基于加速加載試驗的瀝青路面動力響應影響因素研究

黃 毅 鄭炳鋒

(湖南省交通科學研究院有限公司1) 長沙 410015) (蘇交科集團股份有限公司2) 南京 211112)

0 引 言

動力響應反映了路面結構在移動荷載下的受力特性,可用來分析瀝青路面服役期間性能演化規律,能夠揭示路面損傷破壞機理.目前獲取瀝青路面動力響應的方法主要包括理論分析法[1-2]和實測法[3-4],但前者在力學模型、邊界條件,以及材料參數等方面存在一定的局限性,導致不同模型計算得到的動力響應存在較大差別.后者采用足尺加速加載設備或真實車輛對預埋傳感器的瀝青路面進行測試,能夠直接、準確地獲得瀝青路面動力響應數據.足尺加速加載試驗是目前道路工程中最接近實際行車狀況的試驗手段,廣泛應用于研究路面動力響應、疲勞及車轍模型以及長期性能演化規律[5-6].

采用加速加載系統對瀝青路面動力響應的研究,Han等[7]采用HVS(heavy vehicle simulator)研究了倒裝結構瀝青路面的動力響應.Sha等[8]研究了四種路面結構動力響應隨軸重、速度和溫度的變化規律,并建立了瀝青層底拉應變預估方程.文獻[3]研究了瀝青層底應變沿橫向分布變化規律,發現瀝青層底橫向應變受荷載位置影響較大.文獻[4]研究了軸重、車速和輪胎胎壓對瀝青層底應變和路基頂面應力的影響,并建立了動力響應回歸方程.

文中基于交互作用正交設計,采用足尺加速加載設備MLS66(mobile load simulator 66)對預埋傳感器的瀝青路面進行不同工況下動力響應測試.通過極差分析和方差分析,得到各因素及其耦合作用對瀝青路面動力響應的影響程度,分別建立了中、下面層底縱向拉應變和豎向壓應變以及底基層底縱向拉應變的預估方程.

1 基于正交設計的加速加載試驗

1.1 路面結構及傳感器布設方案

在江蘇省鎮江市修筑長×寬為84 m×6 m的試驗道,試驗道設置2%的單向橫坡及3‰的縱坡.試驗道的路面結構采用江蘇省高等級公路典型路面結構:上面層為4 cmSMA-13(SBS改性瀝青),中面層為6cmSUP-20(SBS改性瀝青),下面層為8cmSUP-25(70#道路石油瀝青),基層為36 cm抗裂型水泥穩定碎石(水泥劑量4.5%),底基層為20 cm低劑量水泥穩定碎石(水泥劑量3.0%).路基填筑高度為120 cm(20 cm/層×6層),摻灰7%后逐層填筑壓實.

在鋪筑試驗道過程中,在相應結構層分別埋設溫度、應力及應變傳感器,傳感器型號及埋設層位見表1,傳感器布設方案見圖1.

圖1 瀝青路面傳感器布設方案

表1 瀝青路面預埋傳感器型號

1.2 加速加載試驗設計

MLS66可以實現六個加載輪進行單向循環加載,相較于HVS、ALF(accelerated loading facility)等其他加速加載設備的往復加載模式,MLS66能夠更好地模擬實際車輛對路面的作用效果.加載速率上限為22 km/h,對應的每小時累計加載次數為6 000次.

參考文獻[9],選擇路面溫度、輪重,以及速度作為影響因素,同時選取中面層底縱向應變、中面層底豎向應變、下面層底縱向應變、下面層底豎向應變和底基層底縱向應變五個目標參數.相較于單因素正交試驗,相同水平數的交互正交試驗的試驗次數會大大增加.因此,每種因素僅選取兩個水平,見表2.根據三因素二水平選擇交互因素正交試驗表L8(27),見表3.

表2 瀝青路面動力響應交互正交試驗因素及水平

根據表3中所列的工況進行試驗,每種工況加載15 min,加載的同時對路面溫度場及動力響應進行監測.監測得到的路面溫度場見圖2,根據瀝青面層溫度將其劃分為低溫和高溫兩個區域,其中中面層底(z=10 cm)低溫和高溫對應的溫度范圍分別是18～26、50～52 ℃;下面層底(z=18 cm)低溫和高溫對應的溫度范圍分別是16～20、39～40 ℃.

圖2 瀝青路面溫度場

2 試驗結果及分析

2.1 時程曲線

2.1.1中、下面層底

為方便應變分析,規定受拉狀態為正,受壓狀態為負.將試驗編號為#1、#3、#5、#7的中面層底應變時程曲線繪于圖3.由圖3可知:應變時程曲線呈現規律性周期變化,且不同工況對應的動應變幅值差距明顯.

圖3 中面層底應變時程曲線

2.1.2底基層底

將試驗編號為#1、#3、#5、#7的底基層底縱向應變時程曲線結果繪于圖4.由圖4可知:底基層底縱向應變時程曲線在每個加載周期內均呈現受拉狀態,當加載輪駛向傳感器時,拉應變逐漸增大;當加載輪位于傳感器正上方時,拉應變達到峰值;當加載輪駛離傳感器時,拉應變逐漸減小至零.相較于中面層底應變,不同工況下底基層底應變幅值相差不顯著.

圖4 底基層底縱向應變時程曲線

2.2 瀝青路面動力響應影響因素研究

由于中、下面層底縱向應變時程曲線以拉應變為主,且瀝青混合料層的疲勞開裂壽命預估方程大多是以瀝青層底拉應變作為參數建立的,因此對縱向拉應變峰值εt進行分析.此外,由于瀝青層內豎向應變時程曲線以壓為主,且累計殘余壓應變會直接導致壓密性車轍的產生,因此對豎向壓應變峰值εc進行分析.表4為不同工況下動力響應實測結果,每種工況取48個加載周期,計算其平均值和標準差.

表4 瀝青路面動力響應交互因素正交試驗結果

2.2.1極差分析

極差能夠反映因素對試驗結果影響的大小,某種因素的極差越大,表明該因素越重要.因此,極差最大的因素即為最主要影響因素.表5為五個目標參數下不同影響因素的極差R,并對不同因素的極差進行排序并賦值,極差最大的因素賦值為6,依次遞減,極差最小的因素賦值為1.圖5為不同影響因素的極差排序,圖中柱狀高度越高,表明該因素的極差計算結果越大.

圖5 不同影響因素極差排序

表5 不同影響因素的極差計算結果

對于中面層底縱向拉應變和豎向壓應變,其路面溫度的極差分別是348.9和1 181.1,高于下面層的40.7和373.5,這表明路面溫度對中面層底動應變的影響大于下面層底.分析原因,隨路面深度逐漸增加,向下傳遞的太陽輻射熱量逐漸遞減,進而導致下面層底溫度變化幅度小于中面層底.由于瀝青混合料是一種黏彈性材料,溫度變化幅度越大,其自身模量變化范圍亦越大,因此,在相同荷載水平下,應變變化范圍越大.

中、下面層底縱向拉應變和豎向壓應變的影響因素排序依次為:溫度>速度>溫度×速度,可見相較于輪重,溫度、速度,以及其耦合作用對瀝青層底縱向拉應變和豎向壓應變的影響更大,其中路面溫度是最主要影響因素.分析原因,當夏季高溫時,瀝青層的溫度可升高至50～60 ℃,此時瀝青混合料的模量顯著降低,進而導致瀝青層內縱向和豎向應變均顯著增加.此外,根據時間-溫度置換原理,加載頻率的改變可以等效為溫度的變化.具體說來,當車輛低速行駛時,其對瀝青路面的作用頻率降低,此時可以等效為瀝青層溫度升高,進而導致瀝青層模量降低,瀝青層應變增大.

不同工況底基層底拉應變變化范圍較小,為(1.65～2.34) ×10-6,導致不同因素的極差值較為接近.其中輪重的極差為0.205,是影響無機結合料穩定層底縱向拉應變的最主要因素,其次是輪重與速度的耦合作用以及速度,溫度則是影響底基層底拉應變的次要因素.這是由于底基層距路表較遠,該層溫度變化相對較小,且相較于瀝青混合料,水泥穩定碎石自身的強度和模量受溫度影響較低.高溫條件下,瀝青面層承載力降低,導致傳遞到無機結合料穩定層頂面的壓力有所增加,進而間接影響了底基層底拉應變水平.

2.2.2方差分析

表6為五個目標參數下不同影響因素的方差計算結果.根據F檢驗的臨界值表,當顯著性水平α=0.05和α=0.1時,Fα分別為F0.05(1,7)=5.59和F0.1(1,7)=3.59.當某因素的F值大于F0.05(1,7)時,表明該因素對目標參數影響顯著,標記為“**”;當某因素的F值大于F0.1(1,7)時,表明該因素對目標參數影響較為顯著,標記為“*”;當某因素的F值小于F0.1(1,7)時,表明置信=90%時,該因素對目標參數影響不顯著.

表6 不同影響因素的方差計算結果

由圖6可知:對于中、下面層底縱向拉應變和豎向壓應變,路面溫度對應的F值均大于F0.05(1,7),表明路面溫度對瀝青層應變有顯著影響(置信P=95%),其余因素影響均不顯著.對于底基層底縱向拉應變來說,輪重對應的F值為1.638,高于其他因素,這一規律和極差分析一致.但所有因素的方差均小于F0.1(1,7),這表明當置信P=90%時,溫度、輪重、速度及其耦合作用均為不顯著的次要因素.

圖6 應變實測值與預測值相關性

2.2.3預估方程

采用指數函數對中、下面層底縱向拉應變和豎向壓應變及底基層底縱向拉應變進行回歸擬合,并建立預估方程.

εt=a×eb×t-c×v+d×W

(1)

εc=-a×eb×t-c×v+d×W

(2)

式中:a、b、c、d均通過擬合得到;t為結構層所在深度的溫度,℃;v為加載輪行駛速度,km/h;W為加載輪輪重,kN.

表7為擬合函數及其相關系數R2,圖6為應變實測值與預測值的相關性.

表7 瀝青路面應變峰值變擬合函數

中、下面層底應變回歸方程中溫度T對應的擬合系數b的范圍為0.077～0.095,大于速度v對應的擬合系數c的范圍0.025～0.044,而輪重W對應的擬合系數d最小,僅為0.001～0.009.這表明單位溫度變化所引起的應變變化最大,其次為速度和輪重,這一規律和極差分析結果一致.

擬合精度結果表明,應變預估方程對中、下面層底應變狀況有更好的適應性,其對應的相關系數R2均大于0.96;而底基層底拉應變回歸方程的相對系數R2相對較低,僅為0.78.在后續的研究中關于底基層底拉應變預估方程的構建尚需要引入路基濕度、模量等相關參數,以提高預估方程的精度.

3 結 論

1) 路面溫度是影響中、下面層底應變的最主要因素,其次為速度和溫度與速度的耦合作用,輪重對中、下面層底縱向拉應變和豎向壓應變影響相對較小.對底基層底拉應變影響較大的因素是輪重.

2) 建立了以路面溫度、輪重、速度為參數的瀝青路面動應變預估方程,指數函數的應變方程對中、下面層底應變具有較好適應性,相關系數R2均大于0.96.為后續研究瀝青路面動力響應隨累計軸次的變化提供了支撐,可采用預估方程對不同工況下應變幅值進行歸一化處理,以便消除溫度、荷載等因素的影響.