混合式基层沥青路面动态响应测试结果特征分析

曹明明， 黄晚清， 吴志勇， 游 宏

(四川省交通勘察设计研究院有限公司， 四川 成都 610041)

0 引 言

目前，沥青路面动态荷载响应分析的常用方法主要有现场加载测试法、理论分析法和数值模拟法.由于理论分析法和数值模拟法常含一个或多个假设条件，限制了其与实际情况的相符性[1-2].为准确探究沥青路面的动态响应特性，在实际路面工程响应测试中，现场加载测试法的应用与研究愈来愈多[3-7].但在以上的应用与研究中均未具体探讨沥青路面结构动态响应力学基本特征，且以柔性基层沥青路面或半刚性基层沥青路面为主，而对混合式基层沥青路面现场动态响应特性研究相对较少.在混合式基层沥青路面中，复合式基层由半刚性层与级配碎石过渡层共同组成，设置于沥青层与水泥稳定碎石层层间，结构特性更为复杂.

目前，关于混合式基层沥青路面结构动态响应研究主要以分析沥青层层底水平向应变响应为主[8]，对竖向力学指标(如级配碎石过渡层)动态响应特征的研究较为鲜见.同时，沥青路面结构的动态响应特征受制于轮胎接地胎压、结构层材料特征、路面结构特征、车辆轴重和行驶速度、温度等因素，其动态响应时程曲线仍存在较多共同特征，可基本映射出荷载和外界环境作用于不同路面结构体系下的路面响应特性，对揭示路面材料特性和结构力学行为特征具有重要参考价值.鉴于此，本研究基于对沥青路面现场响应测试系统进行设计的基础上，分析了动态响应测试数据的有效性，并探讨了沥青路面结构动态响应时程曲线的力学基本特性.

1 测试方案及数据处理

1.1 试验段测试方案布设

1.1.1 试验公路段概况.

在作为试验对象的遂广高速公路K98+000～K98+650(施工桩号)路段内铺设了混合式基层沥青路面试验段，沥青路面结构组成为15 cm级配碎石垫层+28 cm水泥稳定碎石底基层+28 cm水泥稳定碎石基层+12 cm级配碎石过渡层+8 cm SBS改性沥青AC-20C下面层+6 cm SBS改性沥青AC-20C中面层+4 cm沥青玛蹄脂碎石SMA-13上面层.

1.1.2 传感器布设.

试验中，在混合式基层沥青路面结构内布设了竖向传感器(垂直大变形应变计和土压力计)、水平向传感器(横向和纵向沥青应变计)和温度传感器等，具体如图1所示.其中，2支动土压力计布置于土基顶部，4支布置于过渡层底部；设置于级配碎石过渡层内的垂直大变形应变计共3支；布设于沥青层层底的沥青应变计采用3×4矩阵，共12支.

图1传感器布设示意图(单位：cm)

1.1.3 动态荷载.

试验中，动态响应加载车辆采用双后轴和单后轴两种货车.在混合式基层沥青路面动态响应力学基本特征分析现场试验测试时，单后轴货车前轴轴重采用3.46 t，后轴轴重采用9.66 t，双后轴货车前轴轴重采用7.40 t，后轴轴重采用22.60 t；最大行车速度采用40 km/h.现场加载测试选于初夏时节(2016年5月份)，沥青层等效温度约为46 ℃，采样频率为1 kHz.

1.2 数据信号处理

为便于分析，以同一传感器所测几组试验结果中最大应变或应变幅值为实际采用值近似分析沥青路面动态响应特征.双后轴货车荷载作用下，沥青层层底动态响应典型曲线如图2所示.

图2沥青层层底纵向应变响应

由图2可知，行车荷载作用于沥青水平传感器前，沥青层层底呈压应变(图2中1点、4点和6点)，即车辆荷载到达传感器前，荷载对沥青层层底产生推移和压缩作用，此时荷载引起的路面应变变化幅值为初始应变与波谷应变之差.当荷载正好作用于沥青水平传感器上时，沥青面层层底的纵向应变呈现波峰(图2中2点、5点和7点)，此时荷载引起的路面应变变化幅值为波谷与波峰间的应变差值，其中沥青层层底应变幅值(前轴、双后轴引起的应变变化值)为图2中1点与2点、4点与5点、6点与7点间的应变差值.同沥青混合料经典力学理论所释结果一致，车辆荷载离开测试区域后，荷载作用下沥青混凝土产生的应变并不能完全恢复至测试前的状态，即存在残余应变(图2中9点与0点处应变比较所得)，这主要在于沥青混合料是一种黏弹性材料，受温度特性影响较大.

路基顶面竖向压应力在双后轴荷载作用下动态响应的时间特征曲线如图3，路基顶面竖向压应力在荷载正好作用于土压力计上时呈现峰值(图3中1点、3点和5点)，此时初始压应力(图3中0点)与波峰间的压应力差值作为路基顶面竖向压应力测值；同时，当车辆驶离土压力计后，土压力计测值迅速恢复至初始状况，无明显残余竖向压应力(比较图3中6点与0点处竖向压应力所得)，即在计算路基顶面竖向压应力时，路基等结构层作为弹性体处理，计算精度完全满足工程要求.

图3 路基土顶面竖向压应力响应

1.3 动态检测数据的有效性评价

路面动态响应的现场测试是一个复杂的系统工程，传感器的选用、传感器的埋设、沥青路面的铺筑以及行车荷载加载测试等全过程均需慎之又慎，任何一个环节的失误均可导致实测数据失真.其中，传感器的选用和标定、埋设时的精确定位等属于可控因素，但行车荷载加载过程存在众多的不可控因素，如材料或厚度的变异性、路面平整度、轴重、行车位置、行车速度和环境温湿度突变等[9].由于车辆行驶过程中车轮位置偏移、车辆摆动、传感器埋设位置误差、视觉偏差等均可能造成行车荷载无法正好作用于传感器之上[10]，使得动态响应测值与真实值存在一定偏差，导致平行试验间存在较大的变异性.为考察车轮行驶位置对路面应力应变测值的影响程度，本研究采用单后轴货车在混合式基层沥青路面下面层顶面动态加载，后轴轴重约为6 t，行驶速度采用30～35 km/h，所测试11组平行试验测值如表1所示.

表1 动态检测数据的变异性分析

由表1可得，沥青层层底应变幅值、过渡层底面和路基顶面竖向压应力峰值、过渡层竖向位移峰值等指标测值的变异系数均小于20%，可认为动态响应测试过程均处于正常可控范围内，试验所采集数据具有可靠性，能满足动态响应特征分析之用[10].同时，在众多测试指标中，变异性最大的为沥青层层底横向应变，其值接近20%，且其测值受荷载作用位置的影响较大，呈压应变或拉应变甚至拉压应变交替变化等完全不同状态.

2 结构动态响应力学基本特征分析

2.1 沥青层层底水平应变动态响应基本特征

一般而言，沥青层层底裂缝的产生受制于其层底的横向应变，而裂缝的延伸受制于其层底的纵向应变.因此，全面分析沥青层层底应变变化在荷载作用下的时程曲线特征，有助于准确揭示荷载作用下沥青层的疲劳特性.在本试验中，单后轴货车后轴轴重为9.66 t，双后轴货车后轴轴重为22.60 t，采用20 km/h的行车速度，所测试混合式基层沥青路面沥青层层底水平应变(纵向应变和横向应变)典型时程曲线如图4所示.

图4 沥青层层底应变时程曲线

测试试验结果表明：

1)现场加载试验测试过程中，车辆行驶位置相对于传感器位置的不确定性，导致传感器测值存在较大的变异性.从力学角度分析，荷载未完全作用在传感器正上方时，沥青层层底水平应变计检测的数据均不是主应力方向的应变.因此，应变计测值多表征的为车辆荷载作用下，应变计测试点对沿测试方向(纵或横向)的多个荷载分量的响应叠加，在双后轴货车作用下该特征尤为明显.鉴于整个加载过程中应变响应特征的复杂性，精确量化整个响应过程是无法实现的，现场测值的量化应以应变峰值的分析为主，以定性分析为主探讨应变响应的全过程.

2)荷载行驶过程中，沥青混合料层层底纵向应变呈现了压—拉—压的转换过程，这种拉压应变交替变化更易导致沥青层产生疲劳破坏.车辆驶离时(如图4(a)中B点)的压应变峰值小于抵达前(如图4(a)中A点)测值，这源于沥青混合料的阻尼特性和黏滞特性，以及加载前后应变计的初始状态存在差异.同时，由于单后轴和双后轴货车荷载分配的不同，两种加载模式诱因的纵向应变变化幅值没有明显差异，且加载过程中测试的拉应变峰值和压应变峰值在数量级上基本一致.

3)荷载离开应变计正上方时，沥青混合料层层底纵向应变呈迅速减小趋势，但最终并未完全恢复至初始状态，即在短暂荷载作用下的沥青混合料层层底纵向应变特征可折射出沥青混合料固有的黏滞特性，且整个加载过程中，沥青混合料层层底纵向应变时程曲线呈现出明显不对称性，双后轴货车加载时尤为明显.但双后轴货车作用下纵、横向应变时程变化曲线特性存在明显差异(见图4)，即双后轴各自的沥青层层底纵向应变特征基本一致，但第二个后轴较第一个后轴作用下的沥青层层底横向应变增加约30%(图4(d)).现场测试结果印证了文献[11]结论，即荷载沿行车方向的作用位置对纵向应变幅值大小的影响较大，对其时程曲线形状的影响较小.

4)车辆加载试验测试的沥青层层底横向压应变峰值小于拉应变峰值，且前轴的应变幅值峰值是后轴的20%～70%.由于沥青层层底纵向应变和横向应变计布置方向的差异，导致两者在同一荷载同一速度下接收信号的持续时间存在差异，可认为，纵向应变计为一定时段内的“持续"加载(加载时长=传感器长度/行车速度)，而横向应变计为瞬间加载，这一结论有益于更合理地分析路面动载响应的数值计算结果.

5)混合式基层沥青路面中，相对于水泥稳定碎石基层，散体材料构成的级配碎石过渡层，在行车荷载作用下更易产生竖向变形.同时，沥青面层的黏滞特性使车辆驶离时间与应变恢复时间存在一定时间差，导致前后轴加载的应变在后轴测值上存在一定的叠加，其前轴应变对后轴应变的叠加效应受行车速度的影响较大，行车速度对应变测值影响显著.

2.2 结构层竖向应力或应变动态响应基本特征

车辆荷载作用下，路表的竖向变形由路基、垫层、过渡层和沥青面层等层位的竖向变形构成，其中，路面车辙由其中在车辆荷载驶离后不能完全恢复的部分构造，即，半刚性沥青路面车辙主要由沥青面层竖向变形提供，混合式基层沥青路面车辙主要由沥青面层和级配碎石过渡层竖向变形贡献，后者的级配碎石过渡层易产生竖向变形，其为竖向动力响应特性分析的着眼点.现场加载测试试验中，行车速度采用20 km/h(或40 km/h)，单后轴货车和双后轴货车后轴轴重分别为9.66 t和22.60 t，结构层竖向应力或应变动态响应基本特征曲线如图5所示.

图5 竖向力学指标动态时程曲线

测试试验结果表明：

1)在车辆荷载作用下，不同结构层内竖向动态响应时程曲线存在明显差异.受测试层位影响，同属散粒体材料的过渡层级配碎石与路基土存在明显的动态响应时程曲线线形差异，这主要是因为层位较高的级配碎石层受竖向荷载作用远大于处于刚度较大的水泥稳定碎石层之下的路基土，导致过渡层级配碎石与路基土竖向压应力在应力峰值和动态响应时程曲线线形上均存在显著差异.对比图5(a)、(b)中双联轴作用下的竖向压应力时程曲线发现，两后轴作用下的土压力峰值在过渡层和路基土中均清晰可见，土压力计基本上记录不到残余应力，但路基顶面土压力的波峰与波谷差值远小于过渡层内，即两后轴作用下的土压力波在路基土中出现明显叠加，据此可推测(图5(a)可证实)，高速荷载作用下，两者的叠加效应将更为明显.

2)随着路面深度增加，荷载的扩散范围随之增加[12]，压应力脉冲宽度在路基顶面宽于级配碎石过渡层底面，由图5可计算出，路基顶面在单后轴货车作用下产生的压应力脉冲宽度分别为0.5 s(前轴)和0.8 s(后轴)，过渡层底面前、后轴均为0.2 s.由图5还可得出，散粒体材料的级配碎石和土基均具有非线性特性，且其受荷载作用次数和作用时长的影响较大，难以通过土压力计测值准确量化其非线性特性对动态响应的影响.同时，货车轴间竖向应变的干涉叠加效应受土压力计下卧层的不可恢复变形及延滞恢复变形特性的影响显著，尤其是双联轴间，即在交通频繁和车辆轴重较大的路段或车辆间距较小时，其叠加效应将更为显著.

3 结 论

由于沥青材料的黏弹性特征，当荷载驶离后，沥青层层底纵向或横向应变存在明显残余应变，且加卸载过程，应变时程曲线表现出明显的不对称性，但车辆驶离后，路基顶面竖向压应力并未检测到残余竖向压应力，路面结构计算中将路基简化为弹性体，满足计算精度要求.同时，通过系统采集数据的有效性分析可得，沥青层层底横向应变对荷载作用位置最为敏感.

本研究表明：混合式基层沥青路面秉承了传统柔性路面的结构基本特性，沥青路面对行车荷载作用的响应随路面结构层位不同而变化；沥青层层底纵向应变经历了压—拉—压3个阶段变化过程， 且压、拉时的应变峰值属同一数量级；而在相同检测时段内，沥青层层底横向应变仅经历了由压至拉两个阶段，且压应变峰值显著小于拉应变峰值， 尤其是双联轴荷载作用下，横向拉、压应变在量值上的差异更为明显；在级配碎石过渡层， 受下层水泥稳定碎石基层的影响，竖向压应力保持了较高的水平，且多轴车辆(特别是低速行驶车辆)作用应力、应变响应的叠加效应较弱；路基经水泥稳定碎石基层的荷载扩散，其竖向动载响应在量值上大幅度减小，但对于高速行驶状态下的双联轴车辆的应力波的干涉叠加效应，将得以明显增强，从而影响现场试验检测数据.