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沥青路面结构内部的力学响应特征及分析
发布时间:2021-01-21

为了揭示沥青路面结构内部的力学响应特征及变化规律,为研发适合我国国情和公路建设特点的沥青路面结构设计方法提供可靠的实测数据,依托我国足尺路面试验环道RIOHTrack,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。

参考文献:王旭东, 周兴业, 关伟, 等. 沥青路面结构内部的力学响应特征及分析. 科学通报, 2020, 65: 3298–3307

 
 

从20世纪90年代末开始,我国依托室外大型加速加载设备开展路面结构内部应力、应变响应状态的数据采集,但由于简化了路面结构、数据采集周期短、力学响应信息采集不完整等,导致我国在这方面的研究滞后于世界路面技术先进国家,成为我国沥青路面技术发展的短板。例如,在2017版《公路沥青路面设计规范》修订时,大量采用了美国NCAT试验环道的观测数据。然而,由于NCAT环道使用的柔性基层沥青路面与我国常用的半刚性基层沥青路面有较大差异,导致结构内部的力学响应特征和演化规律存在较大的不同。因此,自主开展我国沥青路面结构力学响应状态的观测与研究对推动我国沥青路面技术的创新发展是十分必要的。

2015年底,由交通运输部公路科学研究院负责建成了足尺路面试验环道(Research Instituteof Highway MOT Track, RIOHTrack)。在环道主试验路段铺设的19种不同形式的沥青路面结构中埋设了近1200个动态应力、应变传感器, 实时采集荷载与环境耦合作用下沥青路面结构内部的力学响应状态。

 

沥青路面结构内部的力学响应观测

为了研究沥青路面结构内部的力学响应特征,选择RIOHTrack主试验路段的半刚性基层长寿命路面结构STR1以及全厚式长寿命沥青路面结构STR19作为研究对象,通过在结构内部埋设应力、应变传感器的方法,观测其力学响应。

 

01

应力、应变传感器的布设

RIOHTrack沥青混凝土结构层的水平应变采用日本TML公司的“工字型”KM-100HAS动态沥青应变计(图1(a))进行观测, 半刚性材料层水平应变采用TML公司的KM-100A动态混凝土应变计进行观测, 各结构层的竖向应力σz采用Sisgeo公司的P252A型液压土压力计(图1(b))进行观测, 结构层内部温度采用PT100铂电阻温度传感器进行观测。

KM-100HAS

专为沥青道路检测设计,具有耐高温,防水结构特性, 可以保证传感器在沥青路面中位置固定、和沥青混合料结合牢固,耐碾压、成活率高。

KM应变传感器

具有极低的模量和防水结构,非常适合测量固化最初阶段的内部应变。该传感器具有高精度和优异的稳定性,可用于长期应变测量。

P252A

用来监测土石坝和填方工程(路、堤等)内部的总压力(包含孔隙水压力)。

这些传感器布设于每层路面结构层的层底位置处,每层观测水平应变的应变计采用矩阵形式设计:在正方形四个角上沿行车方向和垂直行车方向各埋设一个应变计(图2),沿行车方向埋设的称为纵向应变计,记为εy, 垂直行车方向埋设的称为横向应变计,记为εx。考虑到RIOHTrack每种结构的试验段落仅有50m, 故选择每个段落的中间位置埋设传感器、安装数据采集模块。由于每种结构需要埋设的传感器数量较多且需要各层上下位置对应, 各传感器之间的距离较小、位置集中、引线较多,更适合使用图2所示的“后埋法”进行埋设。
 


 

为了解决“后埋法”传感器附近结构层整体性较弱、压实效果不良的问题,根据开槽取板处的体积、该结构层施工当天抽检的最大理论密度和现场压实度三个指标计算需要回填沥青混合料的质量,并将全部沥青混合料回填至开槽处, 再利用压路机将其碾压平整, 以保证传感器附近结构层的压实度和整体性。同时,为了提高存活率,在埋设过程中全程监测传感器的响应波形,一旦出现失效的情况,便将其当场挖出,更换新的传感器以后,再重新埋设。

 

02

路面结构形式

R IOHTrack环道38种试验路面结构

在本文研究的两种结构中:

STR1

由两层厚度为20cm的水泥稳定土底基层CS、两层厚度为20cm的水泥稳定碎石基层CBG25、一层厚度为8cm的低标号沥青混凝土下面层AC20(AH-30)以及一层厚度为4cm的改性沥青混凝土表面层AC13(SBS)组成,路面结构总厚度为92cm;

STR19

由一层厚度为20cm的水泥稳定碎石底基层CBG25、三层厚度为12cm的低标号沥青混凝土基层AC25(AH-30)、一层厚度为8cm的低标号沥青混凝土下面层AC20(AH-30)以及一层厚度为4cm的表面层SMA13(SBS)组成,路面结构总厚度为68cm

 

03

力学响应观测试验

采用落锤式弯沉仪(falling weight deflectometer,FWD)作为试验荷载,同步采集施加FWD落锤荷载时STR1和STR19两种路面结构内部的应力、应变实时响应数据。

FWD仪器的承载板作用位置位于图2中土压力计的正上方,试验荷载水平共4级,分别为5、7、9、11t。每级荷载进行3次平行试验,取它们的均值作为试验结果,当平行性较差时,重新进行试验。

  • 2017年1月~2018年6月:每半个月采集一次FWD荷载作用下的结构内部力学响应;
  • 2018年7月~2020年2月:每个月采集一次

图3为某次FWD检测时,荷载水平为5t情况下,STR19结构层内部h=12cm位置处应力响应波形的时程曲线示意图。可以看出,时程曲线存在基线、波峰和波谷三个特征参数,选择波峰与基线的差值(即波峰值)进行应力、应变响应的分析,未取用波谷值和波峰波谷相对值。

图3 应力时程曲线

 

力学响应观测结果与分析


 

准确获取沥青路面结构内部力学响应特征,揭示路面真实服役行为的演化过程和性能演变机理,是建立沥青路面设计方法的核心问题。
沥青路面在服役过程中,受温度荷载等外部环境因素的影响,不同路面结构会表现出差异化的服役行为。而且,随着温度、荷载等沿深度方向的梯度分布,各结构层中的力学响应状态也会随位置不同而发生变化,使得结构受力状态变得更为复杂,这些通过理论计算很难发现,只有通过对实体路面结构受力状态的实测与分析,才能获得真实响应数据。

为了深入研究不同因素下沥青路面结构内部的力学响应,我们主要针对沥青路面力学响应在年循环周期内的温度、荷载、深度等因素影响下的实际响应特征和变化规律,为建立适合我国国情和公路建设特点的新一代沥青路面设计及分析方法提供基础数据。

 

01

年周期内力学响应特征的变化规律

2017~2019年间FWD荷载为5t时,RIOHTrack主试验路段的全厚式长寿命沥青路面结构STR19内部深度h为12cm处的沥青层层底应力、应变,如下图所示。

压缩状态:应力实测值为正值、应变实测值为负值时的力学响应状态,分别对应于压应力、压应变;

拉伸状态:应力实测值为负值、应变实测值为正值时的力学响应状态,分别对应于拉应力、拉应变。

沥青路面年周期内力学响应(a) 应变; (b) 应力

1

应变实测值为负值,应力实测值为正值,表明STR19内部深度为12cm处的沥青层层底横向水平应变εx、纵向水平应变εy均为压应变,竖向应力σz为压应力。

2

三年间, 该位置处的应力、应变以年为周期呈现显著的交替波动变化, 每一年的变化规律都极为相似。这是由于,路面结构内部的应力、应变受温度的影响较大,在年周期内,受季节更替影响,结构内部温度不断变化,导致应力、应变以年为周期出现交替变化。

02

温度对力学响应的影响

温度对力学响应数值的影响

进一步研究力学响应数值与温度的相关关系,提取STR19内部深度为12cm处温度、沥青层层底应力、应变,绘制温度与应变、温度与应力的关系曲线,如图所示。

温度与应力、应变的关系(h=12 cm). (a) 横向水平应变εx; (b) 纵向水平应变εy; (c) 竖向应力σz(指数函数); (d) 竖向应力σz(Boltzmann函数)

1

沥青混凝土是一种温度敏感性材料,随着温度变化,其黏弹性力学性质和路用性能会出现显著变化,导致沥青混凝土在路面结构中的力学响应状态发生一定改变。从(a)和(b)可以看出,所测沥青层层底应变与温度之间具有较好的相关性。

2

由图(a)和(b)可以看出,应变与温度之间呈现单调增加的变化趋势。采用指数函数关系拟合精度最高,决定系数R2可达0.86以上,具有较高的可靠性。因此,当需要剥离温度对应变响应的影响时,可以采用式(1)所建立的应变-温度函数关系式对应变响应进行温度修正,统一在某一基准温度下进行相互比较(y为应变(应力),x为温度,a、b为回归参数)

式(1):y=aebx

3

沥青层层底应力与温度之间采用式(1)中的指数函数关系拟合效果较差,采用Boltzmann函数进行拟合效果最好。如图(d)所示,沥青路面在服役过程中,在一定温度范围内,温度的变化对应力的影响较为显著,但当温度低于某一数值,或高于某一数值时,应力变化较为缓慢,即温度对应力响应的影响存在一个敏感区间。

温度对力学响应方向的影响

为了研究温度对其他结构层位力学响应方向的影响,我们仍选择STR19结构,持续观测2017~2019年间路面结构内部深度为24、36、48cm位置处沥青材料层层底横向水平应变εx的响应数值,绘制温度与应变的相关关系曲线。

温度与横向水平应变关系. (a) h=24 cm; (b) h=36 cm; (c) h=48 cm

1

对于沥青材料层较厚的全厚式路面而言, 沥青路面在服役期间,环境温度变化会引起某一深度位置处力学响应方向的改变,会出现由压缩到拉伸或由拉伸到压缩的转换。

2

由此可以推断,在上述深度位置处,随着温度的交替变化,力学响应方向也会交替变化,从而引起该位置处出现温度疲劳隐患, 比其他位置处的受力更为不利。

03

荷载水平对力学响应的影响

某年夏季和冬季观测周期内, RIOHTrack主试验结构STR1内部深度为12cm处沥青层层底竖向应力σz、纵向水平应变εy与FWD荷载水平之间的关系曲线。

应变/应力与荷载关系(STR1). (a) 应变εy与荷载关系(STR1); (b) 应力σz与荷载关系(STR1)

1

STR1内部深度为12cm处沥青层层底竖向应力σz、纵向水平应变εy随着FWD荷载水平的增加而显著增大,并表现出明显的非线性变化趋势,路面结构内部的力学响应具有荷载依赖性。特别是在温度较高的夏季且FWD荷载较重时,这种非线性变化趋势更加明显。

2

沥青路面的荷载依赖性主要受路面材料非线性性质的影响,在温度较低的冬季,路面材料硬、劲度模量大,服从线弹性本构关系, 力学响应遵循线弹性力学问题。在温度较高的夏季,路面材料软、劲度模量小,服从非线性本构关系,力学响应遵循非线性力学问题,此时,如果荷载较重,力学响应会表现出材料非线性和几何非线性现象。

04

力学响应沿深度的分布特征

某年春季、夏季、冬季观测周期内,RIOHTrack主试验结构STR1和STR19内部各层层底横向水平应变εx、纵向水平应变εy随深度的变化曲线。

深度与应变关系. (a) εx(STR1); (b) εy(STR1); (c) εx(STR19); (d) εy(STR19)

1

无论哪个季节,STR1内部深度为12、32cm处路面结构层层底均为压应变,而52、72、92cm处路面结构层层底均为拉应变,最大拉应变点出现在52cm深度处,且不随季节改变。

2

无论哪个季节,STR19内部深度为12cm处路面结构层层底均为压应变,36、48、68cm处路面结构层层底均为拉应变,而24cm处路面结构层层底应变会随着温度的变化而出现压缩-拉伸转换,最大拉应变点出现在48cm深度处,且不随季节改变。

3

出现压缩-拉伸转换的深度位于24~36cm之间,随着温度升高,压缩-拉伸转换的深度会渐渐背离路表而向下移动。这是由于,当温度较低时,沥青混凝土结构层更接近于板体,外力荷载可以在沥青混凝土结构层内进行消散,不会再向下传递;当温度较高时,沥青混凝土结构层板体性消失,接近于黏流态体,此时外力荷载无法在上部结构进行消散,只能向下部传递。

4

由于STR19基层材料使用了低标号沥青混凝土,在相同荷载作用下产生的应变更小,导致STR1结构中水稳碎石基层层底应变数值大于STR19结构中沥青层层底应变数值。

结语

沥青路面结构内部的力学响应具有温度依赖性和荷载依赖性,且随着温度、荷载的变化呈现显著的非线性变化特征,而现行多数沥青路面设计方法所使用的线弹性层状体系理论,由于不能客观描述沥青路面结构服役过程中的非线性服役行为和实际力学响应,存在明显的局限性,因此在建立新一代沥青路面设计方法时,必须考虑非线性力学理论进行计算,方可保证路面力学分析的合理性。

此外,对温度依赖性的研究发现,温度变化除引起力学响应数值的变化以外,还会引起某些位置处力学响应方向的改变,会出现压缩到拉伸或者拉伸到压缩状态的转换,这与被大家普遍接受的温度仅引起力学响应数值单调增减的认识完全不同。据此推断,在结构内部某些位置处,随着温度的交替变化,由于力学响应方向也会交替变化,会导致这些位置出现温度疲劳问题,受力更为不利。

其他结论

01

沥青路面结构内部的应力、应变等力学响应会以年为周期呈现显著的交替波动变化:冬季低温时沥青层层底的应力、应变数值最小,随着温度升高,数值逐渐增大,直至夏季高温时达到最大,之后数值变小,到冬季以后又减小至很低的水平。

02

对于路面结构内部大多数位置而言,温度只是单调地影响力学响应的数值大小,并不改变方向,应变与温度关系可以采用指数函数描述,应力与温度关系曲线可以采用Boltzmann函数描述,且决定系数R2可达到0.94以上。

03

对于全厚式路面结构内部的沥青混凝土结构层而言,温度会改变力学响应的方向, 应变与温度的关系曲线存在拉伸-压缩转换点和应变0值线。在深度方向上,出现压缩-拉伸转换的深度位于24~36cm之间,随着温度升高,压缩-拉伸转换的深度会渐渐背离路表而向下移动。

04

沥青层层底应力、应变响应随着荷载水平增加而显著增大,并表现为明显的非线性变化趋势,路面结构内部的力学响应具有荷载依赖性,尤其是在高温、重载时非线性现象更加明显。

-END-

本文内容摘自文献:王旭东, 周兴业, 关伟, 等. 沥青路面结构内部的力学响应特征及分析. 科学通报, 2020, 65: 3298–3307。更多详细研究分析及内容请参考文献原文。

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