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摘要：

文章通過增加瀝青面層厚度、引入高模量瀝青混合料 EME14 及玄武巖纖維等新材料的方式，提出了兩種長壽命路面結(jié)構(gòu)，并依托宜長高速公路鋪筑了試驗路；通過埋設(shè)傳感器和理論計算的方式對比分析了不同結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，建立了不同位置傳感器的典型的響應(yīng)時程曲線。結(jié)果表明，引入高模量瀝青混合料 EME14 及玄武巖纖維等材料后的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)相對小于其它結(jié)構(gòu)，在抗車轍、抗裂性能等方面具有一定的優(yōu)勢。建議進一步加強試驗路后期監(jiān)測，建立響應(yīng)預(yù)測回歸模型，為壽命預(yù)估提供參考瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。

關(guān)鍵詞：長壽命路面；傳感器；監(jiān)測；力學(xué)行為；高模量瀝青混合料；玄武巖纖維

0 前言

文章依托宜興至長興高速公路江蘇段 （簡稱“宜長高速”） 鋪筑長壽命路面試驗段， 探索新結(jié)構(gòu)、新材料在長壽命路面中的應(yīng)用前景，并通過埋設(shè)傳感器，監(jiān)測路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為。

1   試驗段及路面結(jié)構(gòu)

試驗段起止樁號分別為 K3+493 和 K4+161，施工斷面為全幅，為雙向六車道高速公路。宜長高速公路原設(shè)計路面結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，路面結(jié)構(gòu)為4 cm SBS 改性瀝青 SMA-13+6.5 cm SBS 改性瀝青Sup-20+9 cm 道路石油瀝青 Sup-25+36 cm 抗裂水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm 低劑量泥穩(wěn)定碎石基層。

據(jù)調(diào)研，目前，江蘇省高速公路面臨的主要問題是控制面層的車轍病害和基層的反射裂縫病害。因此，文章的方案設(shè)計主要從改善車轍病害和瀝青層的疲勞破壞兩個角度開展。

（1）增加結(jié)構(gòu)層厚度是提高路面服役壽命的一種方式[1，2]。目前增加瀝青層厚度的路面結(jié)構(gòu)主要有柔性基層/全厚式以及組合式基層， 其中柔性基層抗裂性能好，但是容易產(chǎn)生車轍，且成本較高；組合式基層也增加了瀝青層厚度，提高了路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，減少了貫穿瀝青層全厚的半剛性基層的裂縫，融合了半剛性基層和柔性基層的特點，其本質(zhì)上也是厚瀝青層的半剛性基礎(chǔ)。因此，文章選擇組合式基層進行設(shè)計，根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，提出了路面結(jié)構(gòu)一，如圖 1（b）所示。該結(jié)構(gòu)鋪筑于試驗段左幅， 結(jié)構(gòu)驗算滿足 《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）要求（交通量按 30 年預(yù)測）。

（2）為研究新材料的應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)一中進一步引入高模量瀝青混合料 EME14 和玄武巖纖維，分別通過提高中面層的模量和下面層混合料的抗疲勞性能[3，4]，達(dá)到提升路面結(jié)構(gòu)的抗車轍和抗裂性能的目的，形成路面結(jié)構(gòu)二，如圖 1（c）所示。該結(jié)構(gòu)鋪筑于試驗段右幅，結(jié)構(gòu)驗算滿足《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）要求（交通量按 30年預(yù)測）。

2 傳感器布設(shè)方案

根據(jù) 《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）中的壽命預(yù)估模型，涉及的響應(yīng)指標(biāo)主要包括瀝青混合料開裂相關(guān)的水平應(yīng)變指標(biāo)以及車轍相關(guān)的豎向應(yīng)變和豎向應(yīng)力指標(biāo)。因此，文章選擇的傳感器包括瀝青水平應(yīng)變計、 瀝青豎向應(yīng)變計和土壓力計。

長壽命路段傳感器埋設(shè)中心點樁號為 K3+822，傳感器位置分別位于左幅第一車道和右幅第一車道瀝青面層第二層、第三層和第四層的層底；常規(guī)路段選擇臨近長壽命路段左幅埋設(shè)， 傳感器位置主要位于左幅第一車道瀝青面層第二層和第三層的層底。

傳感器埋設(shè)清單如表 1 所示， 布設(shè)斷面圖如圖 2—圖 5 所示。參考 RIOHTrack、山東省濱大路永久性路面等研究成果， 考慮傳感器的存活率及數(shù)據(jù)的離散性和平行性，傳感器設(shè)置間距為 50 mm，成對布設(shè)，從而測得單點的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變。

3 基于監(jiān)測的力學(xué)響應(yīng)分析

3.1 典型波形

考慮超載現(xiàn)象， 文章響應(yīng)荷載測試參數(shù)采用100 kN 和 150 kN 兩個荷載水平；考慮行車安全及使加載車沿固定軌跡行駛，同時模擬慢速交通和常速交通，加載時設(shè)置 20 km/h 和 60 km/h 兩個速度水平。以長壽命路面試驗段為例，不同位置、不同方向的傳感器測得的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)典型時程曲線如圖 6 所示。

可以看出，當(dāng)車輛經(jīng)過時，除第二層底和第三層底的豎向應(yīng)變表現(xiàn)為拉應(yīng)變之外，其余響應(yīng)波形均表現(xiàn)為純壓波形和“拉-壓-拉”交替波形；應(yīng)力波形主要為純壓波形，即瀝青層底豎向主要受壓應(yīng)力作用。

3.2 分析指標(biāo)

選取 20 km/h 的數(shù)據(jù)研究荷載對瀝青路面動力響應(yīng)的影響，如圖 7 所示，可以看出，隨著荷載的增加，應(yīng)變顯著增加。

車輛行駛速度對瀝青路面動力響應(yīng)的影響如圖 8 所示，可以看出，隨著車輛行駛速度的增加，前軸和后軸行駛過同一傳感器的時間間隔遞減。此外，后軸所產(chǎn)生的應(yīng)變時程曲線中的拉、 應(yīng)變峰值 εc、εt 隨行駛速度的減小而顯著增大。由于瀝青層底縱向拉應(yīng)變的大小直接影響瀝青層疲勞壽命，因此，車輛行車速度越慢，瀝青層底產(chǎn)生的縱向拉應(yīng)變越大， 瀝青層的疲勞壽命越短，瀝青路面越容易產(chǎn)生疲勞裂縫。因此，文章以拉應(yīng)變和壓應(yīng)變峰值幅值絕對值之和研究荷載及速度對響應(yīng)的影響。

3.3 加載速度對響應(yīng)的影響

以瀝青層底的縱向應(yīng)變?yōu)槔?，分析加載速度對應(yīng)變的影響，如圖 9 所示，可以看出，除 3 縱-右-150 外，總體而言，隨著加載速度的增加，縱向應(yīng)變有下降趨勢；當(dāng)加載速度從 20 km/h 增至 60 km/h，不 同 位 置 傳 感 器 縱 向 應(yīng) 變 降 低 幅 度 在 1.06% ~56.23%之間。

以瀝青層底豎向壓應(yīng)力為例， 分析加載速度對豎向壓應(yīng)力的影響，如圖 10 所示?？梢钥闯?，隨著加載速度的增加，豎向壓應(yīng)力總體應(yīng)變有下降趨勢；當(dāng)速度從 20 km/h 增至 60 km/h 時，“右-100” 和 “左-100”傳感器測得的壓力分別降低 29.24%和 0.68%。

3.4 荷載對響應(yīng)的影響

以瀝青層底的橫向應(yīng)變?yōu)槔治龊奢d對應(yīng)變的影響，如圖 11 所示。

可以看出，除“4 橫-右-60”外，總體而言，隨著荷載的增加，橫向應(yīng)變增加；當(dāng)荷載從 100 kN 增至 150 kN 時，不同位置傳感器測得的橫向應(yīng)變增加幅度在 9.4%~48.60%之間。

以瀝青層底豎向壓應(yīng)力為例，分析荷載對豎向壓應(yīng)力的影響，如圖 12 所示。

可以看出，隨著荷載的增加， 豎向壓應(yīng)力增加；當(dāng)荷載從 100 kN 增至150 kN 時，速度為 20 km/h 和 60 km/h 時的壓應(yīng)力分別增加了 60.02%和 48.98%。

3.5 不同路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比

不同路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變對比及壓應(yīng)力對比如圖 13 和圖 14 所示。

從圖中可以看出， 總體而言，長壽命路段結(jié)構(gòu)二的應(yīng)變響應(yīng)低于長壽命路段結(jié)構(gòu)一。長壽命路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力顯著低于原路面結(jié)構(gòu)，相比原路面結(jié)構(gòu)，降低幅度達(dá) 72%以上。

4 基于理論計算的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為分析

在實測的基礎(chǔ)上，文章采用路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計算軟件 BISAR 分別計算上述 3 種結(jié)構(gòu)方案路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，材料參數(shù)取值如表 2 所示。

不同結(jié)構(gòu)、不同深度的橫向應(yīng)變、縱向應(yīng)變、豎向應(yīng)變和瀝青層層底壓應(yīng)力如圖 15 至圖 18 所示。可以看出，一定深度范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)二（即提高了結(jié)構(gòu)層模量的方案） 應(yīng)力應(yīng)變低于其它兩種結(jié)構(gòu)方案，根據(jù)既有的瀝青路面性能預(yù)估模型，結(jié)構(gòu)二在抗車轍、抗裂性能等方面具有一定的優(yōu)勢。

5 結(jié)論及建議

（1）通過埋設(shè)傳感器的方式，監(jiān)測了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)行為，結(jié)果表明，除第二層底和第三層底的豎向應(yīng)變表現(xiàn)為拉應(yīng)變之外，其余響應(yīng)波形均表現(xiàn)為純壓波形和“拉-壓-拉”交替波形；應(yīng)力波形主要為純壓波形。

（2）根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，在保障安全的前提下，運行速度的降低和荷載的增加均不利于路面服役壽命延長；總體而言，長壽命路段結(jié)構(gòu)二的應(yīng)變響應(yīng)低于長壽命路段結(jié)構(gòu)一， 且應(yīng)力響應(yīng)相對原路面結(jié)構(gòu)，降低幅度達(dá) 72%以上。

（3）基于理論計算的路面結(jié)構(gòu)行為分析結(jié)果表明，一定深度范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)二應(yīng)力應(yīng)變低于其它兩種結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)二在抗車轍、抗裂性能等方面具有一定的優(yōu)勢。

（4）建議進一步加強試驗路后期監(jiān)測，建立響應(yīng)預(yù)測回歸模型，為壽命預(yù)估提供參考。