1. 引言
路面作为交通运输的关键基础设施，其力学性能直接决定了道路的使用寿命和行车安全。随着经济的快速发展，交通流量持续增长，车辆荷载日益加重，对路面结构的力学性能提出了更高的要求。准确把握路面在车辆荷载作用下的力学响应，深入探究路面结构服役性能的变化规律，对于开发耐久长寿的沥青路面结构至关重要。传统的沥青路面力学分析方法，如有限元或离散元技术，虽然在建立路面仿真模型方面有广泛应用，但由于理论假设、计算过程以及模型简化等因素，无法真实还原道路结构的力学响应状态。传感器技术的发展为解决这一问题提供了新的途径，其具有高精度、抗干扰能力强以及可检测内部动力响应等显著优点，在路面力学性能研究中逐渐得到广泛应用[1]-[3]。
国外学者在现场动力响应实测研究方面开展较早。例如，在美国俄亥俄州路面结构中埋设了大量传感器元件，对不同温度状态下的沥青路面在车辆行驶下的动力响应特点进行了测试，并依据路面受力特点提出了耐久性结构和材料的设计方案[4]。Loulizi [5]等在路面内部埋设土压力计、应变传感器等，通过现场实测数据建立了不同车速和轴重下应力及应变响应变化规律，并探究了应变与温度之间的关系。在中国，对路面结构的现场测试起步相对较晚，测试元件主要为电阻式传感器和光纤光栅传感器[6]-[8]。杨永顺[9]在滨州长寿命沥青路面内部布设传感器，实测了荷载及环境作用下路面结构响应信息；董泽蛟[10]在基于光纤光栅传感器对车辆荷载作用下沥青路面结构动力响应进行了实测，针对动态加载时沥青面层层底的应变变化开展分析；陈少幸[11]等利用焊接式传感器和光纤式传感器对长寿命沥青路面动力响应进行了监测分析，验证了光纤光栅传感器对沥青路面动力响应监测的可行性。李科[12]采用轮胎橡胶作为光纤光栅传感器封装材料监测沥青混凝土应变，基于车辙试件的静载及动载试验监测沥青混凝土结构内部应变变化规律。赵延庆[13]针对重载交通路面在超载作用下的动力响应特性展开研究，采用室内足尺试验和数值模拟相结合的方法，分析了路面结构在不同超载工况下的力学响应规律。杨献章[14]研究了路面结构动力响应存在关联，证明在路面结构中不同层次的组合方式及性能影响着整体动力响应。张雨薇[15]聚焦道路结构动力响应和车载动力特性，对道路结构在动态车载作用下的力学响应进行了准确量化。但以往研究多针对半刚性基层，而组合式柔性基层为福建省典型结构，在福建建成里程约5000公里，约占福建省公路总里程的85%，但针对组合式柔性基层结构研究多为模型分析，尚未开展系统的实测荷载测试，缺乏实际路面环境和荷载下的路面真实数据。因此，本文依托福建省高速公路实体工程，分析组合式柔性基层沥青路面结构动力响应规律及影响因素，以期为该路面结构沥青路面结构动态响应研究奠定数据基础。
2. 试验段测试
2.1. 试验段结构方案
依托福建省某高速公路实体工程，选取福建省典型组合式柔性基层沥青路面为研究对象，从上至下为5层，结构组合形式为4.5 cm中粒式改性沥青混凝土抗滑表层(AC-16C) + 5.5 cm中粒式改性沥青混凝土下面层(AC-20C) + 16 cm粗粒式密集配沥青碎石上基层(ATB-25) + 18 cm级配碎石下基层 + 1 cm下封层 + 32 cm 3%水泥稳定碎石底基层，传感器的埋设位置示意图如图1所示，分别在AC-20C层底、ATB-25层底、级配碎石层底、水泥稳定碎石层底埋设应变传感器，以监测各层横向和纵向应变，并在AC-20C层底、ATB-25层底和水泥稳定碎石层底埋设竖向应变传感器，以监测各层竖向应变。传感器位于同一横断面上，埋设于车轮外侧轨迹线处，距道路边线45 cm。
Figure 1. Diagram of pavement structure and sensor layout
图1. 路面结构及传感器布置示意图
2.2. 沥青面层材料参数
试验路段沥青面层采用SBS I-D聚合物改性沥青，集料玄武岩5 mm~10 mm、10 mm~15 mm碎石，自加工石灰岩0 mm~3 mm机制砂、3 mm~5 mm碎石。
沥青面层为AC-16C和AC-20C沥青混凝土，配合比设计结果如下表1和表2：
Table 1. The gradation range of mineral aggregates for different asphalt mixtures
表1. 不同沥青混合料矿料级配范围
混合料类型 |
通过下列筛孔(mm)的百分率(%) |
19 |
16 |
13.2 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
1.18 |
0.6 |
0.3 |
0.15 |
0.075 |
AC-16C |
100 |
96.8 |
45.1 |
65.7 |
42.7 |
28.5 |
22.2 |
16.7 |
11.9 |
8.8 |
8.1 |
AC-20C |
100 |
94.4 |
86.6 |
80.4 |
66.8 |
41.2 |
22.8 |
13.9 |
7.7 |
6.7 |
4.7 |
Table 2. Marshall test results of asphalt mixture under the optimal asphalt-aggregate ratio
表2. 最佳油石比下沥青混合料马歇尔试验结果
混合料
类型 |
最佳油石比 (%) |
计算理论最大相对密度 |
毛体积相对密度 |
空隙率(%) |
矿料间隙率(%) |
有效沥青饱和度(%) |
稳定度(%) |
流值(%) |
AC-16C |
5.0 |
2.436 |
2.344 |
3.8 |
13.6 |
72.3 |
10.89 |
3.1 |
技术要求 |
/ |
/ |
/ |
3~5 |
≥13.5 |
65~75 |
≥8 |
2~4 |
AC-20C |
4.5 |
2.553 |
2.452 |
4 |
13.2 |
70 |
14.16 |
3.62 |
技术要求 |
/ |
/ |
/ |
3~5 |
≥13 |
65~75 |
≥8 |
1.5~4 |
2.3. 传感器种类
(1) 沥青应变计
沥青应变计采用某公司生产的DTC-100AS沥青应变传感器，采集频率为2000 Hz。其结构包含两个法兰，在这两个法兰上安装螺纹钢筋支腿，保证传感器在沥青路面材料中固定牢固。耐碾压、利于观测点位置固定及沥青材料握裹结合。在AC-20C、ATB-25层分别埋设4个沥青应变计，横向、纵向各布置2个。表面层AC-16C因离表面太近，在车辆荷载作用下容易发生损坏，故本次试验段未在表面层埋设传感器。
(2) 混凝土应变计
采用DTC-100B混凝土应变计动态测量水泥稳定碎石层与级配碎石层的应变情况，采集频率为2000 Hz。测量电路采用惠斯通全桥电路，利用与形变体同步变形的弹性材料引起的电阻变化计算形变体的变形量。各结构层布置4个混凝土应变计，横向、纵向各布置2个。
(3) 竖向应变计
在沥青层与基层中埋设DTC-50F竖向应变计，可实现在动态条件下高频测量柔性路面的轴向应变，具有低模量和结构坚固的特点，能够承受在沥青铺设时所必然产生的高温、振动及碾压，采集频率为2000 Hz。
2.4. 车辆加载方案
Table 3. Vehicle loading scheme
表3. 车辆加载方案
试验方案序号 |
自变量 |
车辆总重/t |
前轮轴重/t |
后轮轴重/t |
速度/km/h |
1 |
速度 |
15 |
5 |
10 |
10 |
2 |
30 |
3 |
50 |
4 |
70 |
5 |
90 |
6 |
速度 |
10 |
3 |
7 |
30 |
7 |
15 |
5 |
10 |
8 |
20 |
7 |
13 |
为了测试沥青路面各结构层应变响应规律，本文选取单后轴双轮组标准车作为测试车辆，测试车辆的右轮于传感器正上方匀速行驶，测试期间的气温保持在23℃~26℃，因此未考虑温度变化对应变数据的影响，为测试提供了相对稳定的外部条件。测试车辆分别以不同速度、不同载重的条件驶过传感器，各方案的具体参数值如表3所示，试验方案1~5的自变量为速度，车辆分别以10 km/h、30 km/h、40 km/h、70 km/h、90 km/h的速度通过传感器正上方，试验方案6~8的自变量为载重，车辆总重分别为10 t、15 t、20 t，以30 km/h的速度通过传感器正上方，每种方案加载3次，取其动态响应结果的平均值作为试验结果。
3. 实车荷载下路面动态响应特征分析
通过对路面进行实车荷载测试，采集各个结构层内传感器数据，分析路面结构内部动力响应情况，研究组合式柔性基层路面结构内部的应变在实际车辆荷载作用下时间和空间变化规律。
3.1. 车速对各结构层动态响应的影响
3.1.1. AC-20C层底应变分析
AC-20C沥青层底在不同速度下的应变情况如图2~4所示。随着车速的增加，车辆荷载作用时间缩短，导致横向应变、纵向应变和竖向应变均有不同程度的减小，同时应变产生到恢复的时间也相应变短。30 km/h时产生的横向应变、纵向应变和竖向应变的极大值分别是90 km/h的1.35倍、1.29倍和1.28倍，而30 km/h时的横向、纵向和竖向的响应时间分别是90 km/h的1.8倍、2.6倍和3.0倍。从力学原理角度分析，车速提高时，车辆与路面之间的冲击力作用时间变短，路面材料来不及充分变形，应变值相应降低。
当车速在30 km/h以下时，横向应变存在拉压交替变化情况，在监测点位于车辆前后轴之间时，横向应变出现由压变拉再变压的现象。当车速提升至30 km/h以上时，产生的横向应变均为压应变。纵向应变的变化幅度明显大于横向应变，且始终存在拉–压交替的变化状态，拉应变极值明显小于压应变极值，这是因为纵向方向上车辆荷载的传递更为直接，路面结构在纵向方向上的连续性使得纵向应变更容易累积。
如图4所示，车辆荷载在垂直方向上产生的应变主要为压应变，但当车辆驶向传感器时，会产生一个微小的拉应变，且行驶速度越快，产生的拉应变越小。总体来看，竖向应变的变化趋势呈现先拉后压的规律，当车辆驶向传感器位置时，竖向应变曲线表现为受拉，当车辆后轴驶至传感器上方时，竖向应变出现极值。之后车辆驶离传感器，应变曲线逐渐恢复至零，但存在一定的残余变形，这是由于沥青混合料具有黏弹性特征。车速越慢，残余变形越大，因此车辆在低速行驶状态下对路面结构造成的不利影响更大。
Figure 2. Time-history curve of transverse strain of AC-20C layer
图2. AC-20C层横向应变时程曲线
Figure 3. Time-history curve of longitudinal strain of AC-20C layer
图3. AC-20C层纵向应变时程曲线
Figure 4. Time-history curve of vertical strain of AC-20C layer
图4. AC-20C层竖向应变时程曲线
3.1.2. ATB-25层底应变分析
如图5~7所示，与AC-20C层底水平应变相比，ATB-25层底水平应变以拉应变为主，应变幅度和响应时间随车速增加而降低，30 km/h时产生的横向应变和纵向应变的极大值分别是90 km/h的1.35倍和1.32倍，而响应时间分别是90 km/h的2.5倍和2.6倍。横向应变和纵向应变的变化趋势基本相似，但横向应变的极值普遍小于纵向应变，且横向应变曲线中均为拉应变，纵向应变存在拉–压–拉的变化规律，拉应变的极值远大于压应变。产生差异的原因为车辆荷载传递路径差异，车辆行驶时，纵向是荷载传递的主要方向，路面结构在纵向具有较好的连续性，使得纵向应变更易累积。相比之下，横向方向荷载传递会受到路面结构横向分布特性的影响，如集料分布、层间结合等，其传递不如纵向直接，导致横向应变极值普遍小于纵向应变。横向由于侧向约束和材料特性，应变变化相对单一。而纵向方向上，路面结构受车辆行驶的直接作用，前后轮荷载的影响连贯，在车轮经过时，结构先受拉、再受压、后又受拉，形成拉–压–拉的变化规律。而横向方向上，路面结构两侧存在一定的侧向约束，限制了横向变形的发展，使得横向应变更倾向于拉应变，且极值相对较小。
Figure 5. Time-history curve of transverse strain of ATB-25 layer
图5. ATB-25层横向应变时程曲线
Figure 6. Time-history curve of longitudinal strain of ATB-25 layer
图6. ATB-25层纵向应变时程曲线
Figure 7. Time-history curve of vertical strain of ATB-25 layer
图7. ATB-25层竖向应变时程曲线
ATB-25层底竖向应变的变化规律与AC-20C层底相似，均为先拉–后压的变化形式，随着车速的增加，竖向拉应变的极值和响应时间呈明显下降趋势，30 km/h时产生的竖向应变的极大值是90 km/h的1.18倍，而响应时间是90 km/h的2.1倍。
3.1.3. 级配碎石层底应变分析
如图8、图9所示，级配碎石底部水平方向的应变极值与其他层位变化趋势一致，随着车速增加而降低，但应变响应幅度明显小于沥青层，从材料特性角度来看，级配碎石材料具有较好的颗粒级配和压实性能，在车辆荷载作用下，其变形能力相对较弱，底部的拉压应变都不明显，应变值随车速变化的幅度相对较小，证明级配碎石层拥有良好的应力消散作用，可作为良好的应力过渡层。
Figure 8. Time-history curve of transverse strain of graded crushed stone layer
图8. 级配碎石层横向应变时程曲线
Figure 9. Time-history curve of longitudinal strain of graded crushed stone layer
图9. 级配碎石层纵向应变时程曲线
3.1.4. 水泥稳定碎石层底部应变分析
如图10~12所示，水泥稳定碎石层底部的水平应变和竖向应变层的时程曲线与其他层位的变化规律基本相似，应变极值和响应时间均随车速增加而降低。这表明车速对基层应变的影响具有一致性。从材料力学角度来看，虽然层位较低，但水稳碎石基层具有较高的强度和刚度，对应力应变比较敏感，主要变形的形式为拉伸变形，且纵向的敏感性明显大于横向。
Figure 10. Time-history curve of transverse strain of cement stabilized macadam layer
图10. 水泥稳定碎石层横向应变时程曲线
Figure 11. Time-history curve of longitudinal strain of cement stabilized macadam layer
图11. 水泥稳定碎石层纵向应变时程曲线
Figure 12. Time-history curve of vertical strain of cement stabilized macadam layer
图12. 水泥稳定碎石层竖向应变时程曲线
3.2. 深度对各结构层动态响应的影响
以30 km/h为例，分析各项响应与深度的关系，横向应变、纵向应变与竖向应变的变化规律如图13~15所示。
横向应变极大值出现在AC-20C层底，随着深度的增加，应变逐渐减小，这是因为深层结构受到的荷载传递相对较弱，同时受到周围材料的约束更强。拉应变最大值出现在基层底部，是由于基层底部距离路面荷载作用中心较远，受到的约束相对较小，更容易产生拉伸变形。
Figure 13. Time-history curves of transverse strain of each structural layer at different depths
图13. 不同深度下各结构层横向应变时程曲线
Figure 14. Time-history curves of longitudinal strain of each structural layer at different depths
图14. 不同深度下各结构层纵向应变时程曲线
竖向应变在深度方向上主要取决于车辆荷载的垂直传递。AC-20C层底的竖向压应变最大，因为车辆荷载首先作用于上层结构，使其承受较大的垂直压力。随着深度的增加，竖向压应变呈逐渐减小趋势。AC-20C层的最大压应变分别是ATB-25层和水泥稳定碎石层的1.29倍和1.73倍。
Figure 15. Time-history curves of l vertical strain of each structural layer at different depths
图15. 不同深度下各结构层竖向应变时程曲线
3.3. 力学响应与轴重关系
以AC-20C沥青层底部三向应变为例，分析不同轴重对路面结构力学响应的影响，如图16~18所示。当车辆以相同的行驶车速30 km/h通过测试路段时，三向应变响应的极值随着轴重的增加而增加，这是因为轴重越大，车辆对路面施加的总荷载就越大，使得路面受力更加显著，从而引起应变增大。
因此，路面超载行为必须严格控制，以避免路面过早损坏，延长路面的使用寿命。同时，在路面设计和施工过程中，应充分考虑轴重对路面力学响应的影响，合理选择路面材料和结构设计参数，以确保路面能够承受预期的车辆荷载。
Figure 16. Time-history curves of transverse strain of AC-20C layer under different axle loads
图16. 不同轴重下AC-20C层横向应变时程曲线
Figure 17. Time-history curves of longitudinal strain of AC-20C layer under different axle loads
图17. 不同轴重下AC-20C层纵向应变时程曲线
Figure 18. Time-history curves of vertical strain of AC-20C layer under different axle loads
图18. 不同轴重下AC-20C层竖向应变时程曲线
4. 结论
(1) 车速对各结构层动态响应有显著影响。随着车速增加，各结构层的横向应变、纵向应变和竖向应变均不同程度减小。
(2) 深度对各结构层动态响应也有重要影响。横向应变和纵向应变在不同深度处变化规律相似，压应变最大值出现在AC-20C层底，拉应变最大值出现在水泥稳碎石基层底部。竖向应变主要取决于车辆荷载的垂直传递，距离地表最近的AC-20C层底竖向压应变最大。而级配碎石层具有良好的应力消散作用，应变响应幅度明显小于其他结构层。
(3) 结构层各项应变对轴重的变化由较强的敏感性，轴重越大引起的应变响应就越大，因此，需对路面超载行为严格控制，延长路面的使用寿命。同时，在路面设计和施工过程中，应充分考虑轴重对路面力学响应的影响，合理选择结构设计参数。