2024-05-08
 
长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析
2024年05月08日   阅读量:49943

摘要:

文章通过增加沥青面层厚度、引入高模量沥青混合料 EME14 及玄武岩纤维等新材料的方式,提出了两种长寿命路面结构,并依托宜长高速公路铺筑了试验路;通过埋设传感器和理论计算的方式对比分析了不同结构的力学行为,建立了不同位置传感器的典型的响应时程曲线。结果表明,引入高模量沥青混合料 EME14 及玄武岩纤维等材料后的路面结构响应相对小于其它结构,在抗车辙、抗裂性能等方面具有一定的优势。建议进一步加强试验路后期监测,建立响应预测回归模型,为寿命预估提供参考沥青网sinoasphalt.com


关键词:长寿命路面;传感器;监测;力学行为;高模量沥青混合料;玄武岩纤维


0 前言


文章依托宜兴至长兴高速公路江苏段 (简称“宜长高速”) 铺筑长寿命路面试验段, 探索新结构、新材料在长寿命路面中的应用前景,并通过埋设传感器,监测路面结构力学行为。


1   试验段及路面结构

试验段起止桩号分别为 K3+493 和 K4+161,施工断面为全幅,为双向六车道高速公路。宜长高速公路原设计路面结构如图1(a)所示,路面结构为4 cm SBS 改性沥青 SMA-13+6.5 cm SBS 改性沥青Sup-20+9 cm 道路石油沥青 Sup-25+36 cm 抗裂水泥稳定碎石基层+20 cm 低剂量泥稳定碎石基层。


据调研,目前,江苏省高速公路面临的主要问题是控制面层的车辙病害和基层的反射裂缝病害。因此,文章的方案设计主要从改善车辙病害和沥青层的疲劳破坏两个角度开展。


(1)增加结构层厚度是提高路面服役寿命的一种方式[1,2]。目前增加沥青层厚度的路面结构主要有柔性基层/全厚式以及组合式基层, 其中柔性基层抗裂性能好,但是容易产生车辙,且成本较高;组合式基层也增加了沥青层厚度,提高了路面结构的抗疲劳性能,减少了贯穿沥青层全厚的半刚性基层的裂缝,融合了半刚性基层和柔性基层的特点,其本质上也是厚沥青层的半刚性基础。因此,文章选择组合式基层进行设计,根据以往设计经验,提出了路面结构一,如图 1(b)所示。该结构铺筑于试验段左幅, 结构验算满足 《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)要求(交通量按 30 年预测)。


长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com


(2)为研究新材料的应用,在结构一中进一步引入高模量沥青混合料 EME14 和玄武岩纤维,分别通过提高中面层的模量和下面层混合料的抗疲劳性能[3,4],达到提升路面结构的抗车辙和抗裂性能的目的,形成路面结构二,如图 1(c)所示。该结构铺筑于试验段右幅,结构验算满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)要求(交通量按 30年预测)。


2 传感器布设方案

根据 《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)中的寿命预估模型,涉及的响应指标主要包括沥青混合料开裂相关的水平应变指标以及车辙相关的竖向应变和竖向应力指标。因此,文章选择的传感器包括沥青水平应变计、 沥青竖向应变计和土压力计。


长寿命路段传感器埋设中心点桩号为 K3+822,传感器位置分别位于左幅第一车道和右幅第一车道沥青面层第二层、第三层和第四层的层底;常规路段选择临近长寿命路段左幅埋设, 传感器位置主要位于左幅第一车道沥青面层第二层和第三层的层底。


长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com


传感器埋设清单如表 1 所示, 布设断面图如图 2—图 5 所示。参考 RIOHTrack、山东省滨大路永久性路面等研究成果, 考虑传感器的存活率及数据的离散性和平行性,传感器设置间距为 50 mm,成对布设,从而测得单点的横向应变和纵向应变。

长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com

长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com


3 基于监测的力学响应分析

3.1 典型波形


考虑超载现象, 文章响应荷载测试参数采用100 kN 和 150 kN 两个荷载水平;考虑行车安全及使加载车沿固定轨迹行驶,同时模拟慢速交通和常速交通,加载时设置 20 km/h 和 60 km/h 两个速度水平。以长寿命路面试验段为例,不同位置、不同方向的传感器测得的路面结构响应典型时程曲线如图 6 所示。


长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com


可以看出,当车辆经过时,除第二层底和第三层底的竖向应变表现为拉应变之外,其余响应波形均表现为纯压波形和“拉-压-拉”交替波形;应力波形主要为纯压波形,即沥青层底竖向主要受压应力作用。


3.2 分析指标


选取 20 km/h 的数据研究荷载对沥青路面动力响应的影响,如图 7 所示,可以看出,随着荷载的增加,应变显著增加。

长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com

车辆行驶速度对沥青路面动力响应的影响如图 8 所示,可以看出,随着车辆行驶速度的增加,前轴和后轴行驶过同一传感器的时间间隔递减。此外,后轴所产生的应变时程曲线中的拉、 应变峰值 εc、εt 随行驶速度的减小而显著增大。由于沥青层底纵向拉应变的大小直接影响沥青层疲劳寿命,因此,车辆行车速度越慢,沥青层底产生的纵向拉应变越大, 沥青层的疲劳寿命越短,沥青路面越容易产生疲劳裂缝。因此,文章以拉应变和压应变峰值幅值绝对值之和研究荷载及速度对响应的影响。


3.3 加载速度对响应的影响


以沥青层底的纵向应变为例,分析加载速度对应变的影响,如图 9 所示,可以看出,除 3 纵-右-150 外,总体而言,随着加载速度的增加,纵向应变有下降趋势;当加载速度从 20 km/h 增至 60 km/h,不 同 位 置 传 感 器 纵 向 应 变 降 低 幅 度 在 1.06% ~56.23%之间。

长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com


以沥青层底竖向压应力为例, 分析加载速度对竖向压应力的影响,如图 10 所示。可以看出,随着加载速度的增加,竖向压应力总体应变有下降趋势;当速度从 20 km/h 增至 60 km/h 时,“右-100” 和 “左-100”传感器测得的压力分别降低 29.24%和 0.68%。

长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com

3.4 荷载对响应的影响


以沥青层底的横向应变为例,分析荷载对应变的影响,如图 11 所示。


长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com


可以看出,除“4 横-右-60”外,总体而言,随着荷载的增加,横向应变增加;当荷载从 100 kN 增至 150 kN 时,不同位置传感器测得的横向应变增加幅度在 9.4%~48.60%之间。


以沥青层底竖向压应力为例,分析荷载对竖向压应力的影响,如图 12 所示。


长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com


可以看出,随着荷载的增加, 竖向压应力增加;当荷载从 100 kN 增至150 kN 时,速度为 20 km/h 和 60 km/h 时的压应力分别增加了 60.02%和 48.98%。


3.5 不同路面结构响应对比


不同路面结构的应变对比及压应力对比如图 13 和图 14 所示。

长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com


从图中可以看出, 总体而言,长寿命路段结构二的应变响应低于长寿命路段结构一。长寿命路面结构的压应力显著低于原路面结构,相比原路面结构,降低幅度达 72%以上。


4 基于理论计算的路面结构力学行为分析

在实测的基础上,文章采用路面结构力学计算软件 BISAR 分别计算上述 3 种结构方案路面结构力学行为,材料参数取值如表 2 所示。


长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com


不同结构、不同深度的横向应变、纵向应变、竖向应变和沥青层层底压应力如图 15 至图 18 所示。可以看出,一定深度范围内,结构二(即提高了结构层模量的方案) 应力应变低于其它两种结构方案,根据既有的沥青路面性能预估模型,结构二在抗车辙、抗裂性能等方面具有一定的优势。


长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com


长寿命沥青路面结构动力响应监测及力学行为分析 沥青网,sinoasphalt.com


5 结论及建议

(1)通过埋设传感器的方式,监测了路面结构内部力学行为,结果表明,除第二层底和第三层底的竖向应变表现为拉应变之外,其余响应波形均表现为纯压波形和“拉-压-拉”交替波形;应力波形主要为纯压波形。

(2)根据监测结果,在保障安全的前提下,运行速度的降低和荷载的增加均不利于路面服役寿命延长;总体而言,长寿命路段结构二的应变响应低于长寿命路段结构一, 且应力响应相对原路面结构,降低幅度达 72%以上。

(3)基于理论计算的路面结构行为分析结果表明,一定深度范围内,结构二应力应变低于其它两种结构方案,结构二在抗车辙、抗裂性能等方面具有一定的优势。

(4)建议进一步加强试验路后期监测,建立响应预测回归模型,为寿命预估提供参考。


免责声明: 本文仅代表作者本人观点,与中国沥青网无关。本网对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考,并请自行承担全部责任。本网转载自其它媒体的信息,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一周内进行,以便我们及时处理。邮箱:23341571@qq.com,客服QQ:23341571


全站互链网站权重>BR4 | QQ客服:23341571 | 微信号客服:kevinhouitpro

主办单位:深圳海川信息科技有限公司    合作单位:广东省沥青混凝土供应链协会 | 全国混凝土标准化技术委员会沥青混凝土分技术委员会

沥青综合群:112171208 |    沥青销售群:74217223      站长信箱:23341571@qq.com  | 业务QQ: 23341571   

沥青网   版权声明 |  免责声明 |  粤ICP备18041746号-15 | 沥青网——沥青行业门户!