靜態(tài)大載荷下典型瀝青混凝土路面的響應(yīng)試驗(yàn)

丁義蘭,張 康

1.長安馬自達(dá)汽車有限公司,江蘇 南京 211100

2.昆山市石浦面料復(fù)合有限公司,江蘇 昆山 215343

0 引言

瀝青混凝土路面作為我國公路的主要結(jié)構(gòu)形式,其靜載響應(yīng)特性直接影響到道路的使用壽命、車輛行駛舒適性等,因此,國內(nèi)外學(xué)者采用試驗(yàn)分析、數(shù)值仿真和理論研究等手段對瀝青路面響應(yīng)進(jìn)行了大量研究。

許新權(quán) 等[1]研究了落錘式彎沉儀荷載作用下瀝青混凝土路面的動(dòng)態(tài)響應(yīng);吳玉 等[2]分析比較了半剛性基層、倒裝式和組合式3種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)受輪載作用的力學(xué)行為;Liu et al.[3]提出了一種半解析有限元法可快速計(jì)算瀝青路面響應(yīng);Dong et al.[4]考慮輪胎接觸壓力的不均性、輪胎印痕不規(guī)則性,推導(dǎo)了矩形區(qū)域上均勻移動(dòng)荷載作用下彈性和黏彈性多層體系的解析解;馬憲永 等[5]推導(dǎo)了三向移動(dòng)荷載作用下考慮復(fù)雜層間接觸狀態(tài)的橫觀各向同性黏彈性瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)解析解。另外,張震東 等[6]利用有限元方法及其二次開發(fā)技術(shù)研究了瀝青混凝土路面在沖擊載荷下面層的沖擊損傷,闡明了損傷變化規(guī)律及分布規(guī)律。

本文創(chuàng)新性地搭建了準(zhǔn)靜態(tài)大載荷模擬試驗(yàn)系統(tǒng),包含2種典型低等級瀝青混凝土路面、各種傳感器和采集設(shè)備等,首次研究在靜態(tài)大載荷下的路表位移變化規(guī)律、土層應(yīng)力變化規(guī)律以及瀝青混凝土層的破壞形式。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

1.1 測試系統(tǒng)組成

靜態(tài)大載荷模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要由載荷生成設(shè)備、氣缸、位移傳感器及其固定支架、土壓力傳感器、路面三維試槽、等級路面、數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及反力架組成。

靜態(tài)大載荷生成設(shè)備以氣缸作為驅(qū)動(dòng)裝置,模擬靜態(tài)大載荷加載時(shí)同時(shí)向2個(gè)氣缸內(nèi)通入壓縮空氣并控制氣缸內(nèi)的氣體壓力,通過2個(gè)氣缸下部分別連接的支撐盤接觸地面,以向地面?zhèn)鬟f靜態(tài)大載荷,如圖1所示。

圖1 靜態(tài)加載模擬試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 試驗(yàn)路面鋪筑

在三維試槽中建立2種結(jié)構(gòu)的低等級瀝青混凝土路面,路面結(jié)構(gòu)如表1所示,從表中可知2種路面的區(qū)別在于:路面B比路面A增加了水泥穩(wěn)定碎石基層。

表1 兩種路面三維試槽結(jié)構(gòu) 單位:mm

1.3 傳感器及觀測點(diǎn)設(shè)置

1.3.1 位移傳感器設(shè)置

為獲取路面的動(dòng)態(tài)位移變化規(guī)律,在瀝青層上表面布置了接觸式位移傳感器(C1～C8,D1～D6),各位移傳感器測點(diǎn)分布情況見圖2,各測點(diǎn)坐標(biāo)見表2。其中,C9、C10處的位移傳感器布置于路面內(nèi)部,分別用于測量石瀝青面層底面、土層頂面的下沉量。

表2 各位移傳感器測點(diǎn)坐標(biāo) 單位:mm

圖2 位移傳感器測點(diǎn)分布

1.3.2 土壓力傳感器設(shè)置

為了獲取沖擊載荷下土層應(yīng)力變化規(guī)律以及沖擊載荷對路面響應(yīng)的影響范圍,在土層中埋設(shè)了土壓力傳感器。壓力傳感器在土層中的坐標(biāo)見表3。

表3 土壓力傳感器位置坐標(biāo) 單位:mm

2 實(shí)際載荷施加

本次試驗(yàn)對2個(gè)氣缸同時(shí)通入壓縮空氣,試驗(yàn)過程中對支腿氣缸內(nèi)壓力進(jìn)行了監(jiān)測和采集。試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著時(shí)間的增加,氣缸內(nèi)壓強(qiáng)呈現(xiàn)先線性增加、后穩(wěn)定、再線性下降的趨勢,在3 s左右,氣缸內(nèi)壓強(qiáng)峰值出現(xiàn),約為0.462 MPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 靜態(tài)大載荷下路面的位移響應(yīng)

2個(gè)氣缸荷載同時(shí)作用時(shí),各位移傳感器的動(dòng)態(tài)位移時(shí)程曲線如圖3所示。由圖可知,路面A在靜態(tài)大載荷的作用下,路面先沉降到達(dá)最大位置,再回彈,最終為沉降變形。

(a)路面A (b)路面B

取出各傳感器的特征數(shù)據(jù),分別繪制路面A、路面B各傳感器采集的位移特征數(shù)據(jù),如圖4所示。

圖4 路面測點(diǎn)位移隨距中心點(diǎn)距離變化曲線

1)路面A各傳感器最大位移和永久位移均為負(fù)值。其中,由于C1測點(diǎn)最靠近支腿,因此C1點(diǎn)的最大位移、永久位移和回彈變形皆為最大值。在C1點(diǎn)兩側(cè)的最大位移、永久變形和回彈變形均隨距C1點(diǎn)的距離增加而減小。當(dāng)距離接近3 m時(shí),路面的最大位移、永久位移和回彈變形趨向于零,由圖4可知,路面A表面的最大永久位移僅為1 mm左右,故靜態(tài)大載荷下路面A更多地表現(xiàn)為彈性變形,因此可認(rèn)為靜態(tài)大載荷卸載后,路面的承載能力可完全恢復(fù)。

2)路面B各點(diǎn)的最大位移及永久位移量皆為負(fù)值,而路面中心處的路面變形量最大,隨著距中心點(diǎn)距離的增加,路面的最大變形和永久變形均減小。由路面B的表面變形情況可知,靜態(tài)大載荷下,路面更多地表現(xiàn)為彈性變形,在路面B下,可忽略靜態(tài)大載荷卸載后對路面承載能力的影響。

3.2 靜態(tài)大載荷下土層應(yīng)力分析

靜態(tài)大載荷作用下,土基內(nèi)的土壓力盒采集的土壓力時(shí)程曲線如圖5所示(路面A和B趨勢一致)。

圖5 各觀測點(diǎn)土壓力曲線

由圖5可知,土中應(yīng)力時(shí)程曲線變化趨勢與荷載加載趨勢基本相同,在土中應(yīng)力開始變化后約2.5 s時(shí)達(dá)到峰值,約9 s后土中壓應(yīng)力開始衰減,最終衰減至0 MPa左右,說明靜態(tài)大載荷加載下土體發(fā)生彈性變形,載荷卸載后土體應(yīng)力迅速衰減至0 MPa。

對路面A和B在載荷作用下同一位置不同深度處的土壓力峰值進(jìn)行對比分析,如圖6所示。

圖6 土層峰值應(yīng)力隨深度變化曲線

由圖6可知,不同時(shí)刻,土基內(nèi)部壓應(yīng)力均隨著土基深度的增加而減小。因路面B存在水穩(wěn)碎石層,路面剛度和強(qiáng)度高于路面A,使得路面A土層的同一測點(diǎn)位置的壓力值高于路面B。其中土層深度為2 000 mm時(shí)的峰值應(yīng)力,路面A降為土層表面的14.9%,路面B降為土層表面的18.1%。

對土基同一深度上的各土壓力傳感器峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖7所示。

圖7 土層峰值應(yīng)力隨距中心點(diǎn)位置變化曲線

由圖7可知,對2種路面而言,隨著中心距的增大,土壓峰值不斷減小。路面A的土層峰力值在同一測點(diǎn)位置的壓力值高于路面B。但在深度為3 000 mm時(shí),中心距為2 000 mm處2種路面的應(yīng)力差別已經(jīng)非常微小。

4 結(jié)論

本文首次利用自行搭建的路面模擬試驗(yàn)系統(tǒng),著重分析在靜態(tài)大載荷下2種低等級瀝青混凝土路面的動(dòng)態(tài)響應(yīng),可得出結(jié)論如下。

1)靜態(tài)大載荷下路面發(fā)生彈性變形,可忽略靜態(tài)大載荷對路面剩余承載能力的影響。

2)水穩(wěn)碎石層使得路面B最大位移量、土層峰值應(yīng)力均小于路面A。