淺析智能顆粒在瀝青路面受力特性中的監測應用

韓冰 張南童 鐘立昌 宋鑫

摘? 要：瀝青路面結構的力學特性一直是道路工程研究的重點，也是其最難解決的問題之一。隨著交通量的增長，我國高速公路改擴建工程越來越多，而智能顆粒是針對公路路面受力、變形監測及路用性能預測等需求開發的超小型耐高溫高精度傳感器。本文結合齊魯交通發展集團養護大中修項目，通過埋設智能顆粒，研究了瀝青面層結構在荷載條件下的力學特性，結果表明智能顆粒能夠有效監測瀝青路面受力特性，對瀝青路面的修復具有十分重要的現實意義和指導意義。

關鍵詞：道路工程;智能顆粒;瀝青路面;內力特性;姿態轉角

中圖分類號：U416? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）07-0000-00

0引言

智能顆粒是針對公路路面受力、變形監測及路用性能預測等需求開發的超小型耐高溫高精度傳感器。智能顆粒能夠實時采集監測的參數包括：標準時間，溫度，路面內部正應力，大地坐標下的三維歐拉角，剪應變，高精度三軸加速度。利用低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy）或者其他通訊協議傳送數據到便攜式接收器，或遠程控制路邊信號采集器（STRDAL GLOBAL），實時上傳至云端儲存，供用戶隨時查看、下載。該設備結構精巧，尺寸小，可耐受180℃以上高溫，不受應用環境限制，使用方便[1]。

1 智能顆粒監測系統設計

針對沈海高速養護大中修蓬萊段路面結構實際情況，根據力學理論模型中在車輛荷載作用下路面內部溫度場、應力場、應變場范圍及彎沉盆形狀確定了智能顆粒埋設位置。10顆智能顆粒分布在上、中、下三層。其中智能顆粒粒徑為2cm，2顆位于下面層底部，行車道外側輪跡帶下方，距離路面表面16cm～18cm;6顆位于中面層頂部，距路面表面4cm～6cm行車道外側輪跡帶下方;2顆位于上面層底部，距路面表面4cm～6cm，分別位于行車道外側輪跡帶下方和行車道軸中位置[2-3]。

2 智能顆粒埋設過程

根據現場情況按設計圖紙進行顆粒位置放樣。與此同時，將埋設在下面層的兩顆顆粒并排對齊路邊靜置，采集靜態環境數據3min。然后攤鋪下面層瀝青混合料，在標記位置處將松散的瀝青混合料挖開，坑底應為基層頂部，安放顆粒后填埋混合料并整平。隨后進行壓實，壓實過程中連續實時收集數據，直至壓實完成斷開連接。最后待混合料溫度降至環境溫度后再次連接智能顆粒，采集數據[4]。完成后根據后續工程安排配置智能顆粒睡眠喚醒時間，如圖1所示。

3 路面結構受力特性分析

根據所采集的數據，智能顆粒可以給出車輛荷載經過時路面內部集料的加速度和應力特征。智能顆粒啟動監測后三軸應力計算實時采集路面內部應力數據。以上面層1號顆粒采集數據為例。經過數據處理可以發現在76s時豎向應力產生突變，應力變化值為0.014MPa，其他方向應力變化不大，僅為0.002MPa～0.004MPa，如圖2。分析原因：當時有車輛經過，引起顆粒附近路面內部突然產生較大應力，根據顆粒在路面中的姿態可以判斷荷載在路面內部主要是豎向傳遞。瀝青層頂豎向應力是瀝青路面結構驗算中計算瀝青層永久變形的重要參數，本項目通過現場實際數據驗證了參數選取的合理性[5]。

同樣對其他顆粒進行分析，如圖3、圖4所示為其余顆粒采集的豎向加速度數據。從圖中可以發現與上面層1號顆粒相同，在71s～73s左右各個顆粒的加速度均產生突變，幅值較1號顆粒小，為1號顆粒加速度的25%～75%。因此在路面材料設計過程中，對瀝青混合料結構層性能都應考慮動載作用下的材料變形情況。

4 結論

本文通過鋪筑試驗路段，在瀝青面層埋設智能顆粒，每套智能監測系統共安裝10個智能顆粒，并最終確定了智能顆粒埋設方案和埋設流程。當車輛經過時，會引起顆粒附近路面內部突然產生的較大應力，根據顆粒在路面中的姿態可以判斷荷載在路面內部主要是沿豎向傳遞。表明由車輛荷載引起的振動方向主要為豎直方向。因此在路面材料設計過程中，對瀝青混合料性能還應考慮動載作用下材料變形情況。

參考文獻

[1] 田庚亮.光纖傳感技術監測瀝青混合料應變響應有效性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[2] 王曉潔.基于光纖光柵傳感器的瀝青路面性能監測研究[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[3] 劉樹龍.光纖Bragg光柵在瀝青路面性能健康監測中的試驗研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[4] 石丹鳳.利用光纖應變傳感器測試瀝青路面結構應變方案設計[J].山西交通科技，2010（1）：24-26.

[5] 董澤蛟，柳浩，譚憶秋，等.瀝青路面三向應變響應現場實測研究[J].華南理工大學學報（自然科學版），2009（4）：46-51.

收稿日期：2020-06-05

作者簡介：韓冰（1978—），男，河北唐山人，本科，高級工程師，研究方向：公路橋梁結構、公路工程造價、智慧工地建設。

Analysis on the Monitoring Application of Smart Particles in the Force Characteristics of Asphalt Pavement

HAN Bing1， ZHANG Nantong2， ZHONG Lichang1， SONG Xin1

（1. Shandong Transportation Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Jinan， Shandong， 250031;

2. Jiangsu Dongjiao Intelligent Control Technology Group Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu? 210000）

Abstract：? The mechanical properties of asphalt pavement structure have always been the focus of road engineering research and one of the most difficult problems to solve. With the growth of traffic volume， there are more and more highway reconstruction and expansion projects in my country. Smart particles are ultra-small， high-temperature and high-precision sensors developed for the needs of highway pavement stress and deformation monitoring and road performance prediction. In this paper， combined with the maintenance and repair project of Qilu Transportation Development Group， the mechanical properties of asphalt pavement structure under load conditions are studied by burying smart particles. The results show that smart particles can effectively monitor the mechanical characteristics of asphalt pavements， and are useful for the repair of asphalt pavements. Very important practical significance and guiding significance.

Keywords： road engineering; smart particles; asphalt pavement; internal force characteristics; attitude corner