韓冰 張南童 鐘立昌 宋鑫

摘? 要：瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性一直是道路工程研究的重點(diǎn)，也是其最難解決的問(wèn)題之一。隨著交通量的增長(zhǎng)，我國(guó)高速公路改擴(kuò)建工程越來(lái)越多，而智能顆粒是針對(duì)公路路面受力、變形監(jiān)測(cè)及路用性能預(yù)測(cè)等需求開(kāi)發(fā)的超小型耐高溫高精度傳感器。本文結(jié)合齊魯交通發(fā)展集團(tuán)養(yǎng)護(hù)大中修項(xiàng)目，通過(guò)埋設(shè)智能顆粒，研究了瀝青面層結(jié)構(gòu)在荷載條件下的力學(xué)特性，結(jié)果表明智能顆粒能夠有效監(jiān)測(cè)瀝青路面受力特性，對(duì)瀝青路面的修復(fù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：道路工程;智能顆粒;瀝青路面;內(nèi)力特性;姿態(tài)轉(zhuǎn)角

中圖分類號(hào)：U416? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）07-0000-00

0引言

智能顆粒是針對(duì)公路路面受力、變形監(jiān)測(cè)及路用性能預(yù)測(cè)等需求開(kāi)發(fā)的超小型耐高溫高精度傳感器。智能顆粒能夠?qū)崟r(shí)采集監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括：標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，溫度，路面內(nèi)部正應(yīng)力，大地坐標(biāo)下的三維歐拉角，剪應(yīng)變，高精度三軸加速度。利用低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy）或者其他通訊協(xié)議傳送數(shù)據(jù)到便攜式接收器，或遠(yuǎn)程控制路邊信號(hào)采集器（STRDAL GLOBAL），實(shí)時(shí)上傳至云端儲(chǔ)存，供用戶隨時(shí)查看、下載。該設(shè)備結(jié)構(gòu)精巧，尺寸小，可耐受180℃以上高溫，不受應(yīng)用環(huán)境限制，使用方便[1]。

1 智能顆粒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)沈海高速養(yǎng)護(hù)大中修蓬萊段路面結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，根據(jù)力學(xué)理論模型中在車輛荷載作用下路面內(nèi)部溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)范圍及彎沉盆形狀確定了智能顆粒埋設(shè)位置。10顆智能顆粒分布在上、中、下三層。其中智能顆粒粒徑為2cm，2顆位于下面層底部，行車道外側(cè)輪跡帶下方，距離路面表面16cm～18cm;6顆位于中面層頂部，距路面表面4cm～6cm行車道外側(cè)輪跡帶下方;2顆位于上面層底部，距路面表面4cm～6cm，分別位于行車道外側(cè)輪跡帶下方和行車道軸中位置[2-3]。

2 智能顆粒埋設(shè)過(guò)程

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行顆粒位置放樣。與此同時(shí)，將埋設(shè)在下面層的兩顆顆粒并排對(duì)齊路邊靜置，采集靜態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)3min。然后攤鋪下面層瀝青混合料，在標(biāo)記位置處將松散的瀝青混合料挖開(kāi)，坑底應(yīng)為基層頂部，安放顆粒后填埋混合料并整平。隨后進(jìn)行壓實(shí)，壓實(shí)過(guò)程中連續(xù)實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)，直至壓實(shí)完成斷開(kāi)連接。最后待混合料溫度降至環(huán)境溫度后再次連接智能顆粒，采集數(shù)據(jù)[4]。完成后根據(jù)后續(xù)工程安排配置智能顆粒睡眠喚醒時(shí)間，如圖1所示。

3 路面結(jié)構(gòu)受力特性分析

根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，智能顆?？梢越o出車輛荷載經(jīng)過(guò)時(shí)路面內(nèi)部集料的加速度和應(yīng)力特征。智能顆粒啟動(dòng)監(jiān)測(cè)后三軸應(yīng)力計(jì)算實(shí)時(shí)采集路面內(nèi)部應(yīng)力數(shù)據(jù)。以上面層1號(hào)顆粒采集數(shù)據(jù)為例。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理可以發(fā)現(xiàn)在76s時(shí)豎向應(yīng)力產(chǎn)生突變，應(yīng)力變化值為0.014MPa，其他方向應(yīng)力變化不大，僅為0.002MPa～0.004MPa，如圖2。分析原因：當(dāng)時(shí)有車輛經(jīng)過(guò)，引起顆粒附近路面內(nèi)部突然產(chǎn)生較大應(yīng)力，根據(jù)顆粒在路面中的姿態(tài)可以判斷荷載在路面內(nèi)部主要是豎向傳遞。瀝青層頂豎向應(yīng)力是瀝青路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中計(jì)算瀝青層永久變形的重要參數(shù)，本項(xiàng)目通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了參數(shù)選取的合理性[5]。

同樣對(duì)其他顆粒進(jìn)行分析，如圖3、圖4所示為其余顆粒采集的豎向加速度數(shù)據(jù)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)與上面層1號(hào)顆粒相同，在71s～73s左右各個(gè)顆粒的加速度均產(chǎn)生突變，幅值較1號(hào)顆粒小，為1號(hào)顆粒加速度的25%～75%。因此在路面材料設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)瀝青混合料結(jié)構(gòu)層性能都應(yīng)考慮動(dòng)載作用下的材料變形情況。

4 結(jié)論

本文通過(guò)鋪筑試驗(yàn)路段，在瀝青面層埋設(shè)智能顆粒，每套智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共安裝10個(gè)智能顆粒，并最終確定了智能顆粒埋設(shè)方案和埋設(shè)流程。當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)引起顆粒附近路面內(nèi)部突然產(chǎn)生的較大應(yīng)力，根據(jù)顆粒在路面中的姿態(tài)可以判斷荷載在路面內(nèi)部主要是沿豎向傳遞。表明由車輛荷載引起的振動(dòng)方向主要為豎直方向。因此在路面材料設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)瀝青混合料性能還應(yīng)考慮動(dòng)載作用下材料變形情況。

參考文獻(xiàn)

[1] 田庚亮.光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)瀝青混合料應(yīng)變響應(yīng)有效性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[2] 王曉潔.基于光纖光柵傳感器的瀝青路面性能監(jiān)測(cè)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[3] 劉樹(shù)龍.光纖Bragg光柵在瀝青路面性能健康監(jiān)測(cè)中的試驗(yàn)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[4] 石丹鳳.利用光纖應(yīng)變傳感器測(cè)試瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變方案設(shè)計(jì)[J].山西交通科技，2010（1）：24-26.

[5] 董澤蛟，柳浩，譚憶秋，等.瀝青路面三向應(yīng)變響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（4）：46-51.

收稿日期：2020-06-05

作者簡(jiǎn)介：韓冰（1978—），男，河北唐山人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：公路橋梁結(jié)構(gòu)、公路工程造價(jià)、智慧工地建設(shè)。

Analysis on the Monitoring Application of Smart Particles in the Force Characteristics of Asphalt Pavement

HAN Bing1， ZHANG Nantong2， ZHONG Lichang1， SONG Xin1

（1. Shandong Transportation Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Jinan， Shandong， 250031;

2. Jiangsu Dongjiao Intelligent Control Technology Group Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu? 210000）

Abstract：? The mechanical properties of asphalt pavement structure have always been the focus of road engineering research and one of the most difficult problems to solve. With the growth of traffic volume， there are more and more highway reconstruction and expansion projects in my country. Smart particles are ultra-small， high-temperature and high-precision sensors developed for the needs of highway pavement stress and deformation monitoring and road performance prediction. In this paper， combined with the maintenance and repair project of Qilu Transportation Development Group， the mechanical properties of asphalt pavement structure under load conditions are studied by burying smart particles. The results show that smart particles can effectively monitor the mechanical characteristics of asphalt pavements， and are useful for the repair of asphalt pavements. Very important practical significance and guiding significance.

Keywords： road engineering; smart particles; asphalt pavement; internal force characteristics; attitude corner