曹明明， 黃晚清， 吳志勇， 游 宏

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610041)

0 引 言

目前，瀝青路面動(dòng)態(tài)荷載響應(yīng)分析的常用方法主要有現(xiàn)場(chǎng)加載測(cè)試法、理論分析法和數(shù)值模擬法.由于理論分析法和數(shù)值模擬法常含一個(gè)或多個(gè)假設(shè)條件，限制了其與實(shí)際情況的相符性[1-2].為準(zhǔn)確探究瀝青路面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，在實(shí)際路面工程響應(yīng)測(cè)試中，現(xiàn)場(chǎng)加載測(cè)試法的應(yīng)用與研究愈來(lái)愈多[3-7].但在以上的應(yīng)用與研究中均未具體探討瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)力學(xué)基本特征，且以柔性基層瀝青路面或半剛性基層瀝青路面為主，而對(duì)混合式基層瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究相對(duì)較少.在混合式基層瀝青路面中，復(fù)合式基層由半剛性層與級(jí)配碎石過(guò)渡層共同組成，設(shè)置于瀝青層與水泥穩(wěn)定碎石層層間，結(jié)構(gòu)特性更為復(fù)雜.

目前，關(guān)于混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究主要以分析瀝青層層底水平向應(yīng)變響應(yīng)為主[8]，對(duì)豎向力學(xué)指標(biāo)(如級(jí)配碎石過(guò)渡層)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征的研究較為鮮見(jiàn).同時(shí)，瀝青路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征受制于輪胎接地胎壓、結(jié)構(gòu)層材料特征、路面結(jié)構(gòu)特征、車(chē)輛軸重和行駛速度、溫度等因素，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)程曲線仍存在較多共同特征，可基本映射出荷載和外界環(huán)境作用于不同路面結(jié)構(gòu)體系下的路面響應(yīng)特性，對(duì)揭示路面材料特性和結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特征具有重要參考價(jià)值.鑒于此，本研究基于對(duì)瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分析了動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性，并探討了瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)程曲線的力學(xué)基本特性.

1 測(cè)試方案及數(shù)據(jù)處理

1.1 試驗(yàn)段測(cè)試方案布設(shè)

1.1.1 試驗(yàn)公路段概況.

在作為試驗(yàn)對(duì)象的遂廣高速公路K98+000～K98+650(施工樁號(hào))路段內(nèi)鋪設(shè)了混合式基層瀝青路面試驗(yàn)段，瀝青路面結(jié)構(gòu)組成為15 cm級(jí)配碎石墊層+28 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+28 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+12 cm級(jí)配碎石過(guò)渡層+8 cm SBS改性瀝青AC-20C下面層+6 cm SBS改性瀝青AC-20C中面層+4 cm瀝青瑪蹄脂碎石SMA-13上面層.

1.1.2 傳感器布設(shè).

試驗(yàn)中，在混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)布設(shè)了豎向傳感器(垂直大變形應(yīng)變計(jì)和土壓力計(jì))、水平向傳感器(橫向和縱向?yàn)r青應(yīng)變計(jì))和溫度傳感器等，具體如圖1所示.其中，2支動(dòng)土壓力計(jì)布置于土基頂部，4支布置于過(guò)渡層底部；設(shè)置于級(jí)配碎石過(guò)渡層內(nèi)的垂直大變形應(yīng)變計(jì)共3支；布設(shè)于瀝青層層底的瀝青應(yīng)變計(jì)采用3×4矩陣，共12支.

圖1傳感器布設(shè)示意圖(單位：cm)

1.1.3 動(dòng)態(tài)荷載.

試驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)響應(yīng)加載車(chē)輛采用雙后軸和單后軸兩種貨車(chē).在混合式基層瀝青路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)力學(xué)基本特征分析現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，單后軸貨車(chē)前軸軸重采用3.46 t，后軸軸重采用9.66 t，雙后軸貨車(chē)前軸軸重采用7.40 t，后軸軸重采用22.60 t；最大行車(chē)速度采用40 km/h.現(xiàn)場(chǎng)加載測(cè)試選于初夏時(shí)節(jié)(2016年5月份)，瀝青層等效溫度約為46 ℃，采樣頻率為1 kHz.

1.2 數(shù)據(jù)信號(hào)處理

為便于分析，以同一傳感器所測(cè)幾組試驗(yàn)結(jié)果中最大應(yīng)變或應(yīng)變幅值為實(shí)際采用值近似分析瀝青路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征.雙后軸貨車(chē)荷載作用下，瀝青層層底動(dòng)態(tài)響應(yīng)典型曲線如圖2所示.

圖2瀝青層層底縱向應(yīng)變響應(yīng)

由圖2可知，行車(chē)荷載作用于瀝青水平傳感器前，瀝青層層底呈壓應(yīng)變(圖2中1點(diǎn)、4點(diǎn)和6點(diǎn))，即車(chē)輛荷載到達(dá)傳感器前，荷載對(duì)瀝青層層底產(chǎn)生推移和壓縮作用，此時(shí)荷載引起的路面應(yīng)變變化幅值為初始應(yīng)變與波谷應(yīng)變之差.當(dāng)荷載正好作用于瀝青水平傳感器上時(shí)，瀝青面層層底的縱向應(yīng)變呈現(xiàn)波峰(圖2中2點(diǎn)、5點(diǎn)和7點(diǎn))，此時(shí)荷載引起的路面應(yīng)變變化幅值為波谷與波峰間的應(yīng)變差值，其中瀝青層層底應(yīng)變幅值(前軸、雙后軸引起的應(yīng)變變化值)為圖2中1點(diǎn)與2點(diǎn)、4點(diǎn)與5點(diǎn)、6點(diǎn)與7點(diǎn)間的應(yīng)變差值.同瀝青混合料經(jīng)典力學(xué)理論所釋結(jié)果一致，車(chē)輛荷載離開(kāi)測(cè)試區(qū)域后，荷載作用下瀝青混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變并不能完全恢復(fù)至測(cè)試前的狀態(tài)，即存在殘余應(yīng)變(圖2中9點(diǎn)與0點(diǎn)處應(yīng)變比較所得)，這主要在于瀝青混合料是一種黏彈性材料，受溫度特性影響較大.

路基頂面豎向壓應(yīng)力在雙后軸荷載作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)間特征曲線如圖3，路基頂面豎向壓應(yīng)力在荷載正好作用于土壓力計(jì)上時(shí)呈現(xiàn)峰值(圖3中1點(diǎn)、3點(diǎn)和5點(diǎn))，此時(shí)初始?jí)簯?yīng)力(圖3中0點(diǎn))與波峰間的壓應(yīng)力差值作為路基頂面豎向壓應(yīng)力測(cè)值；同時(shí)，當(dāng)車(chē)輛駛離土壓力計(jì)后，土壓力計(jì)測(cè)值迅速恢復(fù)至初始狀況，無(wú)明顯殘余豎向壓應(yīng)力(比較圖3中6點(diǎn)與0點(diǎn)處豎向壓應(yīng)力所得)，即在計(jì)算路基頂面豎向壓應(yīng)力時(shí)，路基等結(jié)構(gòu)層作為彈性體處理，計(jì)算精度完全滿(mǎn)足工程要求.

圖3 路基土頂面豎向壓應(yīng)力響應(yīng)

1.3 動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性評(píng)價(jià)

路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，傳感器的選用、傳感器的埋設(shè)、瀝青路面的鋪筑以及行車(chē)荷載加載測(cè)試等全過(guò)程均需慎之又慎，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失誤均可導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)失真.其中，傳感器的選用和標(biāo)定、埋設(shè)時(shí)的精確定位等屬于可控因素，但行車(chē)荷載加載過(guò)程存在眾多的不可控因素，如材料或厚度的變異性、路面平整度、軸重、行車(chē)位置、行車(chē)速度和環(huán)境溫濕度突變等[9].由于車(chē)輛行駛過(guò)程中車(chē)輪位置偏移、車(chē)輛擺動(dòng)、傳感器埋設(shè)位置誤差、視覺(jué)偏差等均可能造成行車(chē)荷載無(wú)法正好作用于傳感器之上[10]，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)值與真實(shí)值存在一定偏差，導(dǎo)致平行試驗(yàn)間存在較大的變異性.為考察車(chē)輪行駛位置對(duì)路面應(yīng)力應(yīng)變測(cè)值的影響程度，本研究采用單后軸貨車(chē)在混合式基層瀝青路面下面層頂面動(dòng)態(tài)加載，后軸軸重約為6 t，行駛速度采用30～35 km/h，所測(cè)試11組平行試驗(yàn)測(cè)值如表1所示.

表1 動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的變異性分析

由表1可得，瀝青層層底應(yīng)變幅值、過(guò)渡層底面和路基頂面豎向壓應(yīng)力峰值、過(guò)渡層豎向位移峰值等指標(biāo)測(cè)值的變異系數(shù)均小于20%，可認(rèn)為動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試過(guò)程均處于正?？煽胤秶鷥?nèi)，試驗(yàn)所采集數(shù)據(jù)具有可靠性，能滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征分析之用[10].同時(shí)，在眾多測(cè)試指標(biāo)中，變異性最大的為瀝青層層底橫向應(yīng)變，其值接近20%，且其測(cè)值受荷載作用位置的影響較大，呈壓應(yīng)變或拉應(yīng)變甚至拉壓應(yīng)變交替變化等完全不同狀態(tài).

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)力學(xué)基本特征分析

2.1 瀝青層層底水平應(yīng)變動(dòng)態(tài)響應(yīng)基本特征

一般而言，瀝青層層底裂縫的產(chǎn)生受制于其層底的橫向應(yīng)變，而裂縫的延伸受制于其層底的縱向應(yīng)變.因此，全面分析瀝青層層底應(yīng)變變化在荷載作用下的時(shí)程曲線特征，有助于準(zhǔn)確揭示荷載作用下瀝青層的疲勞特性.在本試驗(yàn)中，單后軸貨車(chē)后軸軸重為9.66 t，雙后軸貨車(chē)后軸軸重為22.60 t，采用20 km/h的行車(chē)速度，所測(cè)試混合式基層瀝青路面瀝青層層底水平應(yīng)變(縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變)典型時(shí)程曲線如圖4所示.

圖4 瀝青層層底應(yīng)變時(shí)程曲線

測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，車(chē)輛行駛位置相對(duì)于傳感器位置的不確定性，導(dǎo)致傳感器測(cè)值存在較大的變異性.從力學(xué)角度分析，荷載未完全作用在傳感器正上方時(shí)，瀝青層層底水平應(yīng)變計(jì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)均不是主應(yīng)力方向的應(yīng)變.因此，應(yīng)變計(jì)測(cè)值多表征的為車(chē)輛荷載作用下，應(yīng)變計(jì)測(cè)試點(diǎn)對(duì)沿測(cè)試方向(縱或橫向)的多個(gè)荷載分量的響應(yīng)疊加，在雙后軸貨車(chē)作用下該特征尤為明顯.鑒于整個(gè)加載過(guò)程中應(yīng)變響應(yīng)特征的復(fù)雜性，精確量化整個(gè)響應(yīng)過(guò)程是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)值的量化應(yīng)以應(yīng)變峰值的分析為主，以定性分析為主探討應(yīng)變響應(yīng)的全過(guò)程.

2)荷載行駛過(guò)程中，瀝青混合料層層底縱向應(yīng)變呈現(xiàn)了壓—拉—壓的轉(zhuǎn)換過(guò)程，這種拉壓應(yīng)變交替變化更易導(dǎo)致瀝青層產(chǎn)生疲勞破壞.車(chē)輛駛離時(shí)(如圖4(a)中B點(diǎn))的壓應(yīng)變峰值小于抵達(dá)前(如圖4(a)中A點(diǎn))測(cè)值，這源于瀝青混合料的阻尼特性和黏滯特性，以及加載前后應(yīng)變計(jì)的初始狀態(tài)存在差異.同時(shí)，由于單后軸和雙后軸貨車(chē)荷載分配的不同，兩種加載模式誘因的縱向應(yīng)變變化幅值沒(méi)有明顯差異，且加載過(guò)程中測(cè)試的拉應(yīng)變峰值和壓應(yīng)變峰值在數(shù)量級(jí)上基本一致.

3)荷載離開(kāi)應(yīng)變計(jì)正上方時(shí)，瀝青混合料層層底縱向應(yīng)變呈迅速減小趨勢(shì)，但最終并未完全恢復(fù)至初始狀態(tài)，即在短暫荷載作用下的瀝青混合料層層底縱向應(yīng)變特征可折射出瀝青混合料固有的黏滯特性，且整個(gè)加載過(guò)程中，瀝青混合料層層底縱向應(yīng)變時(shí)程曲線呈現(xiàn)出明顯不對(duì)稱(chēng)性，雙后軸貨車(chē)加載時(shí)尤為明顯.但雙后軸貨車(chē)作用下縱、橫向應(yīng)變時(shí)程變化曲線特性存在明顯差異(見(jiàn)圖4)，即雙后軸各自的瀝青層層底縱向應(yīng)變特征基本一致，但第二個(gè)后軸較第一個(gè)后軸作用下的瀝青層層底橫向應(yīng)變?cè)黾蛹s30%(圖4(d)).現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果印證了文獻(xiàn)[11]結(jié)論，即荷載沿行車(chē)方向的作用位置對(duì)縱向應(yīng)變幅值大小的影響較大，對(duì)其時(shí)程曲線形狀的影響較小.

4)車(chē)輛加載試驗(yàn)測(cè)試的瀝青層層底橫向壓應(yīng)變峰值小于拉應(yīng)變峰值，且前軸的應(yīng)變幅值峰值是后軸的20%～70%.由于瀝青層層底縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變計(jì)布置方向的差異，導(dǎo)致兩者在同一荷載同一速度下接收信號(hào)的持續(xù)時(shí)間存在差異，可認(rèn)為，縱向應(yīng)變計(jì)為一定時(shí)段內(nèi)的“持續(xù)"加載(加載時(shí)長(zhǎng)=傳感器長(zhǎng)度/行車(chē)速度)，而橫向應(yīng)變計(jì)為瞬間加載，這一結(jié)論有益于更合理地分析路面動(dòng)載響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果.

5)混合式基層瀝青路面中，相對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石基層，散體材料構(gòu)成的級(jí)配碎石過(guò)渡層，在行車(chē)荷載作用下更易產(chǎn)生豎向變形.同時(shí)，瀝青面層的黏滯特性使車(chē)輛駛離時(shí)間與應(yīng)變恢復(fù)時(shí)間存在一定時(shí)間差，導(dǎo)致前后軸加載的應(yīng)變?cè)诤筝S測(cè)值上存在一定的疊加，其前軸應(yīng)變對(duì)后軸應(yīng)變的疊加效應(yīng)受行車(chē)速度的影響較大，行車(chē)速度對(duì)應(yīng)變測(cè)值影響顯著.

2.2 結(jié)構(gòu)層豎向應(yīng)力或應(yīng)變動(dòng)態(tài)響應(yīng)基本特征

車(chē)輛荷載作用下，路表的豎向變形由路基、墊層、過(guò)渡層和瀝青面層等層位的豎向變形構(gòu)成，其中，路面車(chē)轍由其中在車(chē)輛荷載駛離后不能完全恢復(fù)的部分構(gòu)造，即，半剛性瀝青路面車(chē)轍主要由瀝青面層豎向變形提供，混合式基層瀝青路面車(chē)轍主要由瀝青面層和級(jí)配碎石過(guò)渡層豎向變形貢獻(xiàn)，后者的級(jí)配碎石過(guò)渡層易產(chǎn)生豎向變形，其為豎向動(dòng)力響應(yīng)特性分析的著眼點(diǎn).現(xiàn)場(chǎng)加載測(cè)試試驗(yàn)中，行車(chē)速度采用20 km/h(或40 km/h)，單后軸貨車(chē)和雙后軸貨車(chē)后軸軸重分別為9.66 t和22.60 t，結(jié)構(gòu)層豎向應(yīng)力或應(yīng)變動(dòng)態(tài)響應(yīng)基本特征曲線如圖5所示.

圖5 豎向力學(xué)指標(biāo)動(dòng)態(tài)時(shí)程曲線

測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)在車(chē)輛荷載作用下，不同結(jié)構(gòu)層內(nèi)豎向動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)程曲線存在明顯差異.受測(cè)試層位影響，同屬散粒體材料的過(guò)渡層級(jí)配碎石與路基土存在明顯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)程曲線線形差異，這主要是因?yàn)閷游惠^高的級(jí)配碎石層受豎向荷載作用遠(yuǎn)大于處于剛度較大的水泥穩(wěn)定碎石層之下的路基土，導(dǎo)致過(guò)渡層級(jí)配碎石與路基土豎向壓應(yīng)力在應(yīng)力峰值和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)程曲線線形上均存在顯著差異.對(duì)比圖5(a)、(b)中雙聯(lián)軸作用下的豎向壓應(yīng)力時(shí)程曲線發(fā)現(xiàn)，兩后軸作用下的土壓力峰值在過(guò)渡層和路基土中均清晰可見(jiàn)，土壓力計(jì)基本上記錄不到殘余應(yīng)力，但路基頂面土壓力的波峰與波谷差值遠(yuǎn)小于過(guò)渡層內(nèi)，即兩后軸作用下的土壓力波在路基土中出現(xiàn)明顯疊加，據(jù)此可推測(cè)(圖5(a)可證實(shí))，高速荷載作用下，兩者的疊加效應(yīng)將更為明顯.

2)隨著路面深度增加，荷載的擴(kuò)散范圍隨之增加[12]，壓應(yīng)力脈沖寬度在路基頂面寬于級(jí)配碎石過(guò)渡層底面，由圖5可計(jì)算出，路基頂面在單后軸貨車(chē)作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力脈沖寬度分別為0.5 s(前軸)和0.8 s(后軸)，過(guò)渡層底面前、后軸均為0.2 s.由圖5還可得出，散粒體材料的級(jí)配碎石和土基均具有非線性特性，且其受荷載作用次數(shù)和作用時(shí)長(zhǎng)的影響較大，難以通過(guò)土壓力計(jì)測(cè)值準(zhǔn)確量化其非線性特性對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響.同時(shí)，貨車(chē)軸間豎向應(yīng)變的干涉疊加效應(yīng)受土壓力計(jì)下臥層的不可恢復(fù)變形及延滯恢復(fù)變形特性的影響顯著，尤其是雙聯(lián)軸間，即在交通頻繁和車(chē)輛軸重較大的路段或車(chē)輛間距較小時(shí)，其疊加效應(yīng)將更為顯著.

3 結(jié) 論

由于瀝青材料的黏彈性特征，當(dāng)荷載駛離后，瀝青層層底縱向或橫向應(yīng)變存在明顯殘余應(yīng)變，且加卸載過(guò)程，應(yīng)變時(shí)程曲線表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱(chēng)性，但車(chē)輛駛離后，路基頂面豎向壓應(yīng)力并未檢測(cè)到殘余豎向壓應(yīng)力，路面結(jié)構(gòu)計(jì)算中將路基簡(jiǎn)化為彈性體，滿(mǎn)足計(jì)算精度要求.同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的有效性分析可得，瀝青層層底橫向應(yīng)變對(duì)荷載作用位置最為敏感.

本研究表明：混合式基層瀝青路面秉承了傳統(tǒng)柔性路面的結(jié)構(gòu)基本特性，瀝青路面對(duì)行車(chē)荷載作用的響應(yīng)隨路面結(jié)構(gòu)層位不同而變化；瀝青層層底縱向應(yīng)變經(jīng)歷了壓—拉—壓3個(gè)階段變化過(guò)程， 且壓、拉時(shí)的應(yīng)變峰值屬同一數(shù)量級(jí)；而在相同檢測(cè)時(shí)段內(nèi)，瀝青層層底橫向應(yīng)變僅經(jīng)歷了由壓至拉兩個(gè)階段，且壓應(yīng)變峰值顯著小于拉應(yīng)變峰值， 尤其是雙聯(lián)軸荷載作用下，橫向拉、壓應(yīng)變?cè)诹恐瞪系牟町惛鼮槊黠@；在級(jí)配碎石過(guò)渡層， 受下層水泥穩(wěn)定碎石基層的影響，豎向壓應(yīng)力保持了較高的水平，且多軸車(chē)輛(特別是低速行駛車(chē)輛)作用應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)的疊加效應(yīng)較弱；路基經(jīng)水泥穩(wěn)定碎石基層的荷載擴(kuò)散，其豎向動(dòng)載響應(yīng)在量值上大幅度減小，但對(duì)于高速行駛狀態(tài)下的雙聯(lián)軸車(chē)輛的應(yīng)力波的干涉疊加效應(yīng)，將得以明顯增強(qiáng)，從而影響現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù).