柔性基层沥青路面动力响应试槽试验

李起伟，黎 晓，梁乃兴

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

沥青层底拉应变是我国沥青路面结构设计指标之一［1］，获取路面结构内部实际的应变行为，对沥青路面结构设计具有指导意义。近年来，国内外广泛开展应用应变传感器检测移动荷载下路面结构内部动力响应的研究，得出沥青路面结构在不同车辆速度、轴载和温度下的力学性能［2-9］。笔者通过埋设电阻应变片传感器对典型沥青路面结构内部动力响应进行长期观测，分析移动荷载作用下沥青路面结构的应力应变响应，目的是验证路面弹性层状体系应力应变计算模型的数值解，进一步对沥青路面疲劳寿命进行预估。

1 试验路方案

1.1 路面结构设计

该试槽试验路总长16 m，宽3 m，采用柔性基层沥青路面结构。路面结构组合和厚度如图1。

图1 柔性基层沥青路面结构Fig.1 Structure of asphalt pavement with flexible base

1.2 电阻应变片布设

1.2.1 电阻应变片的埋设方案

在上面层底部、中面层底部和下面层底部分别设置2个测点，共计6个测点。所有的测点均布设

在同一侧的行车带上，测点位置平面如图2。

图2 电阻应变片平面布置(单位:cm)Fig.2 Plane Arrangement chart of resistance strain gauge

现场每个测点的电阻应变片贴片方式见图3，由4片横向片(横向片垂直行车方向)和2片纵向片(纵向片沿行车方向)组成。考虑后期采集数据时选用惠斯登桥路的需要，横向片和纵向片成直角排列，间距10 cm。

图3 电阻应变片贴片方式Fig.3 Coating place of the resistance gauge

1.2.2 电阻应变片的选择

应变片测量原理是以其栅长范围内的平均应变来表示这一长度内某点的应变，其误差由栅长大小和其中应变梯度决定［10］。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选择是否合理。根据应变片的工作特性，针对道路使用条件，按照以下原则选择应变片的尺寸。

1)被测量材料的分布状态。由于沥青混合料是非均质材料，集料和沥青材料弹性模量差别大，内部应变分布不均匀，此时，要根据混合料内部骨料的大小选择应变片，栅长应为粗集料最大粒径的4～5倍［10］，在误差允许的条件下选用长标距的电阻式应变片作为路用应变片。

2)测量范围。因为栅长大小影响应变片测量误差，所以应针对不同的应变测量范围选择不同标距的应变片。在应力集中区域，测量点应力时，应选择栅长小的应变片;当测量平均应变，观测一定区域范围内应变变化情况时，应选择栅长较大、适合测量范围的应变片。

3)黏贴难易。标距较长的应变片，黏贴时方向易于准确，且应变片的横向效应也较小，因此，在误差允许的条件下应选择栅长较大的应变片。

综合以上原则，结合路面结构特点和研究内容，在测量沥青路面动力响应时，路用电阻应变片栅长应在80 mm以上，依据本次试验路结构所用的沥青混合料，试验选用型号为B×120-100AA型电阻式应变片，敏感栅尺寸为100×3 mm。

1.2.3 电阻应变片的黏贴

由于道路材料组成复杂、碾压施工等工艺特点，电阻应变片极易破坏，并且在测试时严重影响采集数据的稳定性和可靠度。因此，黏贴时必须严格安装黏贴的工艺流程进行操作。

1)准备。用砂纸对黏贴表面进行打磨，并打出与贴片方向呈45°的交叉条纹，然后用浸有丙酮的脱脂棉球清洗打磨部位，待溶剂挥发表面完全干燥后画出应变片的定位线，务必使其与应变测试方向吻合。

2)涂底胶。在已经准备好的结构层表面涂一层3 μm 厚的914胶［10］，并按照914 胶的固化要求，自然风干2 h左右。

3)贴片。在底胶尚未完全固化、略有发黏时，用刮刀在应变片基底上涂刷一层黏结剂，将应变片的中心线对准结构层表面的定位线准确的贴上，用刮刀沿应变片轴线方向轻轻刮压，抚平应变片，去除气泡并挤出多余胶液。

4)检查。应变片黏贴完毕后，对其认真检查，当发现基底有损坏，敏感栅有变形、断路、短路，应变片阻值变化超出测量仪器调平范围，贴片位置不正确，有气泡，局部没贴上，绝缘强度不够等问题时，及时铲除重贴。

5)应变片防护。待黏结剂充分固化后，在应变片和引线上涂一层914胶，并敷上沥青，进行封装，避免应变片因潮湿引起绝缘电阻下降，从而有效减小长期观测时应变片的蠕变和零点漂移。

6)导线保护。将导线穿过PPR管，并用特细砂灌满PPR管，再在结构层表面刻制一条宽1 cm深1 cm的槽，紧紧卡住PPR管，然后用溶化的沥青封住PPR管，避免导线在施工中因为混合料的挤压，发生剪切破坏。

1.3 试验路压实方式

试验路铺筑时，所有结构层均用20 t的光轮振动压路机进行压实，压实方式如下:

1)下面层:先静压1遍，然后弱振(高频低幅，激振力约300 kN)10遍，再静压1遍。

2)中面层:先静压1遍，然后强振(低频高幅，激振力约410 kN)7遍，再静压1遍。

3)上面层:直接静压14遍。

2 试验测试条件

2.1 移动荷载

选用双轮组单轴载的东风卡车作为试验车，车辆重8 t。由于试验室条件和室外环境限制，试验车速控制在15 km/h左右。车辆在测点上方来回行驶，使测点正好位于行车轮迹带下面。

2.2 数据采集系统

本次试验中，动态应变检测系统采用生基科技有限公司生产的“SJ-RFQC分布式无线动静态数据采集测试系统”，系统由4通道动静态应变采集器、SJ-WNN子站路由器和一套电脑终端等组成。4通道动静态应变采集器的分辨率为1 με，应变采集范围达 ±20 000 με，精度为 0.1%，零点漂移为±1 με/h。

2.3 数据采集频率

在改善电阻应变片测量数据的稳定性时，除了利用黏贴方式以外，就是通过选择合适的测量电路，利用差动技术，改善电阻应变片的稳定性，而将应变片做在惠斯登电桥中无疑是最佳的选择。惠斯登电桥如图4。通过差动技术，在动力响应测试中提高电桥的灵敏度，消除蠕变和非线性误差，实现温度补偿，抵消了共模误差。数据采集频率最大值由式(1)计算:

式中:fmax为所测动态应变的最高频率，Hz;v为应变波在材料中的传播速度，m/s;l为应变片栅长，m;［e］为测量允许相对误差，取0.5%。

结合微机处理能力和实验室汽车行驶速度，设定数据采集频率为800 Hz。

图4 惠斯登电桥Fig.4 Wheatstone Bridge

3 试验结果与分析

3.1 压实方式对电阻应变片存活率的影响

在不同的压实方式下，各个结构层电阻应变片的存活率如表1。

表1 电阻应变片存活率Table 1 Survival rate of resistance gauges

从表1可以看出，在静压情况下，采取有效的保护措施，即使在道路极其复杂的环境条件下，电阻应变片仍然有较理想的存活率，可以直接用于沥青路面结构动力响应的测试;而在强振作用下电阻应变片却极难存活。因此为保证存活率和压实度，施工时尽量使用大吨位压路机，采用静压或者弱振的方式作业。

3.2 应变测试结果与分析

在气温为30℃时，实测上面层层底的横向应变响应如图5，横向应变最大为37.6 με。

从图5可以看出，在移动荷载作用下沥青面层首先出现压应变，其次是拉应变，最后是压应变。拉压状态交替出现，如果受车辆荷载长期作用，路面不可避免地产生疲劳破坏。这种结果也与国内外同类试验得出的结论相吻合。

图5 横向应变时程Fig.5 The time course graph of lateral strain

3.3 实测应变最大值与数值计算对比

根据层状弹性体系，利用BISAR 3.0程序，荷载为动态应变测试时试验车重量，即8 t，根据现行规范［1］，轮胎接地面积取当量圆面积，直径 21.30 cm，采用表2的参数，计算图1所示结构，上面层层底的静态应变为44.13 με，大于实测上面层层底的横向应变最大值 37.6 με。

表2 结构参数Table 2 Survival rate of resistance gauges

在路面结构主要受动荷载作用情况下，层状弹性体系模型计算应变偏大，现行路面静态载荷设计模式不能真实反映移动荷载下路面结构的力学状态，因此，为真实反映路面结构应力应变状态，现行的路面结构设计方法需要从静态设计向动态设计转化。

4 结论

1)归纳了路用电阻应变片的选择标准。在道路工程试验中，电阻应变片敏感栅的尺寸按照以下3个原则选取:被测量材料的分布状态、测量范围和黏贴难易。在测量沥青路面动力响应时，路用电阻应变片栅长应在80 mm以上。

2)压路机压实方式对电阻应变片存活率有较大影响。在静压情况下，采取文中所示有效的保护措施，电阻应变片有较理想的存活率，可以直接用于沥青路面结构动力响应的测试，而在强振作用下电阻应变片却极难存活。

3)介绍通过惠斯登电桥，利用差动技术改善电阻应变片的稳定性、提高灵敏度的数据采集方法。同时，采集频率定为800 Hz。

4)在移动荷载作用下沥青面层交替出现拉压应变，这种重复作用不可避免地使路面出现疲劳破坏。

5)在路面结构主要受动荷载作用情况下，层状弹性体系模型计算应变比实测结果偏大，现行路面静态载荷设计模式不能真实反映移动荷载下路面结构的力学状态。因此，为真实反映路面结构应力应变状态，现行的路面结构设计方法需要从静态设计向动态设计转化。

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