车辆荷载作用下沥青路面力学响应影响分析

吉增晖 ,余晖 ,郑炳锋 ,潘大为 ,吴威伟 ,张倩倩

(1.扬州市公路事业发展中心,扬州 225007;2.扬州西外环路建设指挥部,扬州 225007;3.苏交科集团股份有限公司,南京 210019;4.新型道路材料国家工程研究中心,南京 210019)

中华人民共和国交通运输部印发的《交通运输行业野外科学观测研究基地建设发展方案(2019—2025 年)》中指出:应当“积累基础设施长期服役性能数据,掌握基础设施结构、材料的长期性能演变规律和运行状态”“充分运用野外观测数据,把握行业基础研究、应用基础研究的主攻方向,加强对交通运输发展趋势规律的研究”。《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)将沥青层层底弯拉应变、沥青层竖向压应力、土基顶部竖向压应变等作为性能预估模型的输入参数。目前输入的力学指标主要基于弹性层状体系,依托有限元模型获得,而沥青路面非线性特征显著,材料指标环境依赖性明显,计算值与实际值的相关性有待进一步论证。因此,有必要寻求沥青路面结构力学指标的动态监测方法,掌握沥青路面结构真实行为,实现沥青路面结构的动态模拟及仿真[1-3]。

王旭东等[4]依托我国足尺路面试验环道,开展了沥青路面结构内部应力应变等力学响应的持续跟踪观测,分析了不同影响因素下力学响应行为的变化规律。董泽蛟等[5]认为沥青路面动态应变测试是掌握结构内部真实受力状态的有效手段,故设计了沥青路面三向应变的测试方法,对不同荷载条件下的动态应变现场实测结果进行了分析。杨永顺等[6]研究发现随着轴载的增加和路面温度的升高,沥青层层底最大拉应变增大,传统半刚性基层结构在重载和较高路面温度下具有较大的沥青层层底应变响应。韩文扬等[7]研究车辆荷载作用下路面结构的动力响应,对沥青路面进行了不同轴重、车速及不同沥青层厚度条件下的路面动力响应实测。刘宁[8]在沥青层中埋设应变传感器测量元件,对路面结构内部在不同实际车辆荷载作用下的力学响应进行监测,分析了多车道高速公路货车车道路面的性能和组合设计。张怀志等[9]采用光纤光栅传感器实测足尺加速加载路面的面层底部、基层底部和路基顶面的力学响应。

2019 年以来,扬州市国省干线公路沥青路面野外观测基地开始建设,依托345 国道仪征新集至刘集段、331 省道宝应段、333 省道高邮段,针对一般路段与特殊路段开展环境信息、交通荷载、力学响应、材料性能、路面性能等多维度的监测工作。本文依托345 国道仪征新集至刘集段建设工程,通过在路面结构的不同层位埋设应力应变传感器,提供力学响应监测方法,分析了轴重、车速等对沥青路面动力响应的影响,以期为路面结构的长期性能监测提供可靠的方法。

1 试验方案

1.1 传感器布设方案

依托345 国道仪征新集至刘集段建设工程,分别在两个断面(新集往刘集方向,K4 +020、K4 +040)行车道的右轮迹带埋设沥青应变计、混凝土应变计、土压力计、温度传感器以及湿度传感器。沥青各结构层内预埋传感器型号如表1 所示。

表1 沥青各结构层内预埋传感器型号

1.2 动力响应试验方案

选择2 轴6 轮标准车对预埋传感器的沥青路面进行测试,测试不同工况(轴重、温度、车速)下路面各结构层的应力应变动态响应,研究轴载、温度以及车速对路面动力响应的影响。试验变量如表2 所示。

表2 试验变量

1.3 动力响应分析方法

为定量分析不同试验条件下沥青路面动力响应,定义εc为后轮所产生的应变/应力时程曲线中压应变/压应力最大值;εt为后轮所产生的应变/应力时程曲线中拉应变/拉应力最大值;Δt为前轮和后轮通过同一个传感器正上方时所产生的时间差,沥青路面动力响应时程曲线参数如图1 所示。

根据沥青路面动力响应时程曲线参数,可以计算得到车辆的行驶速度v,计算公式为

式中,L为车辆前轴和后轴的轴间距。

2 沥青路面动力响应分析

2.1 轴重对动力响应的影响

为研究不同轴重条件下的无机结合料稳定层层底拉应变峰值εt,在路表温度为30 ℃时测试不同轴重无机结合料稳定层层底拉应变,测试结果如图2 所示。

当轴重为50 kN、100 kN 和150 kN 时,底基层层底的拉应变峰值εt分别是4.08 ±0.43 με、10.28±0.53 με 和19.96±0.97 με;下基层层底的拉应变峰值εt分别是2.14 ± 0.25 με、3.80 ± 0.22 με 和5.10±0.52 με。当轴重为150 kN(比标准轴载100 kN 高50%)时,底基层层底拉应变峰值εt比标准轴载增长了94.2%。这表明底基层层底纵向拉应变随轴载增加且呈现非线性增加趋势,可见拉应变的增长会显著缩短无机结合料稳定层的疲劳寿命。

2.2 速度对动力响应的影响

为研究车辆行驶速度对沥青路面动力响应的影响,在路表温度30 ℃、轴载150 kN 的条件下,对埋设传感器的沥青路面采用不同的车辆行驶速度(18 km/h、36 km/h 和58 km/h)进行测试。不同车速条件下下面层层底三向应变时程曲线如图3 所示。

由图3 可以看出,随着车辆行驶速度提高,前轴和后轴行驶过同一传感器的时间间隔递减。此外,后轴所产生的下面层层底三向应变时程曲线中的压、拉应变峰值εc、εt随行驶速度的降低而显著增大。

轴重为50 kN、100 kN 和150 kN 时,采用幂函数对不同车速条件下沥青层层底纵向拉应变大小进行拟合,下面层层底纵向拉应变与车速的相关性如表3 所示。

表3 下面层层底纵向拉应变与车速的相关性

轴重为50 kN、100 kN 和150 kN 时,采用幂函数对不同车速条件下沥青层层底竖向压应变大小进行拟合,下面层层底竖向压应变与车速的相关性如表4 所示。

表4 下面层层底竖向压应变与车速的相关性

运用表3 和表4 中得到的拟合公式,对不同车速条件下沥青层层底的纵向拉应变和竖向压应变进行计算,不同车速条件下下面层层底纵向拉应变和竖向压应变预测结果如表5 所示。

表5 不同车速条件下下面层层底纵向拉应变和竖向压应变预测结果

从表5 可以看出,当速度为1 km/h 时,标准轴载100 kN 使沥青层层底产生了99.2 με 的纵向拉应变,而当行驶速度为80 km/h 时,标准轴重100 kN 使沥青层层底产生了15.4 με 的纵向拉应变,仅为车速1 km/h 时纵向拉应变的15.5%。此外,当车速为1 km/h 时,标准轴重100 kN 使沥青层层底产生了-1 295.4 με的竖向压应变,而当行驶速度为80km/h时,标准轴载100 kN 使沥青层层底产生了-145.5 με 的竖向压应变。由此可见,车辆低速行驶无论是对沥青层层底纵向拉应变还是对竖向压应变均会产生不利影响,进而导致沥青面层产生疲劳开裂和车辙等病害,这就解释了为什么交叉路口等减速、停车频繁路段更易出现路面损坏。这是因为车辆低速行驶会使车轮作用于路面沥青混合料的频率降低,而根据沥青混合料时间-温度等效原理,沥青混合料在低频荷载作用下的动态模量等效于高温下的动态模量。因此,沥青面层的动态模量随车速降低而降低,导致沥青面层内应变增大。在此方面,赵冬汉等[10]提出从交叉口车辙变形层位、抗车辙提升理念和对策角度出发,对交叉口路面结构进行优化设计。

当轴重为50 kN、100 kN 和150 kN 时,不同车速条件下无机结合料层层底的纵向拉应变峰值如图4 所示。由图4 可以看出,无机结合料稳定层层底纵向拉应变均随车速提高而略有所降低。不同于沥青面层层底应变与速度之间呈现的幂函数关系,无机结合料稳定层层底纵向拉应变与行驶速度呈现线性变化关系。

分析原因,一方面是随着路面的扩散作用,不同车速对路面基层混合料作用频率的影响有所减小;另一方面,水泥稳定碎石自身的模量受加载频率的影响远远小于沥青混合料。此外,沥青面层的动态模量随车速降低而降低,这间接导致面层承载力下降,从而导致扩散到基层顶面的压应力增大。

3 结语

本文通过在路面结构的不同层位埋设应力应变传感器,实现力学响应监测方法,分析了轴重、车速等对沥青路面动力响应的影响。基于上述现场试验,得到以下结论:

(1) 当轴重为50 kN、100 kN 和150 kN 时,底基层层底的拉应变峰值分别是4.08 ± 0.43 με、10.28 ±0.53 με 和19.96 ±0.97 με;下基层层底的拉应变峰值分别是2.14 ±0.25 με、3.80 ±0.22 με和5.10 ±0.52 με。由此可知,随着轴重的增加,下基层层底和底基层层底纵向拉应变均显著增加。

(2) 建立了车速分别为18 km/h、36 km/h 和58 km/h 时下面层层底三向应变时程曲线。分别建立了沥青层层底竖向压应变、纵向拉应变与速度的幂函数。

(3) 利用拟合公式可知,当车速为1 km/h 时,标准轴重100 kN 使沥青层层底产生了99.2 με 的纵向拉应变,而当车速为80 km/h 时,标准轴重100 kN 使沥青层层底产生了15.4 με 的纵向拉应变,仅为1 km/h 时纵向拉应变的15.5%。当速度为1 km/h 时,标准轴重100 kN 使沥青层层底产生了-1 295.4 με 的竖向压应变,而当行驶速度为80 km/h 时,标准轴重100 kN 使沥青层层底产生-145.5 με 的竖向压应变。

(4) 实测车辆轴重为50 kN、100 kN 和150 kN 情况下以不同速度驶过无机结合料稳定层层底纵向传感器时所产生的拉应变峰值。结果表明:无机结合料稳定层层底纵向拉应变与行驶速度呈现线性变化关系。