肖 川,邱延峻

(1.四川建筑职业技术学院交通与市政工程系,四川德阳 618000; 2.西南交通大学道路工程四川省重点实验室,四川成都 610031)

胎压对半刚性沥青路面实测动应变的影响

肖 川1,2,邱延峻2

(1.四川建筑职业技术学院交通与市政工程系,四川德阳 618000; 2.西南交通大学道路工程四川省重点实验室,四川成都 610031)

依托现场试验路开展车辆加载试验,通过预先埋设面层底部应变传感器,研究在不同胎压的工况下半刚性基层沥青路面的实测动态应变响应规律.研究结果表明:当轴重一定时,车轮胎压增加,胎面接地面积减小,静载模式下的平均接地应力增大;当车辆超载运行时,车胎超压所产生的应变响应明显大于常压工况;在车轮动态荷载作用下,超压胎压对面层底部应变的影响作用明显大于静态荷载.

道路工程;半刚性沥青路面;动态应变;胎压

0 引 言

在公路建设迅猛发展的过程中,高速沥青路面实际使用寿命不足、早期病害严重成为亟待解决的问题.其中,车辆超载严重是导致这些问题出现的关键因素之一[1].传统意义的车辆超载主要是指车辆的轴重高于额定荷载要求[2-5],而胡小弟等[6]通过研究提出,车辆的超载不应仅仅局限于载荷超额,还应考虑车轮的胎压是否超限.据调查,中国大量载重货车均在大于额定胎压(0.7 MPa)的工况下行驶,其中有高达49%的货车胎压超过1.1 MPa[7].胎压对于路面力学响应的影响,引起了更为广泛的关注:文献[8]基于实测轮胎接地压力分布,进行了不同胎压条件下沥青路面结构层内的力学响应分析;文献[9]、[10]利用车辆动力学模型,研究了胎压对车辆动荷载及路面动力响应的影响.但以上研究的结论主要通过理论方法获得,其过程存在较多不确定性因素.文献[11]通过试验研究,确定了轮胎接地压力与荷载、胎压之间的关系,但并未对路面的实际动力响应展开研究.

鉴于此,本文选取半刚性基层沥青路面作为研究对象,以实体工程为依托,开展不同胎压工况下的车辆加载试验,研究胎压变化对于面层底部动态应变响应的影响,以期为更加全面地阐明沥青路面早期病害机理提供参考.

1 现场测试方案

1．1 试验路概况

试验路位于四川省成德南(成都－德阳－南部)高速公路K170＋018～K170＋318段,双向四车道,路基宽度为24.5 m,总长度为300 m,采用半刚性基层,路面结构及材料自上而下为:上面层4 cm (SMA-13)、中面层6 cm(AC-20)、下面层8 cm(AC-25)、基层25 cm(水泥稳定碎石)、底基层25 cm(水泥稳定碎石)、土基.为避免构造物的干扰及回填土基差异的影响,保证测试断面具有代表性,现场测试断面设置于土基连续填筑路段.

1．2 应变传感器类型及布设

传感器性能的优劣对于能否准确获取路面真实动力响应规律至关重要.根据传感器的不同工作原理,应用于工程试验的测试元件分为电阻式、电容式、光纤光栅式、激光式以及振弦式等多种类型[12].本次试验前综合考虑测试精度、数据稳定性以及传感器自身材料与沥青路面间的协调变形能力,最终决定采用美国AGI(Applied Geomechanics Inc．)公司生产的沥青应变计(Asphalt Strain Gage,简称ASG)开展现场实测.应变传感器的主要技术参数见表1.

表1 ASG技术参数

ASG传感器主体由两端的铝杆与中心尼龙棒呈“H”形连接,核心测试元件由防水保护膜包裹于尼龙棒中间位置,如图1(a)所示.传感器埋设于沥青面层底部,其平面位置位于车辆主行车道的左侧轮迹带,分别沿车辆行驶方向(纵向)及垂直于行车方向(横向)布设,以测试行车荷载作用下面层层底的纵向及横向受力.考虑到实际行车过程中不可避免的行车路线偏差,将传感器沿行车方向平行布设2排,如图1(b)所示.

图1 沥青应变计尺寸及布设方案

本次现场实测所采用的应变传感器均由生产厂家AGI公司进行统一标定,并提供详细的校准报告.在进行沥青应变仪现场安装之前,为确保沥青应变仪的正常运行,进行了包括电阻值及拉、压应变状态方面的测试.

(1)电阻值测试.利用数字万用表测量应变传感器的电阻参数,检验其是否满足350Ω惠斯通电桥的基本物理性质.

(2)拉、压应变状态验证.将应变传感器与数据采集系统连接,分别对传感器施加水平拉伸或压缩荷载作用,观察应变响应输出信号:在拉力作用下输出信号呈正向波形,在压力作用下输出信号呈负向波形,即表明该传感器具备正常响应;若在受力时无任何信号,或信号与拉、压荷载作用无法正常匹配,则表明该传感器不合格.

通过验证,应用于现场实测试验的各传感器工作正常.

1．3 胎压设置

根据重载货车的常用车型,本次试验选取单后轴货车和双后轴货车2类典型大型货车进行现场加载,具体车型及尺寸如图2所示.在中国实际交通运输中,车辆的超载现象十分普遍,在超载状态下为保持车胎的原有形状,重型车辆的胎压通常长期处于大于1.1 MPa的高压状态.为了对比分析沥青路面结构在标准胎压及超压胎压条件下的动态响应,在车轮胎压为0．7 MPa(常压)和1．3 MPa(高压)两种工况下分别开展现场加载试验,采集沥青面层底部的实测动态应变响应数据.

图2 加载车型

2 现场加载试验

为确保现场试验安全进行,提高实测工作效率,在加载试验开始前首先对测试区域实行半幅道路封闭管制,测试区由加速区、检测区、缓冲区3段组成,如图3所示.

图3 现场交通组织

与轨道荷载不同,在高速公路上,行车荷载每一次的加载位置在轮迹范围内都会存在偏差.为了尽量减小行车荷载的加载位置偏差对实测结果的影响,本次测试考虑路面使用过程的不利状态,同一试验开展3次加载,以其中最大响应量所对应的测试结果(应变响应波形曲线、峰值)来评价路面结构的动力特性.

3 测试结果分析

3．1 车胎接地面积测量结果

为测量车胎的轮压面积,首先用千斤顶将车轮顶离地面,然后在车轮正下方的平整地面上,自下而上分别铺1张毫米方格纸和1张新的复写纸,最后使车轮荷载完整地作用在复写纸上,在方格纸上得到不同轴载质量及胎压条件下车轮实际的轮压面积.不同工况的试验结果如图4所示.

由图4可直观看出,车轮接地面积随车辆轴载质量和车轮胎压的变化而变化.当胎压不变时,轮胎接地面积随轴重的增加逐渐增大;在轴重一定时,随着胎压的增加,轮胎的自身刚度有所增大,表现为在相同荷载下的有效轮压面积随之减小.

图4 车轮实际接地印痕

图4 所示车胎轮印呈4条平行带状分布,4条带状印痕的总面积即为轮胎与路面相互作用的有效接地面积.不同胎压及轴载条件下的车胎有效面积及平均轮压应力如表2所示.

表2 车胎有效面积及平均接地压力

由表2可知以下几点.

(1)当胎压保持不变(0.7 MPa)时,随着单轮轴载质量由2 500 kg增至4 500 kg,车胎的有效轮压面积增大了36．1%.但就车胎对于路面的平均接地应力而言,当胎压一定时,随着车辆荷载的增加,路面在单位接地面积上承受的车胎平均荷载力逐渐增大.同样以0．7 MPa胎压为例,单轮轴载质量由2 500 kg增至4 500 kg,平均接地应力增大了32.3%.

(2)轴重一定时,随着车轮胎压增加,车胎自身刚度增大,胎面接地面积减小,其平均接地应力增大.当单轮荷载质量为2 500 kg时,胎压由0.7 MPa提高到1.3 MPa,其胎面有效面积减小了28.7%,平均接地应力增加了40.3%.

3．2 胎压对动态应变响应的影响

本次试验结果表明,在相同工况下,面层底纵向应变均大于横向应变,即沥青路面在各向弯拉应变响应上呈现差异性,由此推断沥青面层容易首先出现由纵向应变引起的横向疲劳开裂.考虑路面不利受力状态,本次研究在进行面层底动态应变响应评价分析时,选取纵向最大应变响应量为研究对象.

图5、6为2种加载车型在不同轴载质量及车速条件下,胎压对沥青面层层底动态应变响应影响的实测结果.

图5 单后轴车型胎压对面层底动态应变的影响

分析图5、6后发现以下几点.

(1)随着车辆轴重的增加,面层底动态应变响应显著增大,但随着行车速度的增加,应变响应逐渐减小.胎压对于应变响应的影响与轴载水平有关:当2种车型的轴载水平分别为10 t(单后轴)和18 t(双后轴)时,胎压变化对于应变响应量的影响不显著;当单后轴与双后轴轴重分别超载至18 t和34 t时,车胎超压荷载所产生的面层层底应变明显大于常压工况.就行车动荷载作用来看(车速为20～60 km·h－1),当单后轴轴载质量为10 t、双后轴为18 t时,胎压增大所产生的应变增长幅度范围分别为2.3%～9.7%和2.3%～9.2%;而当车辆超载(单后轴18 t、双后轴34 t)时,因胎压变化所产生的应变增长幅度随之显著增加,分别提高至12.5%～23.8%和11.1%～25．3%.出现该现象的原因可能在于:车轮胎压的增加提高了轮胎的自身刚度,在刚度较大的情况下,车轮将对路面产生更大的接地应力及冲击荷载,进而使得路面动力响应量增大.

图6 双后轴车型胎压对面层底动态应变的影响

(2)在车辆静载与动载2种不同模式下,胎压的影响作用表现出不同特性.当车辆驻停对路面施加静态荷载,且2种车型的轴载水平分别为18 t(单后轴)和34 t(双后轴)时,车轮胎压处于1.3 MPa超压状态所产生的面层底应变响应量相比常压工况分别提高了6.8%(单后轴)和27.2%(双后轴).而对于行车动荷载而言,以时速60 km为例,同样当2种车型的轴载水平分别为18 t(单后轴)和34 t(双后轴)时,车胎超压时的面层底应变响应量相比常压工况分别提高了18．2%(单后轴)和21．4%(双后轴).以上结果表明,就车轮胎压变化对路面应变响应的影响而言,动态荷载模式明显大于静态荷载.由此可推测,因车胎超压所引起的应变响应增大,主要是由于超压增大了车胎自身刚度而使车轮对于路面的附加振动冲击效应增大,进一步引起路面产生更大的应变响应.因此,对于高速行驶的车辆而言,虽然车速增加会在一定程度上减小路面应变响应,但仍不可忽略其车胎超压对于路面使用性能所产生的不利影响.

在行车荷载作用下,车辆超载及车轮超压均能引起路面应变增大,对于二者的叠加效应进行对比分析,结果如图7所示.

图7 超压与超载的叠加效应分析

由图7可以看出以下几点.

(1)分别以单后轴车辆(轴载质量10 t,胎压0.7 MPa)、双后轴车辆(轴载质量18 t,胎压0.7 MPa)作为标准轴载-额定胎压工况,以单后轴车辆(轴载质量18 t,胎压1．3 MPa)、双后轴车辆(轴载质量34 t,胎压1.3 MPa)作为超载-超压工况.以60 km·h－1车速为例,对于单后轴荷载,超载-超压工况下的面层底纵向应变增加至常规轴载-额定胎压工况的2．2倍;双后轴荷载下,面层底纵向应变增至2．1倍.路面结构在超载-超压工况下的应变响应较标准轴载-额定胎压工况显著增大.

(2)当以轴重及胎压为变化因素时,超载及超压作用分别使应变响应量较标准轴载-额定胎压工况提高了0．9、13．7με(单后轴)和0．1、13．6με(双后轴);而考虑二者的综合作用,超载-超压工况下的应变值比常规轴载-额定胎压工况提高了19．3με(单后轴)和20．4με(双后轴),表明车辆超载与车胎超压综合作用对于路面应变的影响不仅仅是二者影响作用的简单叠加.

4 结 语

通过本文的研究与分析,可得出以下结论.

(1)当胎压一定时,随着轴重增加,车胎有效接地面积虽有所增加,但单位接地面积上受承受的平均荷载力增大;当轴重一定,车轮胎压增加,胎面接地面积减小,其平均接地应力增大.

(2)胎压对于层底应变响应的影响作用与轴载水平有关,轴重水平较低时,胎压的影响作用不显著,而在车辆超载条件下,车胎超压荷载所产生的面层层底应变明显大于常压工况.

(3)在动、静荷载模式下,胎压变化的影响作用不同,动荷载作用下由车胎超压所引起的路面应变响应大于静态荷载模式.

(4)在超载-超压工况下,路面应变响应较标准轴载、额定胎压工况显著增大,车辆超载与车胎超压综合效应对于路面应变的影响不仅仅是超载、超压影响作用的简单叠加.为保证沥青路面的使用寿命,在限制车辆超载的同时应对高速行驶车辆的胎压予以严格控制.

[1] 陈荫三．运用经济杠杆长效治理超载超限运输[J]．中国公路学报,2004,17(2):94-99．

[2] 陈荫三,李 彬,肖润谋．2010年中国高速公路网运输状态[J]．交通运输工程学报,2011,11(6):68-73．

[3] 胡小弟．轮胎接地压力分布实测及沥青路面力学响应分析[D]．上海:同济大学,2003．

[4] 刘 儒,周丽涛．机动车超载行为的博弈分析及治理措施[J]．长安大学学报:社会科学版,2005,7(3):9-11,19．

[5] 黄文元,王旭东,刘瀚飚,等．公路货运超载运输现状及对策的建议[J]．公路交通科技,2003,20(2):148-152．

[6] 胡小弟,孙立军．沥青路面车辆超载定义分析[J]．同济大学学报:自然科学版,2007,35(12):1612-1616．

[7] 董忠红,闫卫红,吕彭民,等．轴重和胎压对车轮动荷载的影响[J]．公路交通科技,2009,26(3):27-32．

[8] 董忠红,吕彭民,徐全亮．轴重与胎压对半刚性基层沥青路面动力响应影响理论研究[J]．公路交通科技,2008,25(7):1-7．

[9] 周 刚,周进川,邓 敏,等．轮胎接地压力试验研究[J]．公路交通科技:应用技术版,2008(S1):358-361．

[10] 田庚亮,董泽蛟,胡庆立,等．光纤光栅传感器与沥青混合料协同变形分析[J]．哈尔滨工业大学学报,2009,41(5):73-76．

[11] 陈常松,颜东煌,陈政清,等．混凝土振弦式应变计测试技术研究[J]．中国公路学报,2004,17(1):29-33．

[12] 肖 川,邱延峻,黄 兵．基于车辆加载试验的沥青路面动力响应分析[J]．公路交通科技,2014,31(12):12-19．

[责任编辑:高 甜]

Effect of Tire Pressure on Measured Dynamic Strain of Semi-rigid Asphalt Pavement

XIAO Chuan1,2,QIU Yan-jun2
(1．Department of Transportation and Municipal Engineering,Sichuan College of Architectural Technology, Deyang 618000,Sichuan,China;2．Key Laboratory of Road Engineering of Sichuan Province, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,Sichuan,China)

Based on the field test of vehicle loading,the dynamic strain response of the semi-rigid asphalt pavement under different tire pressure conditions was studied by pre-embedding the bottom strain sensor．The results show that when the axle load is constant,the tire pressure increases and the contact area decreases,the average ground stress increases in static load mode; when the vehicle is overloaded,the strain response generated by the overpressure was significantly greater than that under the atmospheric pressure conditions;under the dynamic load of the wheel,the effect of the overpressure on the bottom strain of the surface course is obviously greater than the static load．

road engineering;semi-rigid asphalt pavement;dynamic strain;tire pressure

U416.217

B

1000-033X(2017)05-0059-05

2016-12-10

国家自然科学基金项目(51378438);四川省教育厅科研项目(16ZB0513);四川建筑职业技术学院科研项目(2016KJ01)

肖 川(1984-),男,湖南湘潭人,博士,讲师,研究方向为路面动力行为及结构设计.