結(jié)束后路面結(jié)構(gòu)的中面層、上基層、下基層和底基層傳感器累計(jì)變形統(tǒng)計(jì)分析如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)層底橫向、縱向累計(jì)變形

結(jié)果表明，水泥穩(wěn)定碎石基層碾壓后，各層底橫向累計(jì)應(yīng)變大于縱向累計(jì)應(yīng)變，橫向累計(jì)應(yīng)變變異系數(shù)大于縱向累計(jì)應(yīng)變的變異系數(shù)。結(jié)構(gòu)層位越高，橫向和縱向累計(jì)應(yīng)變越小，說明前期施工結(jié)束的水穩(wěn)基層硬化后，具備一定的抗變形和應(yīng)力擴(kuò)散作用，有利于提高后面基層施工碾壓均勻性。結(jié)合面層成活傳感器取得數(shù)據(jù)可知：中面層底橫向累計(jì)應(yīng)變均值小于縱向累計(jì)應(yīng)變均值，說明碾壓中瀝青混合料產(chǎn)生的縱向應(yīng)變較大。

3.4 路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

3.4.1 理論應(yīng)變與實(shí)測應(yīng)變的對比分析

利用Bisar 3.0軟件計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軸載下路面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)輪中心各層橫向應(yīng)變和豎向應(yīng)變作為靜態(tài)理論值，將后軸重10 T的加載車在5 km/h速度下FBG現(xiàn)場實(shí)測值視為靜載的測試值，對比理論應(yīng)變與實(shí)測應(yīng)變分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 應(yīng)變實(shí)測值與理論值

由圖7可知，實(shí)測條件下各結(jié)構(gòu)層沿行車方向的豎向拉應(yīng)變均大于垂直行車方向的橫向拉應(yīng)變。中面層、上基層和下基層的橫向和豎向?qū)崪y應(yīng)變峰值均大于理論值。其中，中面層豎向、橫向應(yīng)變和上基層橫向應(yīng)變的實(shí)測值與理論計(jì)算相差較大，底基層橫向和豎向?qū)崪y應(yīng)變值均小于實(shí)測值。行車方向最大拉應(yīng)變位置出現(xiàn)在面層。由此可知：各結(jié)構(gòu)層現(xiàn)場測試值與理論計(jì)算值存在一定誤差，但其演變趨勢具有一定吻合性。標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下永久路面結(jié)構(gòu)能有效控制結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)，通過合理提高面層厚度和利用水泥穩(wěn)定碎石基層良好的應(yīng)力擴(kuò)散作用能減小輪中心位置底基層底應(yīng)變。

3.4.2 面層和基層動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)分析

選取單軸雙輪組兩軸加載車和并裝雙軸的三軸加載車兩種車型，分別以10 km/h和30 km/h兩種速度通過傳感器測試點(diǎn)，結(jié)合瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范以底基層和中面層結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)變?yōu)轫憫?yīng)值，分析傳感器與瀝青混合料和水泥穩(wěn)定碎石的協(xié)同變形特性和不同車速與軸型對路面結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)變的影響規(guī)律。

從圖8、圖9的路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程圖可以看出：FBG傳感器在瀝青混合料層和水泥穩(wěn)定碎石基層中具有較好的協(xié)同變形特質(zhì)，能實(shí)現(xiàn)荷載應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)層的應(yīng)變響應(yīng)歷程監(jiān)測。動(dòng)載作用下路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)與靜載下力學(xué)響應(yīng)差別較大。在不同軸型加載車作用下，后軸的產(chǎn)生應(yīng)變明顯大于前軸。在行車?yán)瓚?yīng)變最大的縱向，動(dòng)載作用下結(jié)構(gòu)層的應(yīng)變呈現(xiàn)拉壓交替狀態(tài)，且最大拉應(yīng)變峰值隨著車速的增加而減小。在輪胎靠近傳感器附近時(shí)，測點(diǎn)傳感器呈現(xiàn)受壓狀態(tài)；隨后車輪繼續(xù)前進(jìn)，測點(diǎn)傳感器呈現(xiàn)受拉狀態(tài)；當(dāng)車輛駛離傳感器后，測點(diǎn)傳感器又呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。在低速狀態(tài)下，兩軸和三軸加載車的后軸駛過傳感器時(shí)，前軸產(chǎn)生的應(yīng)變已基本恢復(fù)穩(wěn)定且半剛性基層恢復(fù)速度比面層更快，在高速行駛狀態(tài)下，由于瀝青混凝土的粘滯性和加載間歇較短，三軸加載車的后軸會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力干涉現(xiàn)象。

圖8 兩軸加載車下面層、基層結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程

圖9 三軸加載車下面層、基層結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程

3.5 路基頂面動(dòng)力響應(yīng)分析

在不同車速和軸重條件下，基于FBG土壓力傳感器測得的永久路面結(jié)構(gòu)路床頂面豎向壓應(yīng)力如圖10所示。在相同的車速下，土壓力傳感器測得路床頂面的土壓力隨著軸重的增大而增大；荷載較低時(shí)，由于水泥穩(wěn)定碎石基層良好的應(yīng)力擴(kuò)散作用，路基頂面土壓力沒有顯著變化。在不同車速條件下，當(dāng)荷載較低時(shí)，路基頂面土壓力沒有明顯的變化，當(dāng)荷載較高時(shí)，路床頂面的土壓力隨著車速的增大而增大，具有顯著的動(dòng)載效應(yīng)。

圖10 軸重和車速對路床頂面土壓力的影響

4 結(jié) 論

1)FBG傳感器與瀝青混合料面層、水泥穩(wěn)定碎石基層和無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土路基具有較好的協(xié)同變形特性，在道路結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測和施工均勻性評價(jià)中具有廣闊前景。實(shí)際工程應(yīng)用中，瀝青混合料面層的FBG傳感器建議以預(yù)制件或增加保護(hù)措施后埋入結(jié)構(gòu)層以提高成活率。

2)動(dòng)載作用下，永久路面結(jié)構(gòu)面層底和基層底沿行車方向的應(yīng)變響受車輛軸載、軸型和車速的影響且呈現(xiàn)拉壓交替的狀態(tài)，其應(yīng)變峰值隨著荷載的增大而增大，隨著車速的增大而減小。

3)路基頂面土壓力在動(dòng)載作用下受車速和軸重的影響，荷載較大時(shí)，路床頂土壓力與車速呈正比；荷載較低時(shí)，車速增大，土壓力沒有顯著變化。