CCP加鋪瀝青路面的力學性能監測研究

呂惠卿，張湘偉，尹應梅，陳文滔

(1.廣東工業大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州，510006；2.廣東工業大學 機電學院，廣東 廣州，510006)

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CCP加鋪瀝青路面的力學性能監測研究

呂惠卿1，張湘偉2，尹應梅1，陳文滔1

(1.廣東工業大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州，510006；2.廣東工業大學 機電學院，廣東 廣州，510006)

為獲取破損水泥混凝土路面(CCP)加鋪半剛性基層瀝青面層結構內部的工作信息，在試驗路段施工過程中埋設傳感器，監測溫度、濕度和荷載多物理場作用下路面半剛性基層內應變及溫度變化規律，得出了施工完畢運營初期和運營期間半剛性基層頂部和底部的應變變化情況。監測結果顯示：基層的力學響應受舊水泥混凝土路面的影響較大，控制破損水泥混凝土路面加鋪半剛性基層瀝青面層反射裂縫的關鍵是保持舊水泥路面的穩定及半剛性基層的整體穩定性。

道路工程；力學性能；應變監測；加鋪瀝青路面

破損水泥混凝土路面加鋪半剛性基層瀝青面層涉及到不同類型的材料，瀝青材料本身具有復雜本構關系[1]，舊混凝土板有接裂縫，道路本身的不平整度，層間接觸情況等復雜性[2]，使得影響結構耦合行為的因素更復雜[3]，該結構的早期破損已引起學者們普遍關注[4]。為獲取路面結構內部的工作信息，在野外環境下監測多物理場作用下各結構層內溫度場及應變變化規律,可以為路面結構破壞多場耦合動力學模型建立和本構模型參數的反演提供理論依據和參數依據[5-6]。S.M.Kim，等[7]將振弦式應變計(VWSG)和溫度傳感器埋入路面結構內,研究了水泥混凝土路面加鋪水泥混凝土路面受氣候荷載作用時各結構層的變形。Zhou Zhi，等[8]和董澤蛟，等[9]利用光纖光柵傳感監測研究了高速公路各結構層的三維應變。

筆者基于振弦式傳感器和半導體類電壓型溫度傳感器組成監測系統[10]研究了路面結構在行車荷載、溫度及濕度多物理場的作用下，半剛性基層的力學響應變化規律，并分析水泥路面加鋪瀝青路面結構破壞的關鍵技術參數的情況。

1 試驗路工程背景

試驗路段位于G321線廣東高要小湘與德慶之間，采用二級公路技術標準, 設計速度為60 km/h。根據現有路況情況，在對舊水泥混凝土路面進行處治后，采用瀝青混凝土面層進行加鋪處理，以恢復路面的表面性能，改善路面的行駛質量。路面橫斷面結構如圖1。

2 監測手段

在施工過程中埋設振弦式傳感器和溫度傳感器監測半剛性基層的材料特征和力學響應的變化過程。傳感器的布置情況如圖2。在水泥混凝土路面頂面(即鋪基層之前)預埋應變計，并且在新加鋪水泥穩定碎石基層上面(即鋪面層之前)預埋應變計。

圖2 傳感器的布置情況Fig.2 Sensors embedded in the pavement

為避免攤鋪機在施工過程中對傳感器的碾壓及移位，采取了相應的保護措施。首先對應變傳感器做了耐壓保護，在薄弱部位通過鋼管保護。為了避免傳感器在施工過程中移位，舊水泥路面頂面的傳感器通過支座固定在路面結構中，基層頂面傳感器的定位依靠定位槽實現〔基層施工中放置預制塊預留埋置傳感器的空間，見圖2(b)〕。同時傳感器在橫斷面埋設位置避免攤鋪機履帶的碾壓，以此來保護傳感器。

3 路面結構應變場和溫度場監測

野外環境下，溫度、濕度(雨水)及行車載荷多物理場的作用，引起路面結構材料的彈性模量等物理屬性、材料的本構關系及層間接觸狀態發生變化，路面結構的時變性對路面結構的力學響應及使用性能有很大的影響。利用有限元分析軟件進行力學分析時，力學分析模型很難建立準確，或者造成數值計算上的困難。路面結構組成不同，對不同層次材料的要求也是不同的。根據不同層次的受力狀況，設計出符合路面結構要求的材料，真正將材料組成設計與路面結構設計結合起來，對于減少白加黑路面的早期損壞，改善其使用性能并延長使用壽命具有重要的理論意義和重大的實用價值。

3.1 開放交通后第1周的監測結果

在路面施工結束后，開放交通的第1周內每天對路面結構進行連續測量。測量方法為分別采取對路面兩個預埋應變計的點進行檢測，其中每個點包括基層底部和基層頂部的縱向及橫向的應變測量數據，統計數據見表1。測點1的樁號為廣州往德慶方向的右幅K132+611，路面結構形式如表1。

表1 試驗路的結構

試驗路段溫度場和應變場監測結果見表2、圖3及圖4。

表2 試驗路段溫度場和應變場監測結果

由表2可以看出，該類型路面結構17:00左右瀝青路面頂面的溫度高于氣溫，水泥穩定基層頂部的溫度高于瀝青面層，10-26 T 18:35，AC面層的最高溫差為2.9 ℃，溫度梯度為29 ℃/m；水泥穩定基層頂面的溫度高于舊水泥路面頂面，溫度梯度最大值出現在10-27 T 15:20，為5.1 ℃,溫度梯度為26 ℃/m。由于舊PCC板、水泥穩定碎石基層、AC面層的熱膨脹系數、熱傳導率和熱輻射能力不同，層間的接觸條件，以及舊路破碎穩固的處置方式，路面結構是一個靜不定的不連續結構，其應變場比較復雜。由表2可以看出，下午時分，水泥穩定碎石基層頂面的溫度高于路面溫度高于AC面層，舊PCC板頂面的溫度低于水泥穩定碎石基層頂面的溫度。

圖3 基層底面應變Fig.3 Strain at the bottom of the base

圖4 基層頂面應變Fig.4 Strain at the top of the base

由圖3可以看出，溫度升高，基層底部縱向受拉，溫度每上升1 ℃，縱向拉應變為5.6 με；但是隨著溫度升高，基層底部橫向收縮，溫度每上升1 ℃，橫向壓應變為8 με。

由圖4可以看出，溫度升高，基層頂部縱向受拉，溫度每上升1 ℃，縱向拉應變為3.7 με；但是隨著溫度升高，基層頂部橫向也受拉，溫度每上升1 ℃，橫向壓應變為3.4 με。

3.2 運營期間不同月份的的監測結果

利用全自動網絡數據采集系統監測路面結構運營期間應變狀況。它由傳感器、GSM無線遠程搖控開關、數據采集模塊、數據接收模塊、計算機和數據管理軟件組成，如圖5。GSM無線遠程搖控開關可持續、穩定24 h不間斷長年可靠地運行，用手機撥打一個電話號碼或發一條短信即可以控制測量地放置的數據采集模塊(MCU)主站的通電和斷電。運營期間數據采樣頻率為5 Hz，為間斷采樣測試。

圖5 全自動監試系統的組成Fig.5 Automatic monitoring system

3.2.1 基層頂部縱向應變監測結果

圖6是基層頂部縱向應變長期監測的結果。由圖6可以看出：隨著季節變化，從2011-09-18—2011-12-19氣溫及路面溫度總體下降，面層底部由于溫度引起收縮應變；從2012-01-07—2012-04-20面層由于溫度引起拉應變。從2011-09-18—2011-10-07，溫度引起的面層底部應變變化為25 με，從2011-10-07—2011-12-26總體受壓，應變變化為80 με。從2011-12-26—2012-04-30因氣溫升高，由氣溫引起的拉應變大約為65 με。同時由2012-02-26和2012-04-17的監測結果可以看出，17：00左右面層底部的溫度最高，縱向拉應變較大；10：00—11：00基層頂部的溫度較17：00低，17：00拉應變增加到最大。從2012-03-11—2012-04-30拉應變增加20 με左右。在應變采集數據位5 Hz時，可以采集到瞬時行車荷載引起面層底部縱拉應變的情況，在隨機行車荷載作用下，由于荷載位置不同，基層頂部可能受壓，也可能受拉，應變變化大約為-20～ 40 με。

圖6 基層頂部縱向應變Fig.6 Longitudinal strain at the top of the base

3.2.2 基層頂部橫向應變監測結果

圖7是基層頂部橫向應變長期監測的結果。由圖7可知：隨著季節變化，從2011-09-18—2011-12-19氣溫及路面溫度總體下降，基層頂部由于溫度引起收縮應變；從2011-12—2012-04基層由于溫度引起拉應變。從2011-09—2011-11，溫度引起的基層頂部橫向應變變化為40 με；從2011-11—2011-12總體受壓，變化5～10 με。從2011-12—2012-02氣溫升高，由氣溫引起的拉應變大約為25 με。同時由2012-02-26的監測結果可以看出，17：00左右基層頂部的溫度最高，拉應變較大；10:00—11:00基層頂部的溫度較17:00低，17:00拉應變增加到最大。從2012-03—2012-04拉應變增加約20 με。在應變采集數據為5 Hz時，可以采集到瞬時行車荷載引起基層頂部橫向拉應變的情況，在隨機行車荷載作用，基層頂部可能受壓，也可能受拉，應變變化大約為-20～ 40 με。

圖7 基層頂部橫向應變Fig.7 Transverse strain at the top of the base

3.2.3 基層底部縱向應變監測結果

圖8是水泥穩定碎石基層底部縱向應變長期監測的結果。由圖8可知：從2011-09-18—2011-12-26基層底部縱向應變變化260 με，從2011-12-26—2012-02-26日基層底部變化110 με，從2012-02-26日—2012-03-11變化140 με，監測期間水泥穩定碎石基層的最大縱向應變為260 με。由于舊水泥路面采用沖擊破碎穩固的方式，運營期間在高溫多雨重載的影響下，接裂縫及層間接觸狀態的發生變化,使得水泥穩定碎石基層底部的應變在運營期間變化較大。同時在應變數據采集頻率為5 Hz時，采集到瞬時行車荷載引起基層底部縱向應變的情況，在隨機行車荷載作用，基層底部可能受壓，也可能受拉，應變變化大約為-30～30 με。

圖8 基層底部縱應變Fig.8 Longitudinal strain at the bottom of the base

3.2.4 基層底部橫向應變監測結果

圖9是水泥穩定碎石基層層底部橫向應變長期監測結果。由圖9可以看出，從2011-09-18—2011-12-26基層底部應變變化130 με，從2011-12-26—2012-02-26基層底部變化40 με，從2012-02-26—2012-03-11變化55 με，監測期間水泥穩定碎石基層的最大縱向應變為130 με。在隨機行車荷載作用，基層底部可能受壓，也可能受拉，橫向應變采集的幾率較縱向大，應變變化大約為-15～25 με。

圖9 基層底部橫向應變Fig.9 Transverse strain at the bottom of the base

4 結 論

通過對G321破損水泥混凝土加鋪水泥穩定碎石基層瀝青面層試驗路段的監測得出以下結論：

1)加鋪路面結構在運營初期，水泥穩定碎石基層頂部和底部的溫度應變變化表現出良好的線性規律。溫度升高，水泥穩定碎石基層頂部的縱向受瀝青面層的影響較大，溫度每升高1 ℃，縱向拉應變為3.7 με，橫向拉應變為3.4 με。基層底部的縱向拉應變為5.8 με，橫向為-8 με。由于舊水泥路面采用沖擊破碎穩固的方式，基層底部的溫度應變關系受舊路面板的影響較大。

2)路面結構在溫度、濕度(雨水)及行車載荷多物理場的作用后，基層頂部與底部表現出不同的力學響應特性。溫度降低，基層頂部縱向應變和橫向應變減少，溫度升高，縱向和橫向應變增加，在監測期間最大應變約為65 με。行車荷載引起的縱向應變約為-20～40 με，橫向應變約為-20 ～40 με。由于舊水泥路面采用沖擊破碎穩固的方式，運營期間在高溫多雨重載的影響下，接裂縫及層間接觸狀態的發生變化，使得水泥穩定碎石基層底部的應變在運營期間變化較大，監測期間水泥穩定碎石基層的最大縱向應變約為260 με，最大縱向應變約為130 με。荷載引起的縱向應變約為-30～ 30 με，橫向應變變化約為-15～ 25 με。由此可知，控制破損水泥混凝土路面加鋪半剛性基層瀝青面層反射裂縫的關鍵是保持舊水泥路面的穩定及半剛性基層的整體穩定性。

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Mechanical Property Monitoring on Asphalt Pavement Overlaying on CCP

Lv Huiqing1, Zhang Xiangwei2, Yin Yingmei1, Chen Wentao1

(1. Faculty of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, Guangdong, China; 2. Faculty of Electro-mechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, Guangdong, China)

In order to obtain the inner work information of semi-rigid base asphalt pavement overlaying on the damaged cement concrete pavement(CCP), the sensors were embedded in the test road during construction. And the strain and temprature vabiration of semi-rigid base under multiphysics, such as temperature, fluid and vehicle loads were monitored. The vibration of semi-rigid base at the beginning of and during the operation after completation were obtained. Based on the inspection results，it is known that the damaged cement concrete pavement has a very large influence on the mechanical response of base. Furthmore, keeping the stability old CCP and the integration of semi-rigid base is the key to control the reflective crack of semi-rigid base asphalt pavement on the damaged cement concrete pavement.

road engineering; mechanical property; strain monitoriration; asphalt pavement overlaying

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.09

2013-08-14；

2014-03-07

廣東省自然科學基金項目(S2013040016232)；廣東省交通運輸廳科技項目(2011-02-007)；廣東工業大學創新創業訓練計劃項目(xj201211845050)

呂惠卿(1976—)，女，河北保定人，講師，博士，主要從道路工程方面的研究。E-mail：lhuiqing@163.com。

U416.2

A

1674-0696(2015)02-039-06