胎壓對半剛性瀝青路面實測動應變的影響

肖 川,邱延峻

(1.四川建筑職業技術學院交通與市政工程系,四川德陽 618000; 2.西南交通大學道路工程四川省重點實驗室,四川成都 610031)

胎壓對半剛性瀝青路面實測動應變的影響

肖 川1,2,邱延峻2

(1.四川建筑職業技術學院交通與市政工程系,四川德陽 618000; 2.西南交通大學道路工程四川省重點實驗室,四川成都 610031)

依托現場試驗路開展車輛加載試驗,通過預先埋設面層底部應變傳感器,研究在不同胎壓的工況下半剛性基層瀝青路面的實測動態應變響應規律.研究結果表明:當軸重一定時,車輪胎壓增加,胎面接地面積減小,靜載模式下的平均接地應力增大;當車輛超載運行時,車胎超壓所產生的應變響應明顯大于常壓工況;在車輪動態荷載作用下,超壓胎壓對面層底部應變的影響作用明顯大于靜態荷載.

道路工程;半剛性瀝青路面;動態應變;胎壓

0 引 言

在公路建設迅猛發展的過程中,高速瀝青路面實際使用壽命不足、早期病害嚴重成為亟待解決的問題.其中,車輛超載嚴重是導致這些問題出現的關鍵因素之一[1].傳統意義的車輛超載主要是指車輛的軸重高于額定荷載要求[2-5],而胡小弟等[6]通過研究提出,車輛的超載不應僅僅局限于載荷超額,還應考慮車輪的胎壓是否超限.據調查,中國大量載重貨車均在大于額定胎壓(0.7 MPa)的工況下行駛,其中有高達49%的貨車胎壓超過1.1 MPa[7].胎壓對于路面力學響應的影響,引起了更為廣泛的關注:文獻[8]基于實測輪胎接地壓力分布,進行了不同胎壓條件下瀝青路面結構層內的力學響應分析;文獻[9]、[10]利用車輛動力學模型,研究了胎壓對車輛動荷載及路面動力響應的影響.但以上研究的結論主要通過理論方法獲得,其過程存在較多不確定性因素.文獻[11]通過試驗研究,確定了輪胎接地壓力與荷載、胎壓之間的關系,但并未對路面的實際動力響應展開研究.

鑒于此,本文選取半剛性基層瀝青路面作為研究對象,以實體工程為依托,開展不同胎壓工況下的車輛加載試驗,研究胎壓變化對于面層底部動態應變響應的影響,以期為更加全面地闡明瀝青路面早期病害機理提供參考.

1 現場測試方案

1．1 試驗路概況

試驗路位于四川省成德南(成都－德陽－南部)高速公路K170＋018～K170＋318段,雙向四車道,路基寬度為24.5 m,總長度為300 m,采用半剛性基層,路面結構及材料自上而下為:上面層4 cm (SMA-13)、中面層6 cm(AC-20)、下面層8 cm(AC-25)、基層25 cm(水泥穩定碎石)、底基層25 cm(水泥穩定碎石)、土基.為避免構造物的干擾及回填土基差異的影響,保證測試斷面具有代表性,現場測試斷面設置于土基連續填筑路段.

1．2 應變傳感器類型及布設

傳感器性能的優劣對于能否準確獲取路面真實動力響應規律至關重要.根據傳感器的不同工作原理,應用于工程試驗的測試元件分為電阻式、電容式、光纖光柵式、激光式以及振弦式等多種類型[12].本次試驗前綜合考慮測試精度、數據穩定性以及傳感器自身材料與瀝青路面間的協調變形能力,最終決定采用美國AGI(Applied Geomechanics Inc．)公司生產的瀝青應變計(Asphalt Strain Gage,簡稱ASG)開展現場實測.應變傳感器的主要技術參數見表1.

表1 ASG技術參數

ASG傳感器主體由兩端的鋁桿與中心尼龍棒呈“H”形連接,核心測試元件由防水保護膜包裹于尼龍棒中間位置,如圖1(a)所示.傳感器埋設于瀝青面層底部,其平面位置位于車輛主行車道的左側輪跡帶,分別沿車輛行駛方向(縱向)及垂直于行車方向(橫向)布設,以測試行車荷載作用下面層層底的縱向及橫向受力.考慮到實際行車過程中不可避免的行車路線偏差,將傳感器沿行車方向平行布設2排,如圖1(b)所示.

圖1 瀝青應變計尺寸及布設方案

本次現場實測所采用的應變傳感器均由生產廠家AGI公司進行統一標定,并提供詳細的校準報告.在進行瀝青應變儀現場安裝之前,為確保瀝青應變儀的正常運行,進行了包括電阻值及拉、壓應變狀態方面的測試.

(1)電阻值測試.利用數字萬用表測量應變傳感器的電阻參數,檢驗其是否滿足350Ω惠斯通電橋的基本物理性質.

(2)拉、壓應變狀態驗證.將應變傳感器與數據采集系統連接,分別對傳感器施加水平拉伸或壓縮荷載作用,觀察應變響應輸出信號:在拉力作用下輸出信號呈正向波形,在壓力作用下輸出信號呈負向波形,即表明該傳感器具備正常響應;若在受力時無任何信號,或信號與拉、壓荷載作用無法正常匹配,則表明該傳感器不合格.

通過驗證,應用于現場實測試驗的各傳感器工作正常.

1．3 胎壓設置

根據重載貨車的常用車型,本次試驗選取單后軸貨車和雙后軸貨車2類典型大型貨車進行現場加載,具體車型及尺寸如圖2所示.在中國實際交通運輸中,車輛的超載現象十分普遍,在超載狀態下為保持車胎的原有形狀,重型車輛的胎壓通常長期處于大于1.1 MPa的高壓狀態.為了對比分析瀝青路面結構在標準胎壓及超壓胎壓條件下的動態響應,在車輪胎壓為0．7 MPa(常壓)和1．3 MPa(高壓)兩種工況下分別開展現場加載試驗,采集瀝青面層底部的實測動態應變響應數據.

圖2 加載車型

2 現場加載試驗

為確保現場試驗安全進行,提高實測工作效率,在加載試驗開始前首先對測試區域實行半幅道路封閉管制,測試區由加速區、檢測區、緩沖區3段組成,如圖3所示.

圖3 現場交通組織

與軌道荷載不同,在高速公路上,行車荷載每一次的加載位置在輪跡范圍內都會存在偏差.為了盡量減小行車荷載的加載位置偏差對實測結果的影響,本次測試考慮路面使用過程的不利狀態,同一試驗開展3次加載,以其中最大響應量所對應的測試結果(應變響應波形曲線、峰值)來評價路面結構的動力特性.

3 測試結果分析

3．1 車胎接地面積測量結果

為測量車胎的輪壓面積,首先用千斤頂將車輪頂離地面,然后在車輪正下方的平整地面上,自下而上分別鋪1張毫米方格紙和1張新的復寫紙,最后使車輪荷載完整地作用在復寫紙上,在方格紙上得到不同軸載質量及胎壓條件下車輪實際的輪壓面積.不同工況的試驗結果如圖4所示.

由圖4可直觀看出,車輪接地面積隨車輛軸載質量和車輪胎壓的變化而變化.當胎壓不變時,輪胎接地面積隨軸重的增加逐漸增大;在軸重一定時,隨著胎壓的增加,輪胎的自身剛度有所增大,表現為在相同荷載下的有效輪壓面積隨之減小.

圖4 車輪實際接地印痕

圖4 所示車胎輪印呈4條平行帶狀分布,4條帶狀印痕的總面積即為輪胎與路面相互作用的有效接地面積.不同胎壓及軸載條件下的車胎有效面積及平均輪壓應力如表2所示.

表2 車胎有效面積及平均接地壓力

由表2可知以下幾點.

(1)當胎壓保持不變(0.7 MPa)時,隨著單輪軸載質量由2 500 kg增至4 500 kg,車胎的有效輪壓面積增大了36．1%.但就車胎對于路面的平均接地應力而言,當胎壓一定時,隨著車輛荷載的增加,路面在單位接地面積上承受的車胎平均荷載力逐漸增大.同樣以0．7 MPa胎壓為例,單輪軸載質量由2 500 kg增至4 500 kg,平均接地應力增大了32.3%.

(2)軸重一定時,隨著車輪胎壓增加,車胎自身剛度增大,胎面接地面積減小,其平均接地應力增大.當單輪荷載質量為2 500 kg時,胎壓由0.7 MPa提高到1.3 MPa,其胎面有效面積減小了28.7%,平均接地應力增加了40.3%.

3．2 胎壓對動態應變響應的影響

本次試驗結果表明,在相同工況下,面層底縱向應變均大于橫向應變,即瀝青路面在各向彎拉應變響應上呈現差異性,由此推斷瀝青面層容易首先出現由縱向應變引起的橫向疲勞開裂.考慮路面不利受力狀態,本次研究在進行面層底動態應變響應評價分析時,選取縱向最大應變響應量為研究對象.

圖5、6為2種加載車型在不同軸載質量及車速條件下,胎壓對瀝青面層層底動態應變響應影響的實測結果.

圖5 單后軸車型胎壓對面層底動態應變的影響

分析圖5、6后發現以下幾點.

(1)隨著車輛軸重的增加,面層底動態應變響應顯著增大,但隨著行車速度的增加,應變響應逐漸減小.胎壓對于應變響應的影響與軸載水平有關:當2種車型的軸載水平分別為10 t(單后軸)和18 t(雙后軸)時,胎壓變化對于應變響應量的影響不顯著;當單后軸與雙后軸軸重分別超載至18 t和34 t時,車胎超壓荷載所產生的面層層底應變明顯大于常壓工況.就行車動荷載作用來看(車速為20～60 km·h－1),當單后軸軸載質量為10 t、雙后軸為18 t時,胎壓增大所產生的應變增長幅度范圍分別為2.3%～9.7%和2.3%～9.2%;而當車輛超載(單后軸18 t、雙后軸34 t)時,因胎壓變化所產生的應變增長幅度隨之顯著增加,分別提高至12.5%～23.8%和11.1%～25．3%.出現該現象的原因可能在于:車輪胎壓的增加提高了輪胎的自身剛度,在剛度較大的情況下,車輪將對路面產生更大的接地應力及沖擊荷載,進而使得路面動力響應量增大.

圖6 雙后軸車型胎壓對面層底動態應變的影響

(2)在車輛靜載與動載2種不同模式下,胎壓的影響作用表現出不同特性.當車輛駐停對路面施加靜態荷載,且2種車型的軸載水平分別為18 t(單后軸)和34 t(雙后軸)時,車輪胎壓處于1.3 MPa超壓狀態所產生的面層底應變響應量相比常壓工況分別提高了6.8%(單后軸)和27.2%(雙后軸).而對于行車動荷載而言,以時速60 km為例,同樣當2種車型的軸載水平分別為18 t(單后軸)和34 t(雙后軸)時,車胎超壓時的面層底應變響應量相比常壓工況分別提高了18．2%(單后軸)和21．4%(雙后軸).以上結果表明,就車輪胎壓變化對路面應變響應的影響而言,動態荷載模式明顯大于靜態荷載.由此可推測,因車胎超壓所引起的應變響應增大,主要是由于超壓增大了車胎自身剛度而使車輪對于路面的附加振動沖擊效應增大,進一步引起路面產生更大的應變響應.因此,對于高速行駛的車輛而言,雖然車速增加會在一定程度上減小路面應變響應,但仍不可忽略其車胎超壓對于路面使用性能所產生的不利影響.

在行車荷載作用下,車輛超載及車輪超壓均能引起路面應變增大,對于二者的疊加效應進行對比分析,結果如圖7所示.

圖7 超壓與超載的疊加效應分析

由圖7可以看出以下幾點.

(1)分別以單后軸車輛(軸載質量10 t,胎壓0.7 MPa)、雙后軸車輛(軸載質量18 t,胎壓0.7 MPa)作為標準軸載-額定胎壓工況,以單后軸車輛(軸載質量18 t,胎壓1．3 MPa)、雙后軸車輛(軸載質量34 t,胎壓1.3 MPa)作為超載-超壓工況.以60 km·h－1車速為例,對于單后軸荷載,超載-超壓工況下的面層底縱向應變增加至常規軸載-額定胎壓工況的2．2倍;雙后軸荷載下,面層底縱向應變增至2．1倍.路面結構在超載-超壓工況下的應變響應較標準軸載-額定胎壓工況顯著增大.

(2)當以軸重及胎壓為變化因素時,超載及超壓作用分別使應變響應量較標準軸載-額定胎壓工況提高了0．9、13．7με(單后軸)和0．1、13．6με(雙后軸);而考慮二者的綜合作用,超載-超壓工況下的應變值比常規軸載-額定胎壓工況提高了19．3με(單后軸)和20．4με(雙后軸),表明車輛超載與車胎超壓綜合作用對于路面應變的影響不僅僅是二者影響作用的簡單疊加.

4 結 語

通過本文的研究與分析,可得出以下結論.

(1)當胎壓一定時,隨著軸重增加,車胎有效接地面積雖有所增加,但單位接地面積上受承受的平均荷載力增大;當軸重一定,車輪胎壓增加,胎面接地面積減小,其平均接地應力增大.

(2)胎壓對于層底應變響應的影響作用與軸載水平有關,軸重水平較低時,胎壓的影響作用不顯著,而在車輛超載條件下,車胎超壓荷載所產生的面層層底應變明顯大于常壓工況.

(3)在動、靜荷載模式下,胎壓變化的影響作用不同,動荷載作用下由車胎超壓所引起的路面應變響應大于靜態荷載模式.

(4)在超載-超壓工況下,路面應變響應較標準軸載、額定胎壓工況顯著增大,車輛超載與車胎超壓綜合效應對于路面應變的影響不僅僅是超載、超壓影響作用的簡單疊加.為保證瀝青路面的使用壽命,在限制車輛超載的同時應對高速行駛車輛的胎壓予以嚴格控制.

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[責任編輯:高 甜]

Effect of Tire Pressure on Measured Dynamic Strain of Semi-rigid Asphalt Pavement

XIAO Chuan1,2,QIU Yan-jun2
(1．Department of Transportation and Municipal Engineering,Sichuan College of Architectural Technology, Deyang 618000,Sichuan,China;2．Key Laboratory of Road Engineering of Sichuan Province, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,Sichuan,China)

Based on the field test of vehicle loading,the dynamic strain response of the semi-rigid asphalt pavement under different tire pressure conditions was studied by pre-embedding the bottom strain sensor．The results show that when the axle load is constant,the tire pressure increases and the contact area decreases,the average ground stress increases in static load mode; when the vehicle is overloaded,the strain response generated by the overpressure was significantly greater than that under the atmospheric pressure conditions;under the dynamic load of the wheel,the effect of the overpressure on the bottom strain of the surface course is obviously greater than the static load．

road engineering;semi-rigid asphalt pavement;dynamic strain;tire pressure

U416.217

B

1000-033X(2017)05-0059-05

2016-12-10

國家自然科學基金項目(51378438);四川省教育廳科研項目(16ZB0513);四川建筑職業技術學院科研項目(2016KJ01)

肖 川(1984-),男,湖南湘潭人,博士,講師,研究方向為路面動力行為及結構設計.