陳靜云，劉佳音，劉云全，周長紅

（1.大連理工大學(xué)交通運輸學(xué)院，遼寧大連116023；2.遼寧省交通科學(xué)研究院，遼寧沈陽110015）

加速加載條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)

陳靜云1，劉佳音1，劉云全2，周長紅1

（1.大連理工大學(xué)交通運輸學(xué)院，遼寧大連116023；2.遼寧省交通科學(xué)研究院，遼寧沈陽110015）

為深入了解交通荷載作用下不同瀝青路面的行為特征，通過MLS66加速加載設(shè)備模擬實際車輛作用，實測了半剛性基層結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)路面的3個方向動態(tài)響應(yīng)，研究了正載與偏載時面層與基層底部的應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律。實測應(yīng)變顯示：半剛性路面中基層底部拉應(yīng)變大于面層。倒裝結(jié)構(gòu)面層底部彎拉應(yīng)變大于半剛性路面，對荷載作用次數(shù)更加敏感。倒裝結(jié)構(gòu)中最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在面層底部縱向，疲勞開裂首先在橫向出現(xiàn)。2種結(jié)構(gòu)的面層應(yīng)變響應(yīng)均體現(xiàn)了瀝青混合料的黏彈性特征。不同軸載下應(yīng)變測值表明，考慮超載車輛對路面結(jié)構(gòu)作用時，應(yīng)選用接地壓力作為參數(shù)進行計算?；贛LS66的路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究，為理解不同路面結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象提供了幫助。

瀝青路面；加速加載；動態(tài)響應(yīng)；倒裝結(jié)構(gòu)；MLS66

路面使用期間經(jīng)受車輛荷載的反復(fù)作用，長期處于應(yīng)力應(yīng)變交迭變化的狀態(tài)。路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)既能反映路面本身的結(jié)構(gòu)特征，也是決定道路長期使用性能的指標(biāo)。通過實測確定路面結(jié)構(gòu)在移動荷載作用下的動力響應(yīng)，是近年來國內(nèi)外研究的熱點問題［1-2］。目前，動力響應(yīng)的測量主要通過現(xiàn)場實測和足尺模擬試驗2種途徑實現(xiàn)。前者是在實際路面中預(yù)埋傳感器，測量實際車輛通過時的路面響應(yīng)，如Elseifi、Mulungye、董澤蛟、Bayat等的研究［3-6］。這種方法的優(yōu)點是反映了真實的結(jié)構(gòu)和荷載的全部特征，其缺點是車輛行駛方向由人工控制，輪胎與測點間的相對位置難以精確定位，這在一定程度上影響了測值的穩(wěn)定性［7］。加速加載試驗（accelerated pavement test，APT）經(jīng)常用于模擬實際荷載［8-9］。加速加載設(shè)備的優(yōu)點是荷載穩(wěn)定性好，試驗條件可控，能進行車轍試驗和疲勞試驗。Chen等［10］和董忠紅等［7］分別用ALF（accelerated loading facility）加速加載設(shè)備對路面的動力響應(yīng)進行了測定。目前的ALF加速加載設(shè)備仍存在一些局限性［11-12］，首先是其行進速度受到滑道長度和起升高度的限制；其次，受設(shè)備驅(qū)動方式的限制，往復(fù)一周僅加載1～2次，效率較低；此外，由于設(shè)備長度的限制，難于進行長距離移動。MLS66（mobile load simulator 66）移動式荷載模擬系統(tǒng)是2007年由南非開發(fā)制造的新型足尺加速加載設(shè)備。MLS系列設(shè)備區(qū)別于以往設(shè)備的首要特征是加載系統(tǒng)提供了單向行進的多個連續(xù)輪載作用。其加載速率可達6 000次／h，是同類設(shè)備中最高的，能更好地反映穩(wěn)定連續(xù)的動載作用效果。此外，該設(shè)備方便移動，能對實際路面進行測試?；谏鲜鎏攸c，MLS66是一種較理想的荷載模擬設(shè)備。該設(shè)備于2010年開始在我國投入使用，目前，用MLS66系統(tǒng)進行的動力響應(yīng)研究還未見報道。本文采用MLS66設(shè)備對半剛性結(jié)構(gòu)與級配碎石倒裝結(jié)構(gòu)2種路面進行了加速加載試驗，通過傳感器采集不同輪載位置下的多方向應(yīng)變響應(yīng)，對比不同路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，為荷載作用下不同結(jié)構(gòu)路面病害機理研究提供參考。

1 基于MLS66的加速加載試驗

1.1 試驗設(shè)備

足尺可移動式荷載模擬系統(tǒng)MLS66的外觀如圖1所示。該設(shè)備的核心部分是加載輪與液壓系統(tǒng)組成的加載單元，每個加載單元具有獨立的液壓控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的加載模式不同，MLS66的加載系統(tǒng)由6個加載單元相連形成環(huán)狀總成，相鄰的加載單元之間由鏈軸連接（如圖2所示）。

圖1 MLS66移動荷載模擬系統(tǒng)的外觀Fig.1 The appearance of the MLS66 system

圖2 MLS66加載系統(tǒng)示意圖Fig.2 The load system of MLS66 facility

當(dāng)設(shè)備工作時，加載單元沿立面內(nèi)的軌道環(huán)形運動，6組加載輪依次對路面6.6 m長的有效加載段施加荷載，形成單向作用的重復(fù)加載模式。

1.2 路面結(jié)構(gòu)

試驗段的路面結(jié)構(gòu)一選用我國高速公路中廣泛使用的半剛性基層瀝青路面典型結(jié)構(gòu)。路面結(jié)構(gòu)二選取倒裝路面結(jié)構(gòu)，即在傳統(tǒng)半剛性基層上加鋪一層級配碎石，以防止面層產(chǎn)生反射裂縫［13］。2種路面結(jié)構(gòu)厚度及各層材料列于表1。試驗段的施工滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求，土基的回彈模量不低于70 MPa。

表1 2種路面結(jié)構(gòu)Table 1 The material in two pavement structures

1.3 傳感器布置和信號處理

為考察不同結(jié)構(gòu)層的動力響應(yīng)，在面層與半剛性基層底部埋置傳感器。面層傳感器按照豎直方向、行駛方向（縱向）、路面橫向3個方向布置，豎向采用FBG-FRP豎向應(yīng)變計，水平向采用PP-OFBG應(yīng)變計。基層傳感器沿縱向和橫向布置，采用FBGFRP水平應(yīng)變計。為防止干擾，傳感器沿縱向保持一定間距，面層傳感器間距為600 mm，基層傳感器間距為900 mm。2種路面結(jié)構(gòu)的傳感器布置方式如圖3所示。為防止碾壓過程對傳感器的損壞，傳感器的埋設(shè)過程采用了文獻［7］的方法。信號的采集頻率設(shè)為200 Hz。

1.4 加載參數(shù)

為獲取多級荷載下不同的動力響應(yīng)，試驗時6個加載單元分別模擬軸載為100、130、150、150、150、150 kN的標(biāo)準(zhǔn)車輛和超載車輛。試驗加載速率為6 000次／h，試驗溫度為環(huán)境溫度。

圖3 2種路面的傳感器布置方式Fig.3 The arrangement of strain sensors in two pavements

根據(jù)以往研究結(jié)果，荷載最不利作用位置通常是輪胎中部和輪隙中點。試驗過程中，通過MLS66的橫向移動來調(diào)整傳感器與輪胎的相對位置，形成了雙輪輪隙中點沿測點中心線移動（正載），輪胎胎冠中部沿測點中心線移動（偏載）2種加載方式。

2 基于MLS66的動力響應(yīng)分析

試驗期間對2種路面結(jié)構(gòu)累計加載均超過170萬標(biāo)準(zhǔn)軸次。在動力響應(yīng)測試所獲取的大量試驗數(shù)據(jù)中，選取累計軸載為10～40萬次的應(yīng)變數(shù)據(jù)進行了分析。此時路面完成了初期壓密，且處于加載前期，無病害產(chǎn)生，適于代表道路結(jié)構(gòu)的正常工作狀態(tài)。

2.1 半剛性路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)

半剛性路面各層的動力響應(yīng)數(shù)據(jù)顯示了規(guī)律性的周期變化，應(yīng)變曲線具有穩(wěn)定的形態(tài)。圖4為正載和偏載時面層底部的3個方向動力響應(yīng)。

實測結(jié)果顯示，在一個周期內(nèi)，隨著6個加載單元的作用，3個方向應(yīng)變依次出現(xiàn)6次峰值。峰值產(chǎn)生時間的差異源于傳感器的相對位置。

豎直方向總呈現(xiàn)壓應(yīng)變，當(dāng)車輪位于傳感器正上方位置時壓應(yīng)變達到峰值。標(biāo)準(zhǔn)軸載時，正載下的壓應(yīng)變?yōu)?145.1×10-6，偏載時的壓應(yīng)變?yōu)?227.5×10-6，偏載時的應(yīng)變比正載時增大了56.8%。橫向在正載時表現(xiàn)為壓應(yīng)變，峰值為-70.9× 10-6，在偏載時表現(xiàn)為拉應(yīng)變，峰值為52.6×10-6。實測應(yīng)變響應(yīng)說明輪胎與測點的相對位置決定了橫向應(yīng)變的正負(fù)。對于縱向，在車輪從靠近到遠(yuǎn)離的過程中，應(yīng)變處于壓-拉-壓的交變狀態(tài)，當(dāng)車輪作用在測點正上方時，縱向拉應(yīng)變達到峰值。在正載和偏載條件下，縱向應(yīng)變的峰值分別為45.5×10-6和12.9×10-6，縱向應(yīng)變最大值出現(xiàn)在正載時。上述動力響應(yīng)規(guī)律與以往文獻中的動力響應(yīng)規(guī)律一致。

面層的動力響應(yīng)體現(xiàn)了材料的黏彈性特征。輪胎在一個周期內(nèi)先逐漸靠近，后遠(yuǎn)離，對于測點處路面材料形成了先加載后卸載的過程，加、卸載過程中3個方向應(yīng)變曲線形狀均不對稱，縱向應(yīng)變的第2個負(fù)向峰值總是小于第1個負(fù)向峰值，橫向與豎向應(yīng)變在加載時的應(yīng)變曲線卸率大于卸載時。曲線特征顯示出材料變形延遲回復(fù)的特點，反映出路面材料的黏彈性性質(zhì)。

開裂和車轍是由往復(fù)荷載引發(fā)的常見病害。對比橫縱方向拉應(yīng)變的變化幅度，正載最大拉應(yīng)變?yōu)榭v向，標(biāo)準(zhǔn)軸載下應(yīng)變周期變化的幅度為76.5× 10-6，偏載最大拉應(yīng)變?yōu)闄M向，其應(yīng)變幅為62.4× 10-6，但縱向包含負(fù)值，橫向應(yīng)變平均值大于縱向。由于應(yīng)變幅與應(yīng)變平均值的極值出現(xiàn)在不同方向，無法判斷路面裂紋將在哪一方向先形成。偏載時豎向壓應(yīng)變明顯大于正載時，結(jié)合AASHTO2002車轍模型可判斷，面層中輪下位置的車轍將比輪隙中心嚴(yán)重。

圖4 正載及偏載作用下半剛性結(jié)構(gòu)面層底部的3個方向應(yīng)變Fig.4 Three-direction strains at the bottom of surface course of semi-rigid structure under central and eccentric loading

正載和偏載時半剛性基層底部的動力響應(yīng)如圖5所示?；鶎禹憫?yīng)也顯示了規(guī)律的周期變化。

半剛性基層的曲線形狀與面層不同。半剛性基層不存在粘彈性，加、卸載過程應(yīng)變曲線對稱。由于半剛性基層厚度大，曲線中應(yīng)變響應(yīng)區(qū)域更寬。從應(yīng)變數(shù)值上看，正載時橫、縱向應(yīng)變幅值分別為169.1×10-6和124.8×10-6，偏載時橫、縱向應(yīng)變的最大值分別為141.1×10-6和81.5×10-6。由于兩輪作用區(qū)域的疊加效應(yīng)，正載時的應(yīng)變大于偏載時。

相同荷載作用下半剛性基層底部的彎拉應(yīng)變大于面層。與面層的動力響應(yīng)一樣，應(yīng)變在縱向顯示了拉壓交替的特征，正載和偏載時最大拉應(yīng)變都出現(xiàn)縱向，因此半剛性基層的疲勞開裂將表現(xiàn)為橫向裂紋。裂紋首先在基層底部出現(xiàn)，如向上擴展，將引起反射裂縫。

圖5 正載及偏載作用下半剛性基層底部的橫縱向應(yīng)變Fig.5 Transversal and longitudinal strains at the bottom of base course of semi-rigid structure under central and eccentric loading

2.2 倒裝結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)

倒裝結(jié)構(gòu)中面層厚度較小，過渡層模量小于面層，半剛性結(jié)構(gòu)中面層與基層的模量較為接近，這導(dǎo)致倒裝結(jié)構(gòu)中的力學(xué)響應(yīng)與半剛性結(jié)構(gòu)有顯著的差別。倒裝結(jié)構(gòu)正、偏載時面層底部的3個方向動力響應(yīng)如圖6所示。

倒裝結(jié)構(gòu)內(nèi)的3個方向應(yīng)變的曲線特征與半剛性結(jié)構(gòu)相似。在正載和偏載時縱向均表現(xiàn)拉應(yīng)變，偏載條件下的拉應(yīng)變更大。標(biāo)準(zhǔn)軸載下的最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在面層底部的縱向，為543.9×10-6，如倒裝結(jié)構(gòu)路面出現(xiàn)疲勞開裂，面層底部橫向裂縫將首先形成。

對比2種結(jié)構(gòu)的面層動力響應(yīng)，倒裝結(jié)構(gòu)在正載和偏載條件下的橫縱向應(yīng)變均大于半剛性基層。倒裝結(jié)構(gòu)中級配碎石層的模量低，這種聯(lián)接層使面層處于柔性支撐條件下。相同荷載作用下面層底部產(chǎn)生的彎拉應(yīng)變大于半剛性基層。因此，這種倒裝結(jié)構(gòu)雖然能解決反射裂紋問題，但由于彎拉應(yīng)變大，易于產(chǎn)生疲勞破壞。本試驗中累計荷載作用達170萬次時，倒裝結(jié)構(gòu)路面出現(xiàn)了以輪下橫向短裂縫為主的開裂現(xiàn)象，而半剛性路面結(jié)構(gòu)繼續(xù)加載至220萬次時仍未發(fā)生破壞，這也證明了與半剛性路面相比倒裝結(jié)構(gòu)對荷載作用更加敏感。倒裝結(jié)構(gòu)適用于交通量較低的情況，在設(shè)計中為避免疲勞開裂，需要特別注意累計當(dāng)量荷載作用次數(shù)。

圖6 正載及偏載作用下倒裝結(jié)構(gòu)面層底部的3向應(yīng)變Fig.6 Three-direction strains at the bottom of surface course of inverted structure under central and eccentric loading

半剛性基層正載作用下的應(yīng)變響應(yīng)如圖7所示。與半剛性基層相比，倒裝結(jié)構(gòu)內(nèi)半剛性基層底部的彎拉應(yīng)力顯著降低。經(jīng)過面層、聯(lián)接層和基層的荷載分散和傳遞，正載和偏載2種加載位置對半剛性基層底部應(yīng)變的影響小，偏載作用下的應(yīng)變響應(yīng)與正載時相似。

表2比較了加速加載試驗期間，2種較高環(huán)境溫度下倒裝結(jié)構(gòu)對不同等級荷載的面層動力響應(yīng)。隨著環(huán)境溫度的增加，同一傳感器的應(yīng)變幅值顯著增大，顯示了路面材料的溫度敏感性。

圖7 正載作用下倒裝結(jié)構(gòu)基層底部的橫縱向應(yīng)變Fig.7 Transversal and longitudinal strains at the bottom of base course of inverted structure under central loading

表2 2種環(huán)境溫度下不同荷載水平下的動力響應(yīng)Table 2 The dynamic response under various load levels at two environmental temperatures

路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變與軸載之間不呈線性變化關(guān)系。當(dāng)荷載作用相對增加30%與50%時，33℃下壓應(yīng)變比100 kN荷載作用下的壓應(yīng)變分別增大了12.7%與15.5%，拉應(yīng)變分別增大了7.1%與8.3%。37℃下的情況與之類似，壓應(yīng)變分別增大了10.3%與13.6%，拉應(yīng)變分別增大了7.4%與8.6%。超載條件下軸載相對于標(biāo)準(zhǔn)軸載的增量遠(yuǎn)超過應(yīng)變響應(yīng)的增量。

根據(jù)實測，100 kN軸載下輪胎接地面積為51 876 mm2，將對路面產(chǎn)生0.96 MPa的壓應(yīng)力。130 kN和150 kN軸載下輪胎接地面積分別為62 854 mm2和72 893 mm2，對路面產(chǎn)生的接地壓力均為1.03 MPa，比標(biāo)準(zhǔn)軸載時的平均壓強增大了7.3%，實測應(yīng)變的變化與接地壓力的變化更為接近。

隨著荷載增大，輪胎接地面積隨之增加，從而減小了超載條件下的接地壓力。傳感器所測的是面層局部應(yīng)變，與軸載相比，輪胎-路面的接觸應(yīng)力對應(yīng)變的影響更加直接。實測應(yīng)變表明，如不考慮輪胎接地面積的變化，采用標(biāo)準(zhǔn)軸載下的動力響應(yīng)估算兩種超載條件下的響應(yīng)時，估算結(jié)果將比實際應(yīng)變偏大。因此，在考慮超載車輛對路面結(jié)構(gòu)的影響時，計算指標(biāo)選用接地壓力更合適。

3 結(jié)論

1）根據(jù)半剛性結(jié)構(gòu)和倒裝結(jié)構(gòu)實測動力響應(yīng)，在一個加載周期內(nèi)，結(jié)構(gòu)面層底部豎直方向總為壓應(yīng)變，偏載時的應(yīng)變比正載時大。橫向在正載時表現(xiàn)為壓應(yīng)變，偏載時表現(xiàn)為拉應(yīng)變?？v向在車輪從靠近到遠(yuǎn)離的過程中，應(yīng)變發(fā)生了壓-拉-壓的交變變化，縱向應(yīng)變最大值產(chǎn)生于正載時?；贛LS66設(shè)備的輪載動力響應(yīng)符合路面結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的一般規(guī)律。

2）倒裝結(jié)構(gòu)在正載和偏載條件下的橫、縱向應(yīng)變均大于半剛性結(jié)構(gòu)。倒裝結(jié)構(gòu)在正載和偏載條件下，縱向應(yīng)變幅值最大，如路面發(fā)生開裂，裂縫將以橫向裂紋的形式出現(xiàn)。倒裝結(jié)構(gòu)雖然能解決反射裂紋問題，但易于發(fā)生疲勞破壞。加速加載試驗累計荷載作用達170萬次時，倒裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了橫向短裂縫，開裂現(xiàn)象與實測應(yīng)變響應(yīng)特征一致。

3）不同軸載下實測應(yīng)變峰值的比較顯示，應(yīng)變響應(yīng)與軸載不呈線性關(guān)系，采用軸載估算應(yīng)變時會出現(xiàn)誤差。在考慮超載車輛對路面結(jié)構(gòu)的作用時，應(yīng)考慮輪胎接地面積，選用接地壓力作為計算指標(biāo)更合適。

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Dynamic responses of asphalt pavement structures under accelerated loading

CHEN Jingyun1，LIU Jiayin1，LIU Yunquan2，ZHOU Changhong1
（1.School of Transportation and Logistics，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.The Communications Research Institute of Liaoning Province，Shenyang 110015，China）

：To understand in depth the behavioral characteristics of different asphalt pavements under traffic loads，the MLS66 accelerated loading facility was used to simulate actual vehicle running.The dynamic responses of semirigid pavement and inverted structured pavement in three directions were measured，and the strain responses at the bottom of the surface course and the bottom of the base course to the central load and eccentric load were studied respectively.The measurement showed that the value of the bending strain at the bottom of the base course of the semi-rigid structure was higher than that of the surface course.The inverted structure was more sensitive to the number of loading cycles because the value of the tensile strain in the inverted structure was much higher than that in the semi-rigid structure.The maximum tension strain in the inverted structure appeared on the bottom surface in the longitudinal direction，and fatigue cracking first appeared in the horizontal direction.The strain responses of both structures＇surface course show the viscoelastic characteristics of the asphalt mixtures.The strain measurements under various loads indicate that the tire-pavement contacting pressure should be the primary estimating parameter when the overloaded vehicles are considered.The study of the dynamic responses of the pavement through the use of MLS66 helps to gain an understanding of the damage mechanisms of the various asphalt pavements.

asphalt pavement；accelerated pavement test；dynamic responses；inverted pavement structure；MLS66

10.3969／j.issn.1006-7043.201304003

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201304003.html

U414

A

1006-7043（2014）06-0771-06

2013-04-02.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-05-14 15：48：19.

國家自然科學(xué)基金資助項目（50578031）；國家自然科學(xué)青年基金資助項目（51208080）.

陳靜云（1956-），女，教授，博士生導(dǎo)師；劉佳音（1982-），女，博士研究生.

劉佳音，E-mail：liujy＠dlut.edu.cn.