基于APT试验的半刚性基层沥青路面动力响应分析

庄传仪，叶亚丽，张 宁

(1.山东交通学院交通土建工程学院，山东济南 250357；2.济聊高速公路齐河管理处，山东德州 251100)

基于APT试验的半刚性基层沥青路面动力响应分析

庄传仪1，叶亚丽1，张 宁2

(1.山东交通学院交通土建工程学院，山东济南 250357；2.济聊高速公路齐河管理处，山东德州 251100)

通过足尺试验路加速加载试验研究半刚性基层沥青路面的动力响应，为路面性能预估及结构设计提供依据。通过修筑水泥稳定碎石基层和二灰稳定碎石基层2种结构APT试验路，埋设水平应变仪、竖向压应力传感器和温度传感器，实时采集路面结构动应力、应变、弯沉和路面温度场，分析温度与结构动应变、应力响应的关系，开展基于FWD弯沉盆的路面结构层模量和力学响应计算分析。研究结果表明,半刚性基层层底拉应变受温度影响较小，半刚性基层厚度对结构弯沉影响较大；半刚性基层厚度越小，其模量衰减越快；随重复荷载作用，半刚性基层层底拉应变响应先较快增加而后缓慢减小；在路面使用初期(<2 560万次标准轴载)，半刚性基层结构模量衰减较慢，当轮载作用1亿次标准轴载累计当量轴次时，半刚性基层模量约衰减55%。

沥青路面；半刚性基层；APT；动力响应；落锤式弯沉

半刚性基层是我国高等级公路建设中普遍采用的结构类型，研究分析行车荷载和自然环境影响下半刚性基层沥青路面的动力响应，为掌握半刚性基层沥青路面结构响应特征及力学响应规律提供数据支撑，为路面结构性能及结构设计提供依据[1-4]。通过修筑APT(Accelerated Pavement Testing，加速加载试验)足尺试验路，并埋设应变仪、压力盒、温度传感器等，结合加载过程中的实时监测和弯沉测试，可以有效分析半刚性基层沥青路面的动力响应特征[5-8]，快速获取研究数据和成果。

1 APT试验路概况

图1 APT试验路路面结构

1.1结构设计与试验荷载

APT试验路路面结构分为水泥稳定碎石基层和二灰稳定碎石基层2种类型，APT试验路长9 m、宽4 m，路基为无限深，试验路结构布置见图1(图中层厚单位为cm)。足尺试验路采用可移动直线式路面加速加载实验系统(Accelerated Loading Test, ALT)进行疲劳破坏试验。ALT采用单向加载方式，依靠单侧单轴施加荷载，加载有效长度为9 m，单轴轴载为400 kN，有效运行速度为23 km/h，每天可向路面施加约7 000次轮载作用。

1.2传感器埋置

为了对APT试验路路面性能进行实时监测，试验路修筑过程中，在半刚性基层层顶埋设1套土压力盒和2个工字梁应变仪，埋设方式采用沿加载方向和垂直于加载方向2种；在半刚性基层层底布设4个水平纵向应变传感器，具体埋设位置如图2所示。表1为数据采取通道与对应的传感器及位置。

图2 传感器埋设位置示意图

表1传感器编号及位置

数据采集通道编号传感器型号位置W1B⁃1346．0m(二灰碎石底)W20132．5m(水稳碎石底)W3242．0m(水稳碎石底)W4093．2m(水稳碎石底)W6Y⁃152．5m(沥青面层底)W11035．5m(沥青面层底)W13土压力盒4．5m(二灰碎石底)

图3 弯沉检测位置

2 数据采集

2.1应力应变数据采集

路面结构响应的时间和电压采用DATAQ高频数据采集设备定期采集，基于DSP二次开发将电压信号处理转变为应变，最后利用Excel截取最大应变和最小应变作为实时的拉压应变[9-10]。

2.2弯沉采集

在足尺APT试验路疲劳加载破坏试验过程中，每加载一定次数(70 000次)后采用落锤式弯沉仪检测路面弯沉盆参数，弯沉检测位置如图3所示(图中长度单位为m)。

3 路面实时响应数据分析

3.1 APT试验路温度场

试验路在路表面以下0，2，4 cm不同深度处埋设3个温度传感器, 对应的温度分别用T1、T2、T3表示，传感器每隔15 min自动采集1次温度，其中 0 cm处温度传感器用来测量路表面处的空气温度。图4为加载143 928次时采集到的路面结构层不同深度处的温度变化曲线，可以看出沥青层不同深度处的温度随环境温度的升降而升降，由于热量传递的时间差，沥青层底温度变化明显滞后，但随着深度的增加，温度变化幅度趋于平缓。

图4 路表温度及沥青层不同深度处温度变化

3.2温度与应变

加速加载试验期间每天定期(选在9：00和21：00)对路面结构层底的拉压应变进行采集，由于温度较高时拉压应变变化较明显，因此设定应变采集频率为2 000 Hz/通道，连续采集3 min以上以确保应变采集数据的准确性与稳定性，同时记录沥青层不同深度处的温度。

图5为结构1在不同加载次数时路面应变和温度的变化曲线。传感器W6采集结构1轮隙中间处沥青层底拉压应变，传感器W2采集水稳碎石基层底的拉压应变，在已完成的加载中，面层底的应变为20×10-6～39.4×10-6，基层底的应变为58.5×10-6～73.2×10-6，初始应变均较小且整体变化幅度不大，半刚性基层层底拉应变对温度的变化不敏感，受温度的影响很小。

图5 结构1不同加载次数时面层底和基层底应变随温度的变化曲线

图6为结构3在不同加载次数时路面应变和温度的变化曲线。传感器W11采集结构3轮隙中间处沥青层底拉压应变，传感器W1采集二灰碎石基层底的拉压应变，在已完成的加载中，面层底的应变为87.6×10-6～185.3×10-6，基层底的应变为74.6×10-6～103.7×10-6，同样可以看出半刚性基层层底拉应变基本不受温度影响。

3.3温度与应力

结构3在不同加载次数下基层顶应力和温度的变化曲线如图7所示。由图7可以看出，基层层顶位置压应力为32.9～45.9 kPa，随着荷载作用次数的增加，压应力的变化与温度的变化趋势有较高的相关性。

4 APT试验路结构响应特征分析

4.1 FWD弯沉

在加速加载试验期间共进行6次FWD弯沉检测，每个桩号以相同荷载水平检测3次并取后2次的荷载中心点处弯沉的均值作为此处的代表弯沉[11]，其中3种结构不同桩号处的FWD荷载中心处的弯沉随加载次数的变化曲线如图8所示。

图6 结构3不同加载次数下面层底应变基层底应变和温度的变化曲线

图7 结构3不同加载次数下基层顶应力和温度的变化曲线

图8 不同路面结构的FWD弯沉随加载次数的变化曲线

由图8可以看出，FWD荷载中心处的弯沉随加载次数的增加而逐渐增大，在前15万次的加载过程中，弯沉变化幅度不明显，继续加载过程中弯沉增加幅度明显增大。加速加载试验过程中得到的弯沉结果表明，对于同一基层厚度的二灰稳定碎石基层结构和水泥稳定碎石结构基层的弯沉相差不大，与结构1和结构2相比，基层厚度较薄的二灰稳定碎石基层结构(结构3)的弯沉较大。弯沉随着加载次数的增加而逐渐增大，说明路面结构在荷载的反复作用下强度会相应衰减。

4.2 FWD反算模量

为研究重复载荷作用下半刚性基层的模量的衰变规律，在APT足尺路面不同加载阶段进行路表FWD弯沉测试，进行各结构层的模量反算，得到半刚性基层的模量衰减变化。由于APT试验路路面结构层次较多，且沥青层较薄，为了避免迭代反算造成的数据失真，在FWD模量反算时应将沥青层模量事先确定，作为已知参数，反算其它结构层的模量，提高路面结构模量反算的精度和准确性。

参考AASHTO TP62试验方法，采用常应变控制方式，对旋转压实成型的圆柱体试件施加连续正弦荷载，测试AC-13沥青混合料试件在代表温度(20 ℃)下的动态模量。永久性路面沥青层模量与温度关系模型为

E20=ET×exp(-0.072 2(20-T))，

(1)

式中E20为20 ℃沥青层的动态模量，MPa；ET为温度T的沥青层的动态模量，MPa；T为沥青面层中间深度处的温度，℃。

APT足尺路面加速加载疲劳破坏试验期间，进行了6次路表FWD弯沉检测。FWD结构模量反算时选用50 kN荷载水平测试的弯沉盆，其中沥青层动态模量根据FWD弯沉测试时的路面温度由式(1)计算得到，反算路面基层和路基的结构模量。图9为APT试验路半刚性基层模量随轴载重复作用次数的变化。

图9 不同路面结构的基层模量与加载次数的相关性曲线

由图9可以看出，在足尺路面加速加载疲劳试验初期(0～10万次)，半刚性基层的模量随加载次数的增加而缓慢下降；随荷载的继续作用，其模量随荷载作用次数下降较快；半刚性基层结构3的模量衰减速度>结构1>结构2；在加速加载半刚性基层疲劳破坏过程中，主要分为2个阶段：第一阶段，在半刚性基层的模量衰减过程中，加载次数为0～10万次(标准轴载累计当量次数0～2 560万次)时，各结构层半刚性基层的模量平均衰减了5.23%，衰减速度较慢，基层模量的下降趋势较平缓；第二阶段，加载次数>10万次后，基层模量的下降速率加快，经过37万次重轮载作用后(标准轴载累计当量次数约1亿次)，各结构层半刚性基层的模量平均衰减了54.87%，基层模量的衰减速率较快。

4.3力学响应及其特征

图10 力学响应计算模型及控制点位应变传感器埋设

半刚性基层的刚度较大，沥青面层的底面基本上处于压应力(应变)或低拉应力(应变)状态，因而，在基层产生疲劳开裂破坏之前，沥青面层不会出现自下而上的疲劳开裂损坏[12]。在行车荷载作用下，半刚性基层沥青路面基层层底承受较大的弯拉应力，现行公路沥青路面设计规范同样以半刚性基层层底拉应变(力)作为设计指标之一，以控制半刚性基层的疲劳开裂[13-15]。因此，取半刚性基层层底作为拉应变计算的关键控制点位，并在该位置预先埋设应变传感器，实时监测足尺路面结构在行车荷载和环境因素影响下的力学响应。控制点位及应变传感器埋设如图10所示。

以足尺路面结构3为例，采用多层弹性层状体系计算控制点位的力学响应，假设各结构层层间界面状态为完全连续，采用双圆垂直均布荷载(半径为r)，轴载为单轴双轮组200 kN，轮胎接地胎压为1.1 MPa，接地半径为12.03 cm，双圆荷载中心距为31.95 cm。根据现场FWD结构层反算模量结果，将各层材料的模量、泊松比和厚度参数输入到计算程序中，得到控制点的应变，然后将理论计算结果与实测结果进行比较，如图11所示。

由图11分析发现，二灰碎石基层层底计算应变略小于实测应变，两者分布规律较一致，具有较好的相关性；随重复荷载作用次数增加，半刚性基层层底实测应变与理论计算应变均表现出一致的规律性：在加载初期，半刚性基层层底拉应变响应增大，这与面层沥青混合料被行车荷载的进一步压密有关；经过一定重复荷载的作用次数后，半刚性基层层底拉应变表现为随荷载作用次数增加，先急剧下降后趋于平缓的状态。

图11 结构3基层层底应变响应实测与计算对比

5 结论

1)半刚性基层层底埋设动应变仪传感器，能监测路面结构在行车荷载和环境影响下的路面结构力学响应，为半刚性基层沥青路面结构性能预测、路面结构设计及半刚性基层疲劳寿命预估模型的修正提供有效技术措施。

2)随荷载作用次数的增加，半刚性基层沥青路面路表FWD中心弯沉先减小后增大，半刚性基层厚度对结构弯沉影响较大，半刚性基层厚度越小，FWD中心弯沉越大。

3)重复荷载作用初期，半刚性基层模量衰减较缓慢，约经过10万次200 kN单轴轴载作用后，半刚性基层模量衰减较快，且随半刚性基层厚度的减小，其模量衰减速率越大；水泥稳定碎石基层强度衰减速率大于二灰稳定碎石基层。

4)FWD反算模量作为半刚性基层沥青路面结构响应分析输入参数，能满足计算分析精度要求。

5)在重复车辆荷载作用初期，随沥青层被进一步压密，半刚性基层层底拉应变响应增大；经过一定重复荷载作用次数后，半刚性基层层底拉应变衰减较快，而后衰减速率变慢。

[1]管志光, 庄传仪, 林明星.足尺沥青混凝土路面加速加载动力响应[J].交通运输工程学报, 2012,12(2):24-31.

[2]Hugo F，Epps Martin.Significant Findings From the Full-Scale Accelerated Pavement Testing[M].Washington D.C., America: Transportation Research Board of National Academics , 2004.

[3]David H Timm, Angela L Priest, Thomas V McEwen.Design and Instrumentation of the Structural Pavement Experiment at the NCAT Test Track[R]．AUBURN:National Centor for Asphalt Technology, 2004.

[4]韦金城, 庄传仪, 高雪池, 等.基于疲劳损伤的沥青路面设计温度及预估模型研究[J].公路交通科技, 2010,27(5):6-10.

[5]庄传仪.基于加速加载响应的柔性基层沥青路面设计指标与参数研究[D].西安:长安大学, 2012.

[6]管志光, 王旭光, 张吉卫.路面加速加载试验设备控制系统的研究[J].山东交通学院学报, 2010,18(2):59-61.

[7]张鹏, 国兴玉, 王旭光, 等.足尺路面加速加载试验设备技术研究[J].山东交通学院学报, 2011,19(4):41-44.

[8]管志光, 王旭光, 张吉卫.路面加速加载数据采集系统的设计[J].筑路机械与施工机械化, 2011(3):78-80,84.

[9]叶亚丽, 庄传仪, 杨洁.长寿命沥青路面动态响应数据的采集与分析方法[J].山东交通学院学报, 2011,19(4):37-40.

[10]韦金城, 王林, David H Timm.沥青层应变传感器数据采集及处理方法研究[J].公路工程，2009,34(2):45-47.

[11]杨永顺, 王林, 马士杰, 等．永久性沥青路面设计方法研究总报告[R].济南：山东省交通厅公路局, 2008.

[12]姚祖康.沥青路面结构设计[M].北京:人民交通出版社, 2011.

[13]董忠红,吕彭民.交通荷载下沥青路面结构动力响应理论研究[J].郑州大学学报:工学版, 2007, 28( 4) : 88-91.

[14]叶亚丽, 庄传仪, 王林, 等.基于加速加载试验的柔性基层沥青混凝土路面动力响应[J].公路, 2013(11):1-7.

[15]廖公云, 路畅, 黄晓明.沥青路面结构力学响应的分层检测与分析[J].东南大学学报:自然科学版, 2010,40(5):1061-1065.

AnalysisforDynamicResponseofSemi-RigidBaseAsphaltPavementBasedonAPTTest

ZHUANGChuan-yi1，YEYa-li1，ZHANGNing2

(1.SchoolofTransportationandCivilEngineering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China;2.QiheManagementOfficeofJiliaoSuperhighway,Dezhou251100,China)

In this article, the dynamic response of the semi-rigid asphalt pavement is studied through the acceleration and loading test on the full-scale test road, which provides the basis for the prediction and structural design of pavement performance. Through the APT test road construction with the two structures of cement stabilized macadam and lime-fly ash stabilized macadam, strain gauges, vertical stress sensors and temperature sensors are laid to make the real-time collection of the dynamic stress, strain and deflection of the pavement structure as well as the pavement temperature field, to analyze the correlation between the temperature and the responses of the structural dynamic strain and stress and also the calculation of the pavement layer moduli and mechanical response based on the FWD deflection basin. The research results are as follows. The tensile strain of semi-rigid base layer is less affected by temperature. The structural deflection is greatly affected by the thickness of the semi-rigid base. The thinner the semi-rigid base thickness is, the faster the decline of its modulus is. With the function of repeated loads, the declining rate of tensile strain of semi-rigid base layer increases first and then slowly decreases. In the early service (less than 25.6 million times of standard axle loads), the modulus of the semi-rigid base decays slowly and when the pavement is loaded with 100 million cumulative equivalent standard axle loads, its modulus decays about 55%.

asphalt pavement; semi-rigid base; APT; dynamic response; falling weight deflection

郎伟锋)

2014-03-03

交通运输部应用基础研究项目 ( 2011-319-817-480)；山东省交通科技创新计划项目(2011-10)；山东交通学院科研基金项目(Z201324)

庄传仪(1980—)，男，山东青州人，山东交通学院讲师，工学博士，主要研究方向为路面结构与材料性能.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.012

U416.223;416.217

A

1672-0032(2014)03-0055-07