呂惠卿，張湘?zhèn)?，尹?yīng)梅，陳文滔

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州，510006；2.廣東工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，廣東 廣州，510006)

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CCP加鋪瀝青路面的力學(xué)性能監(jiān)測研究

呂惠卿1，張湘?zhèn)?，尹應(yīng)梅1，陳文滔1

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州，510006；2.廣東工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，廣東 廣州，510006)

為獲取破損水泥混凝土路面(CCP)加鋪半剛性基層瀝青面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的工作信息，在試驗路段施工過程中埋設(shè)傳感器，監(jiān)測溫度、濕度和荷載多物理場作用下路面半剛性基層內(nèi)應(yīng)變及溫度變化規(guī)律，得出了施工完畢運營初期和運營期間半剛性基層頂部和底部的應(yīng)變變化情況。監(jiān)測結(jié)果顯示：基層的力學(xué)響應(yīng)受舊水泥混凝土路面的影響較大，控制破損水泥混凝土路面加鋪半剛性基層瀝青面層反射裂縫的關(guān)鍵是保持舊水泥路面的穩(wěn)定及半剛性基層的整體穩(wěn)定性。

道路工程；力學(xué)性能；應(yīng)變監(jiān)測；加鋪瀝青路面

破損水泥混凝土路面加鋪半剛性基層瀝青面層涉及到不同類型的材料，瀝青材料本身具有復(fù)雜本構(gòu)關(guān)系[1]，舊混凝土板有接裂縫，道路本身的不平整度，層間接觸情況等復(fù)雜性[2]，使得影響結(jié)構(gòu)耦合行為的因素更復(fù)雜[3]，該結(jié)構(gòu)的早期破損已引起學(xué)者們普遍關(guān)注[4]。為獲取路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的工作信息，在野外環(huán)境下監(jiān)測多物理場作用下各結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度場及應(yīng)變變化規(guī)律,可以為路面結(jié)構(gòu)破壞多場耦合動力學(xué)模型建立和本構(gòu)模型參數(shù)的反演提供理論依據(jù)和參數(shù)依據(jù)[5-6]。S.M.Kim，等[7]將振弦式應(yīng)變計(VWSG)和溫度傳感器埋入路面結(jié)構(gòu)內(nèi),研究了水泥混凝土路面加鋪水泥混凝土路面受氣候荷載作用時各結(jié)構(gòu)層的變形。Zhou Zhi，等[8]和董澤蛟，等[9]利用光纖光柵傳感監(jiān)測研究了高速公路各結(jié)構(gòu)層的三維應(yīng)變。

筆者基于振弦式傳感器和半導(dǎo)體類電壓型溫度傳感器組成監(jiān)測系統(tǒng)[10]研究了路面結(jié)構(gòu)在行車荷載、溫度及濕度多物理場的作用下，半剛性基層的力學(xué)響應(yīng)變化規(guī)律，并分析水泥路面加鋪瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的情況。

1 試驗路工程背景

試驗路段位于G321線廣東高要小湘與德慶之間，采用二級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn), 設(shè)計速度為60 km/h。根據(jù)現(xiàn)有路況情況，在對舊水泥混凝土路面進行處治后，采用瀝青混凝土面層進行加鋪處理，以恢復(fù)路面的表面性能，改善路面的行駛質(zhì)量。路面橫斷面結(jié)構(gòu)如圖1。

2 監(jiān)測手段

在施工過程中埋設(shè)振弦式傳感器和溫度傳感器監(jiān)測半剛性基層的材料特征和力學(xué)響應(yīng)的變化過程。傳感器的布置情況如圖2。在水泥混凝土路面頂面(即鋪基層之前)預(yù)埋應(yīng)變計，并且在新加鋪水泥穩(wěn)定碎石基層上面(即鋪面層之前)預(yù)埋應(yīng)變計。

圖2 傳感器的布置情況Fig.2 Sensors embedded in the pavement

為避免攤鋪機在施工過程中對傳感器的碾壓及移位，采取了相應(yīng)的保護措施。首先對應(yīng)變傳感器做了耐壓保護，在薄弱部位通過鋼管保護。為了避免傳感器在施工過程中移位，舊水泥路面頂面的傳感器通過支座固定在路面結(jié)構(gòu)中，基層頂面?zhèn)鞲衅鞯亩ㄎ灰揽慷ㄎ徊蹖崿F(xiàn)〔基層施工中放置預(yù)制塊預(yù)留埋置傳感器的空間，見圖2(b)〕。同時傳感器在橫斷面埋設(shè)位置避免攤鋪機履帶的碾壓，以此來保護傳感器。

3 路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變場和溫度場監(jiān)測

野外環(huán)境下，溫度、濕度(雨水)及行車載荷多物理場的作用，引起路面結(jié)構(gòu)材料的彈性模量等物理屬性、材料的本構(gòu)關(guān)系及層間接觸狀態(tài)發(fā)生變化，路面結(jié)構(gòu)的時變性對路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)及使用性能有很大的影響。利用有限元分析軟件進行力學(xué)分析時，力學(xué)分析模型很難建立準(zhǔn)確，或者造成數(shù)值計算上的困難。路面結(jié)構(gòu)組成不同，對不同層次材料的要求也是不同的。根據(jù)不同層次的受力狀況，設(shè)計出符合路面結(jié)構(gòu)要求的材料，真正將材料組成設(shè)計與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合起來，對于減少白加黑路面的早期損壞，改善其使用性能并延長使用壽命具有重要的理論意義和重大的實用價值。

3.1 開放交通后第1周的監(jiān)測結(jié)果

在路面施工結(jié)束后，開放交通的第1周內(nèi)每天對路面結(jié)構(gòu)進行連續(xù)測量。測量方法為分別采取對路面兩個預(yù)埋應(yīng)變計的點進行檢測，其中每個點包括基層底部和基層頂部的縱向及橫向的應(yīng)變測量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。測點1的樁號為廣州往德慶方向的右幅K132+611，路面結(jié)構(gòu)形式如表1。

表1 試驗路的結(jié)構(gòu)

試驗路段溫度場和應(yīng)變場監(jiān)測結(jié)果見表2、圖3及圖4。

表2 試驗路段溫度場和應(yīng)變場監(jiān)測結(jié)果

由表2可以看出，該類型路面結(jié)構(gòu)17:00左右瀝青路面頂面的溫度高于氣溫，水泥穩(wěn)定基層頂部的溫度高于瀝青面層，10-26 T 18:35，AC面層的最高溫差為2.9 ℃，溫度梯度為29 ℃/m；水泥穩(wěn)定基層頂面的溫度高于舊水泥路面頂面，溫度梯度最大值出現(xiàn)在10-27 T 15:20，為5.1 ℃,溫度梯度為26 ℃/m。由于舊PCC板、水泥穩(wěn)定碎石基層、AC面層的熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)率和熱輻射能力不同，層間的接觸條件，以及舊路破碎穩(wěn)固的處置方式，路面結(jié)構(gòu)是一個靜不定的不連續(xù)結(jié)構(gòu)，其應(yīng)變場比較復(fù)雜。由表2可以看出，下午時分，水泥穩(wěn)定碎石基層頂面的溫度高于路面溫度高于AC面層，舊PCC板頂面的溫度低于水泥穩(wěn)定碎石基層頂面的溫度。

圖3 基層底面應(yīng)變Fig.3 Strain at the bottom of the base

圖4 基層頂面應(yīng)變Fig.4 Strain at the top of the base

由圖3可以看出，溫度升高，基層底部縱向受拉，溫度每上升1 ℃，縱向拉應(yīng)變?yōu)?.6 με；但是隨著溫度升高，基層底部橫向收縮，溫度每上升1 ℃，橫向壓應(yīng)變?yōu)? με。

由圖4可以看出，溫度升高，基層頂部縱向受拉，溫度每上升1 ℃，縱向拉應(yīng)變?yōu)?.7 με；但是隨著溫度升高，基層頂部橫向也受拉，溫度每上升1 ℃，橫向壓應(yīng)變?yōu)?.4 με。

3.2 運營期間不同月份的的監(jiān)測結(jié)果

利用全自動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測路面結(jié)構(gòu)運營期間應(yīng)變狀況。它由傳感器、GSM無線遠程搖控開關(guān)、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、計算機和數(shù)據(jù)管理軟件組成，如圖5。GSM無線遠程搖控開關(guān)可持續(xù)、穩(wěn)定24 h不間斷長年可靠地運行，用手機撥打一個電話號碼或發(fā)一條短信即可以控制測量地放置的數(shù)據(jù)采集模塊(MCU)主站的通電和斷電。運營期間數(shù)據(jù)采樣頻率為5 Hz，為間斷采樣測試。

圖5 全自動監(jiān)試系統(tǒng)的組成Fig.5 Automatic monitoring system

3.2.1 基層頂部縱向應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

圖6是基層頂部縱向應(yīng)變長期監(jiān)測的結(jié)果。由圖6可以看出：隨著季節(jié)變化，從2011-09-18—2011-12-19氣溫及路面溫度總體下降，面層底部由于溫度引起收縮應(yīng)變；從2012-01-07—2012-04-20面層由于溫度引起拉應(yīng)變。從2011-09-18—2011-10-07，溫度引起的面層底部應(yīng)變變化為25 με，從2011-10-07—2011-12-26總體受壓，應(yīng)變變化為80 με。從2011-12-26—2012-04-30因氣溫升高，由氣溫引起的拉應(yīng)變大約為65 με。同時由2012-02-26和2012-04-17的監(jiān)測結(jié)果可以看出，17：00左右面層底部的溫度最高，縱向拉應(yīng)變較大；10：00—11：00基層頂部的溫度較17：00低，17：00拉應(yīng)變增加到最大。從2012-03-11—2012-04-30拉應(yīng)變增加20 με左右。在應(yīng)變采集數(shù)據(jù)位5 Hz時，可以采集到瞬時行車荷載引起面層底部縱拉應(yīng)變的情況，在隨機行車荷載作用下，由于荷載位置不同，基層頂部可能受壓，也可能受拉，應(yīng)變變化大約為-20～ 40 με。

圖6 基層頂部縱向應(yīng)變Fig.6 Longitudinal strain at the top of the base

3.2.2 基層頂部橫向應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

圖7是基層頂部橫向應(yīng)變長期監(jiān)測的結(jié)果。由圖7可知：隨著季節(jié)變化，從2011-09-18—2011-12-19氣溫及路面溫度總體下降，基層頂部由于溫度引起收縮應(yīng)變；從2011-12—2012-04基層由于溫度引起拉應(yīng)變。從2011-09—2011-11，溫度引起的基層頂部橫向應(yīng)變變化為40 με；從2011-11—2011-12總體受壓，變化5～10 με。從2011-12—2012-02氣溫升高，由氣溫引起的拉應(yīng)變大約為25 με。同時由2012-02-26的監(jiān)測結(jié)果可以看出，17：00左右基層頂部的溫度最高，拉應(yīng)變較大；10:00—11:00基層頂部的溫度較17:00低，17:00拉應(yīng)變增加到最大。從2012-03—2012-04拉應(yīng)變增加約20 με。在應(yīng)變采集數(shù)據(jù)為5 Hz時，可以采集到瞬時行車荷載引起基層頂部橫向拉應(yīng)變的情況，在隨機行車荷載作用，基層頂部可能受壓，也可能受拉，應(yīng)變變化大約為-20～ 40 με。

圖7 基層頂部橫向應(yīng)變Fig.7 Transverse strain at the top of the base

3.2.3 基層底部縱向應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

圖8是水泥穩(wěn)定碎石基層底部縱向應(yīng)變長期監(jiān)測的結(jié)果。由圖8可知：從2011-09-18—2011-12-26基層底部縱向應(yīng)變變化260 με，從2011-12-26—2012-02-26日基層底部變化110 με，從2012-02-26日—2012-03-11變化140 με，監(jiān)測期間水泥穩(wěn)定碎石基層的最大縱向應(yīng)變?yōu)?60 με。由于舊水泥路面采用沖擊破碎穩(wěn)固的方式，運營期間在高溫多雨重載的影響下，接裂縫及層間接觸狀態(tài)的發(fā)生變化,使得水泥穩(wěn)定碎石基層底部的應(yīng)變在運營期間變化較大。同時在應(yīng)變數(shù)據(jù)采集頻率為5 Hz時，采集到瞬時行車荷載引起基層底部縱向應(yīng)變的情況，在隨機行車荷載作用，基層底部可能受壓，也可能受拉，應(yīng)變變化大約為-30～30 με。

圖8 基層底部縱應(yīng)變Fig.8 Longitudinal strain at the bottom of the base

3.2.4 基層底部橫向應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

圖9是水泥穩(wěn)定碎石基層層底部橫向應(yīng)變長期監(jiān)測結(jié)果。由圖9可以看出，從2011-09-18—2011-12-26基層底部應(yīng)變變化130 με，從2011-12-26—2012-02-26基層底部變化40 με，從2012-02-26—2012-03-11變化55 με，監(jiān)測期間水泥穩(wěn)定碎石基層的最大縱向應(yīng)變?yōu)?30 με。在隨機行車荷載作用，基層底部可能受壓，也可能受拉，橫向應(yīng)變采集的幾率較縱向大，應(yīng)變變化大約為-15～25 με。

圖9 基層底部橫向應(yīng)變Fig.9 Transverse strain at the bottom of the base

4 結(jié) 論

通過對G321破損水泥混凝土加鋪水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青面層試驗路段的監(jiān)測得出以下結(jié)論：

1)加鋪路面結(jié)構(gòu)在運營初期，水泥穩(wěn)定碎石基層頂部和底部的溫度應(yīng)變變化表現(xiàn)出良好的線性規(guī)律。溫度升高，水泥穩(wěn)定碎石基層頂部的縱向受瀝青面層的影響較大，溫度每升高1 ℃，縱向拉應(yīng)變?yōu)?.7 με，橫向拉應(yīng)變?yōu)?.4 με?；鶎拥撞康目v向拉應(yīng)變?yōu)?.8 με，橫向為-8 με。由于舊水泥路面采用沖擊破碎穩(wěn)固的方式，基層底部的溫度應(yīng)變關(guān)系受舊路面板的影響較大。

2)路面結(jié)構(gòu)在溫度、濕度(雨水)及行車載荷多物理場的作用后，基層頂部與底部表現(xiàn)出不同的力學(xué)響應(yīng)特性。溫度降低，基層頂部縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變減少，溫度升高，縱向和橫向應(yīng)變增加，在監(jiān)測期間最大應(yīng)變約為65 με。行車荷載引起的縱向應(yīng)變約為-20～40 με，橫向應(yīng)變約為-20 ～40 με。由于舊水泥路面采用沖擊破碎穩(wěn)固的方式，運營期間在高溫多雨重載的影響下，接裂縫及層間接觸狀態(tài)的發(fā)生變化，使得水泥穩(wěn)定碎石基層底部的應(yīng)變在運營期間變化較大，監(jiān)測期間水泥穩(wěn)定碎石基層的最大縱向應(yīng)變約為260 με，最大縱向應(yīng)變約為130 με。荷載引起的縱向應(yīng)變約為-30～ 30 με，橫向應(yīng)變變化約為-15～ 25 με。由此可知，控制破損水泥混凝土路面加鋪半剛性基層瀝青面層反射裂縫的關(guān)鍵是保持舊水泥路面的穩(wěn)定及半剛性基層的整體穩(wěn)定性。

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Mechanical Property Monitoring on Asphalt Pavement Overlaying on CCP

Lv Huiqing1, Zhang Xiangwei2, Yin Yingmei1, Chen Wentao1

(1. Faculty of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, Guangdong, China; 2. Faculty of Electro-mechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, Guangdong, China)

In order to obtain the inner work information of semi-rigid base asphalt pavement overlaying on the damaged cement concrete pavement(CCP), the sensors were embedded in the test road during construction. And the strain and temprature vabiration of semi-rigid base under multiphysics, such as temperature, fluid and vehicle loads were monitored. The vibration of semi-rigid base at the beginning of and during the operation after completation were obtained. Based on the inspection results，it is known that the damaged cement concrete pavement has a very large influence on the mechanical response of base. Furthmore, keeping the stability old CCP and the integration of semi-rigid base is the key to control the reflective crack of semi-rigid base asphalt pavement on the damaged cement concrete pavement.

road engineering; mechanical property; strain monitoriration; asphalt pavement overlaying

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.09

2013-08-14；

2014-03-07

廣東省自然科學(xué)基金項目(S2013040016232)；廣東省交通運輸廳科技項目(2011-02-007)；廣東工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(xj201211845050)

呂惠卿(1976—)，女，河北保定人，講師，博士，主要從道路工程方面的研究。E-mail：lhuiqing@163.com。

U416.2

A

1674-0696(2015)02-039-06