加速加载条件下沥青路面结构动力响应

陈静云，刘佳音，刘云全，周长红

（1.大连理工大学交通运输学院，辽宁大连116023；2.辽宁省交通科学研究院，辽宁沈阳110015）

加速加载条件下沥青路面结构动力响应

陈静云1，刘佳音1，刘云全2，周长红1

（1.大连理工大学交通运输学院，辽宁大连116023；2.辽宁省交通科学研究院，辽宁沈阳110015）

为深入了解交通荷载作用下不同沥青路面的行为特征，通过MLS66加速加载设备模拟实际车辆作用，实测了半刚性基层结构与倒装结构路面的3个方向动态响应，研究了正载与偏载时面层与基层底部的应变响应规律。实测应变显示：半刚性路面中基层底部拉应变大于面层。倒装结构面层底部弯拉应变大于半刚性路面，对荷载作用次数更加敏感。倒装结构中最大拉应变出现在面层底部纵向，疲劳开裂首先在横向出现。2种结构的面层应变响应均体现了沥青混合料的黏弹性特征。不同轴载下应变测值表明，考虑超载车辆对路面结构作用时，应选用接地压力作为参数进行计算。基于MLS66的路面结构动力响应研究，为理解不同路面结构的破坏现象提供了帮助。

沥青路面；加速加载；动态响应；倒装结构；MLS66

路面使用期间经受车辆荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化的状态。路面结构的动力响应既能反映路面本身的结构特征，也是决定道路长期使用性能的指标。通过实测确定路面结构在移动荷载作用下的动力响应，是近年来国内外研究的热点问题［1-2］。目前，动力响应的测量主要通过现场实测和足尺模拟试验2种途径实现。前者是在实际路面中预埋传感器，测量实际车辆通过时的路面响应，如Elseifi、Mulungye、董泽蛟、Bayat等的研究［3-6］。这种方法的优点是反映了真实的结构和荷载的全部特征，其缺点是车辆行驶方向由人工控制，轮胎与测点间的相对位置难以精确定位，这在一定程度上影响了测值的稳定性［7］。加速加载试验（accelerated pavement test，APT）经常用于模拟实际荷载［8-9］。加速加载设备的优点是荷载稳定性好，试验条件可控，能进行车辙试验和疲劳试验。Chen等［10］和董忠红等［7］分别用ALF（accelerated loading facility）加速加载设备对路面的动力响应进行了测定。目前的ALF加速加载设备仍存在一些局限性［11-12］，首先是其行进速度受到滑道长度和起升高度的限制；其次，受设备驱动方式的限制，往复一周仅加载1～2次，效率较低；此外，由于设备长度的限制，难于进行长距离移动。MLS66（mobile load simulator 66）移动式荷载模拟系统是2007年由南非开发制造的新型足尺加速加载设备。MLS系列设备区别于以往设备的首要特征是加载系统提供了单向行进的多个连续轮载作用。其加载速率可达6 000次／h，是同类设备中最高的，能更好地反映稳定连续的动载作用效果。此外，该设备方便移动，能对实际路面进行测试。基于上述特点，MLS66是一种较理想的荷载模拟设备。该设备于2010年开始在我国投入使用，目前，用MLS66系统进行的动力响应研究还未见报道。本文采用MLS66设备对半刚性结构与级配碎石倒装结构2种路面进行了加速加载试验，通过传感器采集不同轮载位置下的多方向应变响应，对比不同路面结构的力学特征，为荷载作用下不同结构路面病害机理研究提供参考。

1 基于MLS66的加速加载试验

1.1 试验设备

足尺可移动式荷载模拟系统MLS66的外观如图1所示。该设备的核心部分是加载轮与液压系统组成的加载单元，每个加载单元具有独立的液压控制系统。与传统的加载模式不同，MLS66的加载系统由6个加载单元相连形成环状总成，相邻的加载单元之间由链轴连接（如图2所示）。

图1 MLS66移动荷载模拟系统的外观Fig.1 The appearance of the MLS66 system

图2 MLS66加载系统示意图Fig.2 The load system of MLS66 facility

当设备工作时，加载单元沿立面内的轨道环形运动，6组加载轮依次对路面6.6 m长的有效加载段施加荷载，形成单向作用的重复加载模式。

1.2 路面结构

试验段的路面结构一选用我国高速公路中广泛使用的半刚性基层沥青路面典型结构。路面结构二选取倒装路面结构，即在传统半刚性基层上加铺一层级配碎石，以防止面层产生反射裂缝［13］。2种路面结构厚度及各层材料列于表1。试验段的施工满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）要求，土基的回弹模量不低于70 MPa。

表1 2种路面结构Table 1 The material in two pavement structures

1.3 传感器布置和信号处理

为考察不同结构层的动力响应，在面层与半刚性基层底部埋置传感器。面层传感器按照竖直方向、行驶方向（纵向）、路面横向3个方向布置，竖向采用FBG-FRP竖向应变计，水平向采用PP-OFBG应变计。基层传感器沿纵向和横向布置，采用FBGFRP水平应变计。为防止干扰，传感器沿纵向保持一定间距，面层传感器间距为600 mm，基层传感器间距为900 mm。2种路面结构的传感器布置方式如图3所示。为防止碾压过程对传感器的损坏，传感器的埋设过程采用了文献［7］的方法。信号的采集频率设为200 Hz。

1.4 加载参数

为获取多级荷载下不同的动力响应，试验时6个加载单元分别模拟轴载为100、130、150、150、150、150 kN的标准车辆和超载车辆。试验加载速率为6 000次／h，试验温度为环境温度。

图3 2种路面的传感器布置方式Fig.3 The arrangement of strain sensors in two pavements

根据以往研究结果，荷载最不利作用位置通常是轮胎中部和轮隙中点。试验过程中，通过MLS66的横向移动来调整传感器与轮胎的相对位置，形成了双轮轮隙中点沿测点中心线移动（正载），轮胎胎冠中部沿测点中心线移动（偏载）2种加载方式。

2 基于MLS66的动力响应分析

试验期间对2种路面结构累计加载均超过170万标准轴次。在动力响应测试所获取的大量试验数据中，选取累计轴载为10～40万次的应变数据进行了分析。此时路面完成了初期压密，且处于加载前期，无病害产生，适于代表道路结构的正常工作状态。

2.1 半刚性路面结构的动力响应

半刚性路面各层的动力响应数据显示了规律性的周期变化，应变曲线具有稳定的形态。图4为正载和偏载时面层底部的3个方向动力响应。

实测结果显示，在一个周期内，随着6个加载单元的作用，3个方向应变依次出现6次峰值。峰值产生时间的差异源于传感器的相对位置。

竖直方向总呈现压应变，当车轮位于传感器正上方位置时压应变达到峰值。标准轴载时，正载下的压应变为-145.1×10-6，偏载时的压应变为-227.5×10-6，偏载时的应变比正载时增大了56.8%。横向在正载时表现为压应变，峰值为-70.9× 10-6，在偏载时表现为拉应变，峰值为52.6×10-6。实测应变响应说明轮胎与测点的相对位置决定了横向应变的正负。对于纵向，在车轮从靠近到远离的过程中，应变处于压-拉-压的交变状态，当车轮作用在测点正上方时，纵向拉应变达到峰值。在正载和偏载条件下，纵向应变的峰值分别为45.5×10-6和12.9×10-6，纵向应变最大值出现在正载时。上述动力响应规律与以往文献中的动力响应规律一致。

面层的动力响应体现了材料的黏弹性特征。轮胎在一个周期内先逐渐靠近，后远离，对于测点处路面材料形成了先加载后卸载的过程，加、卸载过程中3个方向应变曲线形状均不对称，纵向应变的第2个负向峰值总是小于第1个负向峰值，横向与竖向应变在加载时的应变曲线卸率大于卸载时。曲线特征显示出材料变形延迟回复的特点，反映出路面材料的黏弹性性质。

开裂和车辙是由往复荷载引发的常见病害。对比横纵方向拉应变的变化幅度，正载最大拉应变为纵向，标准轴载下应变周期变化的幅度为76.5× 10-6，偏载最大拉应变为横向，其应变幅为62.4× 10-6，但纵向包含负值，横向应变平均值大于纵向。由于应变幅与应变平均值的极值出现在不同方向，无法判断路面裂纹将在哪一方向先形成。偏载时竖向压应变明显大于正载时，结合AASHTO2002车辙模型可判断，面层中轮下位置的车辙将比轮隙中心严重。

图4 正载及偏载作用下半刚性结构面层底部的3个方向应变Fig.4 Three-direction strains at the bottom of surface course of semi-rigid structure under central and eccentric loading

正载和偏载时半刚性基层底部的动力响应如图5所示。基层响应也显示了规律的周期变化。

半刚性基层的曲线形状与面层不同。半刚性基层不存在粘弹性，加、卸载过程应变曲线对称。由于半刚性基层厚度大，曲线中应变响应区域更宽。从应变数值上看，正载时横、纵向应变幅值分别为169.1×10-6和124.8×10-6，偏载时横、纵向应变的最大值分别为141.1×10-6和81.5×10-6。由于两轮作用区域的叠加效应，正载时的应变大于偏载时。

相同荷载作用下半刚性基层底部的弯拉应变大于面层。与面层的动力响应一样，应变在纵向显示了拉压交替的特征，正载和偏载时最大拉应变都出现纵向，因此半刚性基层的疲劳开裂将表现为横向裂纹。裂纹首先在基层底部出现，如向上扩展，将引起反射裂缝。

图5 正载及偏载作用下半刚性基层底部的横纵向应变Fig.5 Transversal and longitudinal strains at the bottom of base course of semi-rigid structure under central and eccentric loading

2.2 倒装结构的动力响应

倒装结构中面层厚度较小，过渡层模量小于面层，半刚性结构中面层与基层的模量较为接近，这导致倒装结构中的力学响应与半刚性结构有显著的差别。倒装结构正、偏载时面层底部的3个方向动力响应如图6所示。

倒装结构内的3个方向应变的曲线特征与半刚性结构相似。在正载和偏载时纵向均表现拉应变，偏载条件下的拉应变更大。标准轴载下的最大拉应变出现在面层底部的纵向，为543.9×10-6，如倒装结构路面出现疲劳开裂，面层底部横向裂缝将首先形成。

对比2种结构的面层动力响应，倒装结构在正载和偏载条件下的横纵向应变均大于半刚性基层。倒装结构中级配碎石层的模量低，这种联接层使面层处于柔性支撑条件下。相同荷载作用下面层底部产生的弯拉应变大于半刚性基层。因此，这种倒装结构虽然能解决反射裂纹问题，但由于弯拉应变大，易于产生疲劳破坏。本试验中累计荷载作用达170万次时，倒装结构路面出现了以轮下横向短裂缝为主的开裂现象，而半刚性路面结构继续加载至220万次时仍未发生破坏，这也证明了与半刚性路面相比倒装结构对荷载作用更加敏感。倒装结构适用于交通量较低的情况，在设计中为避免疲劳开裂，需要特别注意累计当量荷载作用次数。

图6 正载及偏载作用下倒装结构面层底部的3向应变Fig.6 Three-direction strains at the bottom of surface course of inverted structure under central and eccentric loading

半刚性基层正载作用下的应变响应如图7所示。与半刚性基层相比，倒装结构内半刚性基层底部的弯拉应力显著降低。经过面层、联接层和基层的荷载分散和传递，正载和偏载2种加载位置对半刚性基层底部应变的影响小，偏载作用下的应变响应与正载时相似。

表2比较了加速加载试验期间，2种较高环境温度下倒装结构对不同等级荷载的面层动力响应。随着环境温度的增加，同一传感器的应变幅值显著增大，显示了路面材料的温度敏感性。

图7 正载作用下倒装结构基层底部的横纵向应变Fig.7 Transversal and longitudinal strains at the bottom of base course of inverted structure under central loading

表2 2种环境温度下不同荷载水平下的动力响应Table 2 The dynamic response under various load levels at two environmental temperatures

路面结构内应变与轴载之间不呈线性变化关系。当荷载作用相对增加30%与50%时，33℃下压应变比100 kN荷载作用下的压应变分别增大了12.7%与15.5%，拉应变分别增大了7.1%与8.3%。37℃下的情况与之类似，压应变分别增大了10.3%与13.6%，拉应变分别增大了7.4%与8.6%。超载条件下轴载相对于标准轴载的增量远超过应变响应的增量。

根据实测，100 kN轴载下轮胎接地面积为51 876 mm2，将对路面产生0.96 MPa的压应力。130 kN和150 kN轴载下轮胎接地面积分别为62 854 mm2和72 893 mm2，对路面产生的接地压力均为1.03 MPa，比标准轴载时的平均压强增大了7.3%，实测应变的变化与接地压力的变化更为接近。

随着荷载增大，轮胎接地面积随之增加，从而减小了超载条件下的接地压力。传感器所测的是面层局部应变，与轴载相比，轮胎-路面的接触应力对应变的影响更加直接。实测应变表明，如不考虑轮胎接地面积的变化，采用标准轴载下的动力响应估算两种超载条件下的响应时，估算结果将比实际应变偏大。因此，在考虑超载车辆对路面结构的影响时，计算指标选用接地压力更合适。

3 结论

1）根据半刚性结构和倒装结构实测动力响应，在一个加载周期内，结构面层底部竖直方向总为压应变，偏载时的应变比正载时大。横向在正载时表现为压应变，偏载时表现为拉应变。纵向在车轮从靠近到远离的过程中，应变发生了压-拉-压的交变变化，纵向应变最大值产生于正载时。基于MLS66设备的轮载动力响应符合路面结构动态响应的一般规律。

2）倒装结构在正载和偏载条件下的横、纵向应变均大于半刚性结构。倒装结构在正载和偏载条件下，纵向应变幅值最大，如路面发生开裂，裂缝将以横向裂纹的形式出现。倒装结构虽然能解决反射裂纹问题，但易于发生疲劳破坏。加速加载试验累计荷载作用达170万次时，倒装结构出现了横向短裂缝，开裂现象与实测应变响应特征一致。

3）不同轴载下实测应变峰值的比较显示，应变响应与轴载不呈线性关系，采用轴载估算应变时会出现误差。在考虑超载车辆对路面结构的作用时，应考虑轮胎接地面积，选用接地压力作为计算指标更合适。

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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.网络出版时间：2014-05-14 15：48：19.

国家自然科学基金资助项目（50578031）；国家自然科学青年基金资助项目（51208080）.

陈静云（1956-），女，教授，博士生导师；刘佳音（1982-），女，博士研究生.

刘佳音，E-mail：liujy＠dlut.edu.cn.