足尺沥青路面加速加载（精选3篇）
足尺沥青路面加速加载 篇1
摘要：2013年年初辽宁省交通科学研究院开展的大粒径碎石基层加速加载试验项目, 批量使用了光纤光栅传感器作为试验测试工具, 取得了一些光纤光栅传感器在道路沥青路面试验中的试验数据, 对试验中光纤光栅传感器的应用情况及试验结果进行分析和总结, 可供业内人士参考借鉴。
关键词：光纤光栅传感器,足尺沥青路面加速加载试验,大粒径碎石基层
辽宁省交通科学研究院开展的大粒径碎石基层加速加载试验项目批量使用了预埋光纤光栅传感器作为路面结构内部力学响应的测量工具, 光纤光栅传感器与传统的机电类传感器相比具有很多优势, 如:本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等, 除此之外还具有一个显著的优点就是它的传感信号为波长调制, 另外, 光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围地测量[1]。
本试验选用光纤光栅传感器配合光纤光栅传感器解调仪及多通道扩展模块来采集力学响应数据。
1 大粒径碎石基层加速加载试验项目概况
辽宁省高速公路主干线 (沈山、沈丹高速公路等) 已临近设计使用寿命, 已经或即将进行改扩建, 为了在改扩建工程开工前确定适宜于高速公路改扩建工程的沥青路面结构型式, 特在辽宁省交通科学研究院试验基地修建长40m、宽4m试验路一条, 用于研究大粒径碎石基层对防止半刚性基层沥青路面反射裂缝的作用, 具体路面结构如表1所示:
2 传感器选型及布设情况
本次试验主要选用了两种光纤光栅传感器:水平拉应变光纤光栅传感器和竖向压应变光纤光栅传感器。
本次试验中光纤光栅传感器用一个竖向传感器和两个水平传感器串接为一组, 水平方向上分别设置在沥青面层底部、水稳基层底部, 垂直方向上统一布设在加载轮轮迹带正下方, 如图1所示:
3 试验加载情况
大粒径碎石基层加速加载试验项目自2013年11月1日开始, 历时一个月, 累计加载150万次, 加载轮轴载双轮150k N, 加载轮与路面接触压力经测算为0.8MPa。
4 试验数据的采集
两种类型光纤光栅传感器在路面下不同位置、不同设置方向的情况下展现出来完全不同的表现, 各情况下传感器输出的应变数据波形如图2~图7所示。
(1) 面层底部纵向拉应变
(2) 面层底部横向拉应变
(3) 面层底部竖向压应变
(4) 基层底部纵向拉应变
(5) 基层底部横向拉应变
基层底部水平横向传感器应变波形见图6。
(6) 基层底部竖向压应变
基层底部竖向传感器应变波形见图7。
5 试验数据的分析
通过试验发现不同类型、不同位置、不同方向的传感器在加速加载设备的作用下输出完全不同的数据波形, 这些原始数据由于周围环境因素包含大量杂波, 需要先用数据处理软件滤除杂波才能做进一步的分析使用, 另外对于不同类型、不同位置、不同方向的传感器输出的试验数据, 最终提取的试验数据也各有不同:
(1) 对于设置在面层底部水平横向、纵向的拉应变传感器, 由于埋设深度相对较浅, 感受加速加载设备轮胎荷载的效果较为明显, 应变数据波形相对平顺, 可取最大值、最小值, 分别计算平均值作为不同累计加载次数后的结果, 做分析比较;
(2) 对于设置在面层底部的竖向压应变传感器, 由于埋设深度相对较浅, 感受加速加载设备轮胎荷载的效果也较为明显, 应变数据波形最小值波峰特别显著, 可计算最小值的平均值作为不同累计加载次数后的结果, 做分析比较;
(3) 对于设置在基层底部水平横向、纵向的拉应变传感器, 由于埋设深度相对较深, 感受加速加载设备轮胎荷载的效果相对较弱, 应变数据波形不太平顺, 但是最大值的波峰较为显著且稳定, 可取最大值计算平均值作为不同累计加载次数后的结果, 做分析比较;
(4) 对于设置在基层底部的竖向压应变传感器, 由于埋设深度相对较深, 感受加速加载设备轮胎荷载的效果也较弱, 应变数据波形杂波较多, 但最小值的波谷波形较为显著, 且相对稳定, 可计算最小值的平均值作为不同累计加载次数后的结果, 做分析比较。
6 小结
目前国内对于光纤光栅传感器在沥青路面加速加载试验中的实际应用经验较少, 通过本次试验对水平拉应变光纤光栅传感器和竖向压应变光纤光栅传感器在沥青路面加速加载试验中测试的适用性总结如下:
(1) 水平拉应变光纤光栅传感器
由路面材料自身特性所决定, 沥青面层厚度有限, 传感器埋深较浅, 且传感器在布设过程中采取了细粒沥青混合料预埋的措施, 试验中输出的应变数据波形平顺, 波峰显著清晰, 证明沥青面层下布设的水平拉应变光纤光栅传感器与沥青混合料的协同变形状况相对较好, 故水平拉应变光纤光栅传感器适于布设在沥青面层底用于测量沥青路面加速加载试验中面层底部拉应变变化情况。
同样, 由于路面材料自身特性的原因, 水泥稳定碎石混合料材料粒径较大, 水平拉应变光纤光栅传感器与水泥稳定碎石混合料的协同变形状况相对较差, 且水稳基层下的传感器埋设深度较深, 虽然试验中也采取了预埋措施, 试验中输出的应变数据波形较为平顺, 数据波峰较面层下设置的应变传感器输出的波形波峰显著程度及平顺程度都稍差, 但水平拉应变光纤光栅传感器仍可用于水稳基层底部测量拉应变变化情况。
(2) 竖向压应变光纤光栅传感器
由路面材料自身特性所决定, 沥青面层厚度有限, 传感器埋深较浅, 且传感器在布设过程中采取了细粒沥青混合料预埋的措施, 试验中输出的应变数据波形平顺, 波峰显著清晰, 证明沥青面层下布设的竖向压应变光纤光栅传感器与沥青混合料的协同变形状况相对较好, 故竖向压应变光纤光栅传感器适用于布设在沥青面层下方测量加速加载试验中沥青路面面层底部竖向应变变化情况。
同样由于路面材料自身特性的原因, 水泥稳定碎石混合料材料粒径较大, 虽然试验中也采取了预埋措施, 但输出的应变数据波峰虽明显波形不顺畅, 证明竖向压应变光纤光栅传感器与水泥稳定碎石混合料的协同变形状况相对较差, 且水稳基层下的传感器埋设深度较深, 竖向压应变光纤光栅传感器不适用于水稳基层底部测量压应变变化情况。
参考文献
[1]姜德生, 何伟.光纤光栅传感器的应用概况[J].光电子·激光, 2002 (4) :13-4.
[2]蔡宏亮.足尺沥青路面加速加载试验数据的采集与分析[J].北方交通, 2015 (12) .
足尺沥青路面加速加载 篇2
国内外对沥青路面典型结构的研究并不鲜见, 我国于八十年代末期开始半刚性基层沥青路面典型结构研究, 从九十年代开始, 各省市相继开展了适合于本省的路面典型结构研究, 包括江苏省、湖北省、安徽省、甘肃省等。这些研究多是以现行规范为理论依据, 结合本地区的实际情况提出的, 且多为半刚性结构, 以实际工程经验和力学分析作为参考[3]。
国内外对典型结构实际路用性能的验证, 多采用铺筑试验路进行长期观测的方法, 费时费力。相对而言, 足尺加速加载试验可以较为真实地模拟路面所处的自然环境和实际结构受力状态, 在短时间内得到路面使用性能衰变规律和路面结构力行为[4,5]。采用足尺加速加载试验手段可以更好地对路面典型结构进行分析比较。为此, 本实验应用MLS66加速加载试验系统, 对两种高速公路典型路面结构—半刚性基层路面和柔性基层路面进行了试验, 对比分析两种典型结构在抗车辙和抗疲劳性能方面的差异, 为优化高速公路典型路面结构设计、确定合理的结构层组合、检验和修正拟定沥青路面结构奠定基础和提供依据。
1 路面结构与试验
1.1 路面结构与试验目的
本文选择辽宁省常用的高速公路半刚性基层沥青路面结构为研究对象, 以柔性基层沥青路面为对比结构, 研究重复荷载作用下, 高速公路半刚性基层沥青路面典型结构在车辙变形、力学响应等方面与柔性基层沥青路面的差异, 进而总结加速加载试验条件下, 高速公路半刚性基层沥青路面性能衰变规律特点, 试验中的两种高速公路沥青路面结构型式如图1所示。
1.2 试验条件
本试验以足尺路面加速加载试验设备MLS66对路面加载, 加载速率为6000次/h, 模拟实际行车荷载超载150%的情况, 即MLS66加载轮轴载为75k N (半轴) 。
试验分为抗车辙能力测试和抗疲劳测试两个阶段, 每个测试阶段各在试验车道上各选择一段加载段完成。抗车辙能力测试阶段, 一方面利用设备附带的加热系统对路面加热和控温, 另一方面利用设备附带的横向移动装置, 按正态分布规律模拟实际行车的横向轮迹分布规律。抗车辙能力测试, 路面控温代表温度分别为45℃和55℃。
在开始试验前, 根据现行的沥青路面设计规范标准轴载 (BZZ) 转换关系确定抗疲劳测试阶段对路面的累计加载次数应不低于220万次, 近似于累计标准轴载作用次数为1700万次, 相当于重交通等级。
在抗疲劳测试阶段, 加载位置固定, 路面各结构层关键位置埋设应力应变传感器以监测不同加载阶段路面各结构层关键位置的力学响应, 同时在抗疲劳测试阶段, 利用埋设于加载带路表以下2cm的温度传感器监测了加载期间路面温度的变化, 检测了不同加载阶段的路面车辙断面并计算其车辙深度, 以温度低于40℃时的车辙段面测量结果作为路面中温条件下的车辙试验结果。
除了上述对路面加热和控温与抗疲劳测试过程中对路面温度的监测, 在环境模拟方面, 还将在抗疲劳测试过程中向加载带内洒水以模拟自然降水对路面的作用, 参照沈阳地区年平均降水量, 认为应在1/4计划累计加载次数施载过程中洒水。
2 试验结果
2.1 抗车辙能力测试
对加载期间车辙断面变化情况观察发现, 在45℃条件下, 两种结构车辙断面呈明显的中间低、两边高的“V”型, 属于结构性车辙;在55℃条件下, 车辙断面两侧有拥起现象, 呈“W”型, 属于流动性车辙, 继续加载, 车辙深度不再增加。高温条件下两种结构的车辙发展情况如图2、图3所示。
对45℃条件下半刚性基层车辙深度和加载次数进行非线性回归, 结果如下:
式中:NSRR—高温条件下半刚性结构累计加载次数/万次;
RSRR—高温条件下半刚性结构车辙深度, mm。
同理, 对柔性基层对半刚性基层车辙深度和加载次数进行非线性回归, 结果如下:
式中:NFRR—高温条件下, 柔性结构累计加载次数, 万次;
RFRR—高温条件下, 柔性结构车辙深度, mm。
两种结构的车辙深度随加载次数增加的发展情况如图4、图5所示:
由两种结构车辙深度发展趋势图可以看出, 两种路面结构在高温和模拟轮迹横向分布的同时作用下, 在加载初始阶段, 车辙深度增幅较大, 半刚性结构在加载9万次后, 车辙深度增加8.8mm, 柔性结构在加载10万次后车辙深度增加了12.8mm。随后两种结构车辙深度进入线性发展阶段, 两种结构车辙深度增幅开始减小, 直至车辙深度不再增加。在两个阶段, 柔性结构的车辙深度发展速率比半刚性结构快。
2.2 抗疲劳测试
(1) 车辙监测结果
加载同时由埋设在路表下2cm处的热电偶测量路面温度, 整个加载期内路面温度变化范围为21~37℃。由车辙断面仪采集到的车辙深度发展情况如图6、图7所示。
对半刚性基层车辙深度和加载次数进行非线性回归, 结果如下:
式中:NSRF—中温条件下半刚性结构累计加载次数, 万次;
RSRF—中温条件下半刚性结构车辙深度, mm。
同理, 对柔性基层车辙深度和加载次数进行非线性回归, 结果如下:
式中:NFRF—中温条件下柔性结构累计加载次数, 万次;
RFRF—中温条件下柔性结构车辙深度, mm。
两种结构车辙深度随加载次数的发展情况如图8、图9所示。
由两种结构车辙深度发展趋势图可以看出, 在中温条件下 (20~40℃) , 加载初期, 车辙深度增大趋势明显, 其中柔性结构车辙深度增幅较大, 累计加载60万次时, 半刚性结构车辙深度为5.2mm, 而柔性结构的车辙深度为10.8mm;随着加载次数的增加, 两种结构车辙深度呈线性增长趋势, 柔性结构车辙增幅仍较半刚性结构大, 当累计加载120万次后, 柔性结构的车辙深度基本不再增加, 而半刚性结构的车辙深度仍然小幅度增加, 至累计加载超过180万次后, 车辙深度的增幅才减弱。与柔性基层结构相比, 中温度条件下, 相同轴次作用下, 半刚性结构的车辙深度明显较小。
(2) 力学响应检测结果
本次试验以路面疲劳裂缝和重复荷载作用下路面结构的力学响应监测结果评价两种路面结构的抗疲劳性能。试验每10万~20万次采集一次路面结构内部的传感器信号。图10~图14分别表示两种结构沥青层和基层底部动力响应情况。
由两种结构力学响应数据可以看出, 对于两种路面结构面层底和基层底的竖向压应变, 二者随加载次数增加的变化趋势具有十分相似的规律, 即:随着加载次数的增加, 应变先增大后减小, 最后稳定在某一范围。对于面层底部压应变, 累计50万次后, 半刚性结构达到最大值300με, 随后逐渐下降;柔性结构在累计加载120万次后达到最大值320με, 应变值逐渐下降。对于基层底竖向压应变, 两种结构均在累计加载100万次时, 应变分别达到最大值4.6με和9.2με, 然后逐渐下降。相同路面温度、轴载和累计轴次的作用下, 柔性基层沥青路面的应变较大, 这一点在沥青层底竖向压应变上表现明显。其他结构层位的力学响应情况如图12~图14所示。
对于两种路面结构基层的水平拉应变 (横、纵向) , 二者随加载次数增加的变化趋势不明显, 且应变水平相当, 当累计加载超过150万次后, 柔性基层的水平拉应变水平略有降低。在150k N轴载作用下, 整个加载期内, 两种沥青路面在相似层位的应变变化范围如表1所示。
3 讨论
抗车辙能力测试中, 无论在中温还是高温条件下, 两种路面结构车辙深度增加趋势较为明显, 在相同荷载次数作用下, 半刚性结构车辙深度明显小于柔性结构。两种结构车辙断面形式相似, 沥青层厚度相同, 而由力学响应结果可知, 柔性结构面层底和基层底部竖向应变较大, 柔性结构基层受到较大的压应力, 由此推断柔性基层结构车辙深度大的原因是柔性结构基层出现了变形所致, 美国各州公路工作者协会 (AASHO) 通过环道试验调查了路面车辙破坏情况, 调查结果表明, 路面结构的永久变形为路面各组成部分的永久变形总和, 车辙深度的32%发生在面层, 14%~45%发生在基层, 45%发生在底基层, 9%发生在路基。本次试验中, 半刚性结构和柔性结构在中温条件下最大车辙深度分别为12.2mm和20.7mm, 在高温条件下的最大车辙深度分别为13.7mm和21mm, 若假定两种结构除基层外各层变形量相同, 忽略半刚性基层的变形, 则柔性结构中基层的变形量占整个路面结构永久变形的比例为41%和34.7%。
结构内部的力学响应监测结果表明, 两种结构应变变化趋势相似, 柔性结构面层底和基层底部竖向应变较半刚性结构大, 基层底的水平应变水平相当。半刚性结构面层底和基层底竖向应变较小, 说明半刚性结构可以有效地降低基层和土基的竖向应力, 避免出现较大的变形, 因而具有较高的承载能力。加载前后应变未出现明显变化, 由此初步判定两种结构均未出现疲劳现象。
4 结论
(1) 相同试验条件下, 柔性基层沥青路面的抗车辙性能较半刚性基层沥青路面差, 半刚性基层在高温条件下车辙变形明显小于半刚性基层。
(2) 重复荷载作用下, 两种路面结构各结构层的力学响应随加载次数呈相似的变化规律, 且相同加载阶段柔性基层沥青面层和基层底部竖向应变均大于半刚性基层, 基层底的水平应变水平相当。
(3) 通过研究认为, 高速公路半刚性基层沥青路面具有较好的抵抗变形能力和抗疲劳能力, 承载能力较高, 与多数研究文献所获得的高速公路半刚性基层沥青路面性能特性的结论相近。
摘要：对两种高速公路沥青路面典型结构, 即高速公路半刚性基层沥青路面、柔性基层沥青路面, 进行了加速加载试验, 分析比较了两种结构在抗车辙和抗疲劳性能方面的衰变规律与差异。试验结果表明, 两种路面结构在疲劳特性方面并无明显差异, 在抗车辙性能方面, 半刚性基层结构优于柔性基层结构。通过路面加速加载试验及其结论, 为优化高速公路路面结构设计、确定合理的结构组合提供有力的参考。
关键词：高速公路,典型结构,加速加载,车辙,疲劳
参考文献
[1]DONG Zhong-hong, , XU Quan-liang, LU Peng-min.Dynamic Response of Semi-rigid Base Asphalt Pavement Based on Accelerated Pavement Test[J].China Journal of Highway and Transport, Vol.24 No.2 Mar.2011
[2]Jiang Hou-quan.Analysis and Maintenance Plan of Wheel Rut on Asphalt Pavement of Highway[D].Tianjin:Tianjin University, 2008.
[3]黄仰贤.路面分析与设计[M].北京:人民交通出版社, 1994:14-19.
[4]邓绍玉.辽宁省沥青路面典型结构研究[D].西安:长安大学, 2004.
足尺沥青路面加速加载 篇3
1 加速加载试验概况
1.1 试验设备
本试验采用的是MLS66型加速加载试验设备, MLS66型加速加载试验设备是一套可移动式的野外足尺路面综合试验设备。MLS66是由南非MLS试验系统有限责任公司研制的, 依靠直线电机驱动使真实轮载作用到路面结构上, 通过可控制的轴载, 在短时间内对路面结构进行加速加载, 模拟实际交通荷载对路面结构的作用, 进而对路面结构的性能进行分析和评估。最大加载频率达到每小时6000次, 折算成轮架的最大运行速度可达到6m/s (22km/h) 。
1.2 路面结构
本次试验的橡胶沥青路面为单层结构, 路面的结构形式为:面层为4cm橡胶沥青混合料ARAC-16, 基层为23cm水泥稳定砂砾, 橡胶沥青混合料的级配如表1所示。
2 试验方案
本试验主要从抗疲劳性能、抗车辙能力、抗水损害能力等几个方面对路面结构的性能特点进行评价。
2.1 车辙试验
(1) 车辙试验温度
沥青路面温度的影响因素众多, 各因素与路面温度的关系错综复杂。所以, 确定沥青路面代表温度时要做一定的假定, 忽略次要因素。辽宁省沥青路面温度的主要影响因素有风速与降雨。当风速较大时, 路表热交换进程加快, 路面温度降低;降雨使沥青路面温度下降。但确定沥青路面的高温代表温度时, 应该考虑的是高温的最不利状态。利用SHRP公式和LTPP公式分别进行辽宁省各地区路面高温温度值计算, 经计算LTPP带有概率的高温模型计算沥青路面温度值较SHRP公式计算的结果偏高, 按最不利条件设计, 故采用LTPP计算结果的温度值, 辽宁省沥青路面较为常见的高温温度范围在45~57.3℃之间。因此, 本次试验采用45℃和55℃作为高温代表温度进行抗车辙能力测试。加载期内对加载带范围内的温度监测采用在加载段范围内布设热电偶测量路表以下2cm温度的方式实现。
(2) 试验方案
对高温的模拟采用设备附带的加热系统实现, 记录与分析高温条件、重复荷载作用下橡胶沥青面层车辙断面及其深度随加载次数的变化趋势。车辙试验的加载轴载为150k N, 加载轴次为38万次。试验温度分为两个温度段, 其中0次至18万次加载过程中试验温度为45℃, 18万次至38万次试验过程中试验温度为55℃。试验的检测频率为每加载2万次至3万次停机检测一次。
2.2 疲劳试验
疲劳试验的加载轴载为150k N, 加载轴次按中等交通等级、超载150%的情况确定为200万次, 试验温度为环境温度。试验过程中检测试验区域内不同加载阶段的FWD弯沉, 检测频率为每加载10万次至20万次检测一次, 根据试验结果分析路面整体强度随加载次数的变化趋势。
2.3 水损害试验
试验采用自制的洒水装置模拟自然降水, 在加载过程中向加载带内洒水实现。单位时间洒水量应以能将加载带充分浸润并能在加载带内形成水膜为标准。洒水量参考沈阳地区近十年的平均降水量的统计资料, 拟确定试验的降水分布为累计轴次的25%。加载过程中观察路面表观状态, 记录模拟降水条件下路面破损的发生和发展趋势。
3 试验结果
3.1 车辙试验
在高温作用下单层橡胶沥青路面的车辙随加载次数增加的变化规律如图1所示。
由图1可以看出, 橡胶沥青路面车辙深度随着加载次数的增加而增大, 初期加载3万次后路面就出现了4mm的车辙, 之后车辙深度的增加量非常小, 即使加热温度由45℃升高到55℃, 车辙增加的幅度也不是很明显。由此可见, 单层橡胶沥青路面结构具有一定的抗车辙能力, 车辙的产生主要发生在加载初期的压密阶段。
3.2 疲劳试验
由于疲劳试验的时间跨度较长, 在弯沉测量时的环境温度差异较大, 导致采集的弯沉数据无法直接进行对比分析, 故将不同试验阶段的弯沉值进行了温度修正, 最终得到20℃修正弯沉值。弯沉检测结果的代表值与20℃修正弯沉如表2所示。
由表2可以看出, 路面结构的中心点弯沉随加载次数的增加呈现明显的增大趋势;在累计加载30万次前, 加载带和非加载带内的中心点弯沉差异不明显, 此后, 加载带内弯沉逐渐增大。虽然在路面洒水期间出现了唧浆及坑槽, 此时路面的弯沉没有显著的变化。可见, 虽然路面结构强度随加载次数的增加而逐渐衰减, 但路面的整体强度没有破坏, 说明在设计的轴次内路面具有一定抗疲劳性能。
3.3 水损害试验
当疲劳加载次数达到40万次后, 开始在模拟降水状态下加载, 加载6万次后发现有白色砂浆从加载带内溢出, 由此停机观察加载带内情况, 发现加载带内出现横向裂缝, 且从裂缝中向外渗出白色砂浆, 此时路面结构表面没有明显的破损现象, 继续加载3万次后停机观察, 发现路面已经出现坑槽, 停止加水继续进行试验, 此后路面结构没有再发生明显变化, 路面的破损状况如图2、图3所示。
由试验可以看出, 水对单层结构强度的影响比较大, 在车辆荷载和水的综合作用下, 路面结构很快就产生了裂缝, 裂缝出现后, 在水的作用下路面的破损程度加速。
4 试验结论
(1) 单层橡胶沥青路面的抗车辙能力较好, 车辙主要发生在加载的初期压密阶段。
(2) 单层橡胶沥青路面结构强度随加载次数增加而逐渐衰减, 但在设计的当量轴次内, 路面的结构强度没有发生破坏, 此种结构具有一定的抗疲劳性能。
(3) 单层橡胶沥青路面的抗水损害能力较弱, 当路面出现裂缝后, 在水和车辆荷载的综合作用下路面会加速破坏。
参考文献
[1]闫青玮.橡胶沥青及其混合料路用性能参数的试验研究[D].沈阳:沈阳建筑大学, 2011.
[2]宫丽莉.浅谈橡胶沥青混合料在普通公路中的应用[J].北方交通, 2009 (11) .
[3]祝龙旭.橡胶沥青在城市道路改造中的应用[D].重庆:重庆交通大学, 2014.
[4]徐全亮.半刚性基层和柔性基层沥青路面加速加载试验研究[J].公路交通科技, 2011 (7) .