寬溫度域內瀝青路面結構響應規律分析

周興業, 王旭東, 關 偉, 肖 倩

(1.交通運輸部公路科學研究院 基礎研究創新中心, 北京 100088； 2.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院, 哈爾濱 150090)

瀝青路面服役過程中，由于車輛荷載和環境溫度變化會使路面內部產生應力、應變、位移等結構響應[1]，開展現場實測是獲取這些響應數據最為有效的一種研究手段. 目前，國內外學者們依托實體工程試驗路和足尺環道，開展了大量的路面結構響應研究工作，國外具有代表性的有美國AASHTO試驗路[2-3]、明尼蘇達州MnRoad試驗路[4-5]、NCAT試驗環道[6-8]等，國內具有代表性的有山東濱州試驗路[9-10]、北京六環試驗路[11-12]、交通運輸部公路科學研究院RIOHTrack足尺路面試驗環道[13]等. 然而，已有研究過于關注荷載對路面結構實際響應行為的影響，更多地集中在真實行車荷載[14-15]和落錘式彎沉儀(FWD)荷載[16]作用下的瀝青路面動力響應分析上，而在環境溫度變化所引起的應力、應變、位移等結構響應變化方面的研究較少.

受季節更替影響，瀝青路面的服役溫度常表現出以年為單位的交替變化特征，因夏季高溫和冬季低溫的溫差較大，使得年循環內的大氣溫度和路面結構內部溫度會在一個很寬的范圍內發生變化，該溫度范圍即為寬溫度域. 由于瀝青混凝土是一種典型的溫度敏感性材料，溫度變化對其材料性能和結構受力狀態具有顯著影響，即使結構形式與荷載參數完全相同，不同溫度下的瀝青路面結構響應也存在很大差別. 此前的少部分研究[17]雖然注意到了溫度對瀝青路面結構響應的影響，但因缺少連續性的溫度與結構響應觀測數據，研究中僅以一年中某些季節的代表性溫度進行分析，所采集到的溫度范圍較窄、結構響應數據的樣本量偏少，不能覆蓋瀝青路面服役過程中的全部溫度范圍，也很難全面反映瀝青路面在整個服役溫度范圍內的結構響應變化規律.

文獻[18]研究發現，某一年度內的溫度波動范圍，基本可以覆蓋瀝青路面服役期內的溫度變化情況，可作為寬溫度域內瀝青路面結構響應研究的溫度輸入參數. 為此，本文基于中國RIOHTrack足尺路面試驗環道，以半剛性基層瀝青路面和全厚式瀝青路面作為研究對象，對兩種代表性結構2017年全年的服役溫度和結構響應開展連續跟蹤觀測，獲得可覆蓋瀝青路面服役溫度范圍的荷載-溫度-結構響應同步觀測參數，分析不同溫度下瀝青路面的結構響應特征和深度分布規律，建立溫度與響應參數的關系模型，以全面描述和表達服役期內的瀝青路面結構響應行為.

1 路面結構響應觀測方法

1.1 路面結構形式

半剛性基層瀝青路面(STR1)由兩層水泥穩定土(CS)底基層、兩層水泥穩定碎石(CBG25)基層和兩層瀝青混凝土面層組成，全厚式瀝青路面(STR19)由1層水泥穩定碎石(CBG25)、3層瀝青混凝土基層和兩層瀝青混凝土面層組成，兩種結構的材料組成和厚度如圖1所示.

1.2 溫度觀測

大氣溫度使用小型氣象站進行采集，前端采集設備為錦州產PC-4，后端采集設備為澳大利亞產dataTakerDT80. 瀝青路面內部溫度采用錦州產PT100鉑電阻溫度傳感器進行觀測，分別布置于各層層底和土基內部距面層頂面1.5、2.0、2.5 m位置處.

(a)STR1 (b) STR19

1.3 彎沉觀測

彎沉采用FWD作為試驗荷載，通過9個傳感器對其進行觀測，9個傳感器的編號及其距離荷載中心點的距離分別為D0=0 m、D1=0.23 m、D2=0.53 m、D3=0.69 m、D4=0.85 m、D5=1.16 m、D6=1.53 m、D7=1.75 m、D8=2.05 m. 本文研究的試驗荷載為5 t.

1.4 應變和應力觀測

瀝青混凝土結構層的水平方向應變采用TML公司生產的“工字型” KM-100 HAS 動態瀝青應變計進行觀測，如圖2(a)所示；水泥穩定土結構層和水泥穩定碎石結構層的水平方向應變采用TML公司生產的KM-100A動態混凝土應變計進行觀測，如圖2(b)所示. 各層層底豎直方向壓應力σz，采用意大利產P252A型土壓力計，如圖2(c)所示.

(a)瀝青應變計 (b)混凝土應變計 (c)土壓力計

壓力計和應變計的布置情況如圖3所示，每層呈矩形埋設. 每層壓力計布置1個，位于矩形中心處；每層應變計布置8個，位于矩形四角處，其中順著車輛行駛方向的縱向應變計(εy)以及垂直于車輛行駛方向的橫向應變計(εx)各布置4個. 為了與國際上通用的結構受力方向表達習慣相統一，本文將應力實測值為正值、應變實測值為負值時的力學響應狀態定義為壓縮狀態，分別對應于壓應力、壓應變；反之，將應力實測值為負值、應變實測值為正值時的力學響應狀態定義為拉伸狀態，分別對應于拉應力、拉應變.

2 結果與分析

2.1 寬溫度域內瀝青路面結構響應的基本規律

圖4為2017年STR1和STR19在FWD荷載作用下路面結構響應參數的年變化曲線. 由圖4可以看出，隨著季節更替，彎沉、應力和應變等結構響應會出現明顯的周期性波動，總體上表現出以年為單位的循環交替變化規律. 在數值上，中心點彎沉D0以及h=12 cm處的εx、εy、σz的數值均隨著季節變化呈先增大后減小的趨勢. 即：冬季低溫時，瀝青路面的彎沉、應力、應變等結構響應數值最小；過了冬季，溫度升高之后，數值開始逐漸增大，直至夏季高溫時達到最大；然后，數值又開始逐漸變小，到了冬季低溫時，應力應變又減小至很低的水平. 可見，在較寬的溫度范圍內，由于受季節變化影響結構內部溫度不斷變化，也對彎沉、應變和應力等結構響應產生了明顯影響.

圖3 布設示意圖

(a) D0年變化曲線

(c)εy年變化曲線(h=12 cm)

(b)εx年變化曲線(h=12 cm)

(d) σz年變化曲線(h=12 cm)

2.2 溫度與彎沉的關系

彎沉主要反映整體路面結構的變形，國內外學者在研究溫度與彎沉關系時，一般采用彎沉檢測前5日的大氣日平均溫度均值Ta作為代表性溫度進行分析. 以圖4(a)中兩種結構的D0與Ta之間建立相關關系，如圖5所示. 通過2017年溫度與結構響應的連續跟蹤觀測可知，STR1與STR19結構的Ta為-0.6～30.5 ℃，STR1中心點彎沉值D0的變化為7.7～22.7(0.01 mm)，STR19中心點彎沉值D0的變化為7.1～16.9(0.01 mm)，所采集到的溫度范圍較寬、結構響應數據較多，可基本覆蓋兩種路面結構2017年全年的大氣日平均溫度范圍及其實際結構響應.

由圖5可以看出，溫度會明顯影響路面結構彎沉，溫度升高以后，D0會隨之變大，溫度對彎沉的影響十分敏感. 這是因為瀝青混凝土具有感溫性，在寬溫度域內是一種典型的黏彈性體，當溫度較高時，其本構關系會表現為黏性流體，材料偏軟、勁度模量偏小，在承受相同荷載時更容易發生變形. 從圖5中還可以看出，D0與Ta之間呈單調遞增的變化趨勢，二者關系可采用下式進行擬合：

l=k1·ek2·Ta.

(1)

式中：l為中心點彎沉D0，Ta為FWD荷載作用前5 d的大氣日平均溫度均值，k1、k2為回歸參數.

圖5 溫度與彎沉的關系曲線

采用式(1)對圖5中D0與Ta之間的相關關系其進行回歸，決定系數R2在0.95左右，擬合效果較好，回歸參數見表1.

表1 模型k1和k2回歸參數

2.3 溫度與應變的關系

2.3.1 寬溫度域內溫度-應變相關關系

由于路面結構內部溫度處于不斷變化之中，為了保證溫度取值的合理性，本文在研究溫度與應變關系時，選擇FWD荷載作用前后30 min內結構內部應變計埋設位置處的溫度均值Ts以及FWD測試時刻的實時大氣溫度Tb，作為代表性溫度進行分析. 以圖4(b)、4(c)中STR19結構h=12 cm處的εx、εy為基礎數據，與Ts和Tb之間建立相關關系，如圖6所示. 通過2017年溫度與結構響應的連續跟蹤觀測可知，STR19結構服役過程中結構內部h=12 cm處的Ts值為-0.7～42.1 ℃.

由圖6可以看出，STR19結構h=12 cm處εx、εy均為壓應變，應變數值隨著溫度Ts和Tb的升高而逐漸增大. 如前所述，這是因為瀝青混凝土具有感溫性，在寬溫度域內是一種典型的黏彈性體，其本構關系會隨著溫度變化而改變，從而導致結構的受力狀態發生變化. 當溫度較低時，其本構關系會表現為線彈性體，材料較硬、勁度模量較大，結構受力較為有利，應變較小；而當溫度較高時，其本構關系會表現為黏性流體，材料偏軟、勁度模量偏小，在承受相同荷載時產生的應變會變大. 觀察圖6中曲線特征發現，溫度Ts和Tb與應變的相關關系均可以采用指數函數模型來描述，其中，Ts與應變的相關性明顯優于Tb，Ts的決定系數R2可達到0.95以上，相關性最好. 因此，可選擇Ts作為寬溫度域應變分析的代表性溫度參數，建立h=12 cm處STR1及STR19應變響應與溫度的關系模型為

ε=k3·ek4·Ts.

(2)

式中：ε為水平橫向應變εx或水平縱向應變εy，Ts為FWD荷載作用前后30 min內應變計埋設位置處的溫度均值，k3、k4為回歸參數. 模型參數回歸結果見表2.

(a)εx

(b) εy

表2 模型k3和k4回歸參數

為進一步研究其他結構層處溫度與應變相關關系，選擇STR19結構h=24 cm處的εx、εy進行分析，如圖7所示. 由圖7可以看出，在較寬的溫度范圍內，STR19結構h=24 cm處的εx、εy，隨溫度變化會出現壓應變-拉應變-壓應變的交替變化現象，即：當溫度較低時為壓應變；當溫度升高之后出現壓-拉轉換點，之后轉變為拉應變；當溫度進一步升高后，出現拉-壓轉換點，然后轉變為壓應變. 這種現象表明，在寬溫度域內，h=24 cm處的受力狀態會隨著溫度的變化而出現應變狀態的改變，當溫度逐漸升高時，該處受力情況表現為壓縮-拉伸-壓縮的交替轉換，這與h=12 cm處的應變變化趨勢完全不同. 這是由于瀝青路面在服役過程中，環境溫度不斷變化，隨之引起瀝青混合料的物理性質、力學性質、黏彈性本構關系等不斷交替變化，從而導致結構的受力狀態出現交替變化.

(a)εx與Ts

(b) εy與Ts

上述研究表明，在寬溫度域內，對于瀝青路面的應變響應而言，溫度不僅影響應變數值的增減，還會改變應變方向. 因為瀝青混凝土具有溫度敏感性，在寬溫度域內是一種隨溫度變化的典型黏彈性體，當溫度較低時，其本構關系會表現為線彈性體，材料較硬、勁度模量較大，可以采用線性彈性層狀體系對其進行力學計算；然而，當溫度較高時，其本構關系則會表現為黏性流體，材料偏軟、勁度模量偏小，此時采用線性彈性層狀體系進行力學計算顯然并不合理，而應該引入非線性力學理論對層狀體系進行修正以后，方可開展力學計算. 正是由于溫度對應變的顯著影響，為了提高計算分析和結構設計的可靠性，宜使用瀝青路面最不利季節時的溫度作為力學計算的基本參數.

2.3.2 結構深度-應變相關關系

為研究應變沿結構深度方向的分布規律，在STR1和STR19服役的溫度域范圍內，選擇最高溫度Tmax、最低溫度Tmin和中間溫度Tc作為代表性的溫度參數進行應變分析，如圖8所示.

(a)STR1結構εx與h

(b)STR1結構εy與h

(c)STR19結構εx與h

(d)STR19結構εy與h

由圖8(a)、8(b)可以看出，STR1結構h=12 cm的瀝青混凝土材料層層底、h=32 cm的半剛性材料層層底均為受壓狀態；而h=52 cm、h=72 cm、h=92 cm處的半剛性材料層層底均為受拉狀態，無論溫度如何變化，最大拉應變始終在h=52 cm的半剛性材料層層底位置處.

由圖8(c)、8(d)可以看出，無論溫度如何變化，STR19結構h=12 cm的瀝青混凝土材料層層底始終為受壓狀態；h=36 cm、h=48 cm、h=68 cm的結構層層底始終為受拉狀態，最大拉應變始終在h=48 cm的瀝青混凝土材料層層底位置處. 但h=24 cm的瀝青混凝土材料層層底受力狀態會出現受壓-受拉-受壓的交替變化，而且從深度上來看，在24～36 cm之間的深度，路面結構的受力狀態也呈現這種拉壓轉換，隨著溫度的升高，拉壓轉換的應變0值線(即拉壓轉換中性軸)位置會漸漸背離路表而向結構深處轉移. 這是由于STR19結構的瀝青材料層較厚，而溫度變化對瀝青材料層的影響較大，整個路面結構隨著瀝青混凝土物理、力學性質的變化而出現了受力情況的顯著改變. 當溫度較低時，瀝青混凝土結構層更接近于板體，外力荷載可以在瀝青混凝土結構層內進行消散，不會再向下傳遞；當溫度較高時，瀝青混凝土結構層板體性消失，接近于粘流態體，此時外力荷載無法在上部結構進行消散，只能向下部傳遞.

2.4 溫度與應力的關系

為分析寬溫度域范圍內溫度與應力的相關性，以圖4(d)中STR19結構h=12 cm處的σz為基礎數據，與Ts、Tb之間建立關系，如圖9所示. 從圖9中可以看出，STR19結構h=12、24、36、48 cm處σz均為壓應力，應力數值隨著溫度的升高增幅十分明顯，溫度-應力相關關系呈現單調遞增的變化規律. 這是由于瀝青混合料的物理、力學性質會隨溫度變化出現明顯改變，當溫度較高時，模量較低，在承受相同荷載時瀝青層層底豎向應力會變大. 圖9中，應力與溫度Ts、Tb的相關關系可以采用指數函數模型來描述，其中，Ts與應變關系的決定系數R2在0.95以上，相關性較好，而Tb與應變之間的相關性較差. 按此方法建立h=12 cm處STR1及STR19應力響應與溫度的關系模型為

lnσ=k5·ek6·Ts.

(3)

式中：σ為豎向應力σz，Ts為FWD荷載作用前后30 min內壓力計埋設位置處的溫度均值，k5、k6為回歸參數. 模型參數回歸結果見表3.

為研究應力沿結構深度方向的分布規律，在STR19服役的寬溫度域范圍內，選擇最高溫度Tmax、最低溫度Tmin和中間溫度Tc作為代表性的溫度參數進行應力分析，如圖10所示.

圖9 溫度與應力關系曲線

圖10 深度與應力關系曲線

表3 模型k5和k6回歸參數

從圖10中可以看出，對于STR19結構而言，隨著深度的增加應力響應數值衰減較快，至瀝青材料層層底位置(h=48 cm)處，應力已經衰減到很小的數值. 雖然溫度較高時，應力數值較大，但其沿深度方向的衰減速度也更快，在瀝青材料層中部位置(h=24 cm)處，應力已經衰減h=12 cm處的一半以上.

3 結 論

1)2017年RIOHTrack的連續觀測結果表明，年循環內大氣日平均溫度變化為-0.6～30.5 ℃，路面結構內部12 cm處實時溫度變化為-0.7～42.1 ℃，可基本覆蓋路面結構的服役溫度范圍，屬于寬溫度域范疇.

2)寬溫度域內，瀝青路面彎沉數值隨季節更替發生以年為周期的循環交替變化，半剛性基層瀝青路面彎沉年變化為7.7～22.7(0.01 mm)，全厚式瀝青路面彎沉年變化為7.1～16.9(0.01 mm).

3)溫度對彎沉、應變和應力響應具有顯著影響，可采用指數函數模型進行描述，決定系數R2可達到0.95以上，相關性良好.

4)在較寬的溫度范圍內，溫度變化不僅會引起結構內部應變、應力數值的增減，還會改變某些結構層的應變方向：由壓(拉)應變轉換為拉(壓)應變. 為了提高計算分析和結構設計的可靠性，宜使用瀝青路面最不利季節時的溫度作為力學計算的基本參數.

5)沿深度方向上，全厚式瀝青路面從壓應變到拉應變轉換的中性軸位置出現在深度為24～36 cm之間，中性軸位置隨著溫度升高會逐漸遠離路表，向結構下部移動. 夏季高溫時，層底壓應力沿深度上衰減較快，至路面結構內部24 cm處壓應力可減小至50%以上.