张 权， 张庆宇， 王志斌， 邱文利， 何兆益

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2.河北雄安京德高速公路有限公司，河北 保定 071700)

0 引 言

永久性沥青路面设计理念是指所设计路面能使用40年以上且服役期间不需要结构性大修，通过合理的结构设计能降低传统结构的疲劳开裂和沥青层永久变形，将路面损坏限制在面层[1]。因此，实现永久路面结构服役目标的设计关键在于合理确定路面结构的动力响应[2]。采用静载代替车辆动载的传统路面结构力学分析不能真实反映路面结构在实际工况耦合下的受力状态[3]。为了合理确定当前施工水平下永久路面结构在实际车辆荷载下的动力响应。

光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感器可以实现多参量、多点监测且具有较高的灵敏度，逐渐应用于道路结构响应监测[4～6]。谭忆秋等人[7,8]利用FBG研究了路面车辙病害和协同变形并论证了FBG传感器监测道路结构响应的可行性。张静等人[9]采用FBG技术研究了半刚性基层底的应变响应与荷载和车速的演变规律。

结合FBG传感器相关性高、变形协调性好的特点[4]。本文尝试开展基于FBG传感器的永久路面结构面层、基层和路基的全断面动力响应实际工程现场应用测试。为了掌握永久路面结构沥青混合料面层、水泥稳定碎石基层和无机结合料稳定土路基在车辆荷载下的实际力学响应，本文依托河北京德高速实验路，分析了FBG传感器在三种筑路材料施工工况下的存活率和协同变形特性，利用FBG应变传感器和土压力传感器测试了半刚性基层永久性沥青路面结构在动载下的力学响应规律，为FBG传感器在道路施工监测中的应用和路面结构动静态力学响应分析提供依据。

1 FBG传感器监测原理

FBG传感器一般分为温度传感器、压力传感和应变传感器，其监测原理是在结构层特定位置埋入FBG传感器，结构受力后引起传感器挤压、拉伸进而改变纤芯折射率，使得由FBG解调仪发出的光信号波一部分从光栅中透射出去，另一部分沿着光纤继续传播，从而将结构应力—应变和温度等监测变量转化波长信号[10]。由耦合模理论可知，光栅的谐振波长λb主要受光栅周期Λ和光纤纤芯传播模式有效折射率neff影响，其数学表达式为式(1)[11]

λb=2neffΛ

(1)

当FBG温度和应力发生变化时，引起FBG谐振波长的偏移量数学表达式为式(2)

[α+ξ]ΔT)

(2)

式中ε和ΔT分别为应变和温度的变化，Pij为光纤材料的弹光张量分量，α为光纤材料热膨胀系数，ξ为光纤材料热光系数，ν为光纤材料的泊松比。

2 试验路概况与传感器布设

2.1 路面结构与监测方案

以新建项目京德高速为依托，该永久路面结构为：4 cm橡胶沥青混凝土(ARHM—13)+8 cm橡胶沥青混凝土(ARHM—20)+12 cm橡胶沥青混凝(ARHM—25)+三层18 cm水泥稳定碎石，路面总厚度78 cm。路基主要为水泥或石灰稳定土。结合《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)指标，试验段主要监测路面各结构层沿着行车方向的竖向应变和垂直行车方向的横向应变以及路床顶面土压力和路基温湿度情况。为了减少监测误差，各传感器采用分层直接埋入的方式置于各结构层底部，纵断面上为防止各层传感器的植入造成结构层混合料模量变化叠加，传感器埋设宜交替埋设。考虑路面结构各层施工厚度、碾压工艺以及面层沥青混合料高温环境的影响，为了确保成活并取得预期监测的效果，该试验段布设两个断面，路面结构示意图及其中1个断面的传感器纵断面布置方案如图1所示。

图1 路面结构示意图及传感器纵断面布置方案

平面布置时，考虑沥青混合料摊铺温度较高以及碾压时厚度较薄对传感器成活的影响，中面层和下面层分别布设2个轮迹带，增大埋设数量。其中，考虑厚度影响和路面结构安全上面层只在应急车道布设温度传感器。中、下面层传感器平面布置方案如图2所示。水泥稳定碎石基层厚度较大、摊铺没有高温影响且该纵断面上层位较低，采用单串形式埋设于右侧轮迹带上，光缆采用间断性穿聚氯乙烯(poly vinyl chloride,PVC)管保护以降低混合料压实对光缆的不利影响。

图2 中、下面层传感器平面布置方案

2.2 传感器现场布设工艺

埋设过程中，结合路面横断面设计图利用GPS定位系统预先测定试验段埋设点位。路基土压力传感器、温度传感器和湿度感器分别采用挖坑法埋设于路床顶面10cm和20cm深度位置，埋设完毕后用钢轮压路机压实并恢复路床原状。压力传感器和温湿度传感器埋设过程如图3所示。

图3 路基传感器埋设示意

水稳层和面层埋设时，结合施工摊铺进度提前在GPS点位上做好标记，并将应变传感器按布设方案沿行车方向布设竖向应变传感器、沿水平面垂直行车方向布设横向应变传感器，传感器布设完成后，通过覆盖一层混合料将传感器进行固定，覆盖时需要人工对传感器附近的粗料进行剔除并用细集料将传感器充分覆盖并预埋，然后摊铺机正常摊铺施工，待摊铺完成后即可正常开展压实工艺。水稳层、面层的横、纵向应变传感器和温度传感器埋设过程如图4所示。

图4 水稳层、面层传感器埋设示意

3 永久路面结构力学响应测试与分析

3.1 成活率检测

已有研究多在室内和试验场进行测试分析，实际工程现场的应用成活率鲜有报道[6,10]。道路现场施工机械碾压应力大，埋设过程不仅受摊铺及运料机械的干扰，面层传感器还受沥青混合料摊铺的高温影响。因此，传感器室外应用成活率是决定监测成效的关键，本实验以成活率指标(各层成活串数比上各层总埋设串数)来分析传感器的成活情况，结果表明：室外工况下FBG传感器成活率较低。其中，基层和路基的传感器成活率高于面层，说明室外沥青混合料的高温施工环境对传感器成活具有不利影响，对基层传感器光缆穿PVC管保护的措施有助于提高传感器的成活率。统计各层成活率如图5所示。

图5 传感器成活率统计

3.2 测试方案

3.2.1 车辆轴型和轴重的选择

为了研究轴载和轴型对永久路面结构动态响应作用规律，选择单轴双轮组、并装双轴和并装三轴加载车三种轴型进行研究，单轴双轮组两轴加载车后轴配重10 T、并装双轴三轴加载车后轴分别配重14 T和1 T、并装三轴的六轴加载车后轴配重22 T。每级荷载配重通过地磅称重校核，精确在100 kg以内。

3.2.2 车辆速度控制

测试类型分为静载测试和动载测试，每次测试均重复4次。静载测试时，各级荷载加载车沿着轮迹带标线位置以5 km/h速度缓慢匀速移动模拟静载测试，监测轮中心压过传感器上方时结构的应变。动载测试时，单轴和并装双轴的加载车沿着轮迹带标线位置以10,20,30,40,50 km/h速度匀速压过传感器，并装三轴加载车以10,20,30 km/h速度匀速压过传感器，分别测试路面结构的应变响应。

3.3 压实均匀性分析

随着碾压次数增加，混合料逐渐被压实，弹性模量逐渐增大，传感器会出现反复碾压累积变形，混合料变硬后累积变形可以反映在传感器上，在一定压实度下路面各层底的响应是稳定的[7]。因此，可以利用多组FBG监测不同位置处结构层底的横向应变和纵向应变响应以评价各层底横向和纵向的压实均匀性。结合成活传感器的各点监测数据，碾压结束后路面结构的中面层、上基层、下基层和底基层传感器累计变形统计分析如图6所示。

图6 结构层底横向、纵向累计变形

结果表明，水泥稳定碎石基层碾压后，各层底横向累计应变大于纵向累计应变，横向累计应变变异系数大于纵向累计应变的变异系数。结构层位越高，横向和纵向累计应变越小，说明前期施工结束的水稳基层硬化后，具备一定的抗变形和应力扩散作用，有利于提高后面基层施工碾压均匀性。结合面层成活传感器取得数据可知：中面层底横向累计应变均值小于纵向累计应变均值，说明碾压中沥青混合料产生的纵向应变较大。

3.4 路面结构响应分析

3.4.1 理论应变与实测应变的对比分析

利用Bisar 3.0软件计算标准轴载下路面设计结构轮中心各层横向应变和竖向应变作为静态理论值，将后轴重10 T的加载车在5 km/h速度下FBG现场实测值视为静载的测试值，对比理论应变与实测应变分析结果如图7所示。

图7 应变实测值与理论值

由图7可知，实测条件下各结构层沿行车方向的竖向拉应变均大于垂直行车方向的横向拉应变。中面层、上基层和下基层的横向和竖向实测应变峰值均大于理论值。其中，中面层竖向、横向应变和上基层横向应变的实测值与理论计算相差较大，底基层横向和竖向实测应变值均小于实测值。行车方向最大拉应变位置出现在面层。由此可知：各结构层现场测试值与理论计算值存在一定误差，但其演变趋势具有一定吻合性。标准轴载作用下永久路面结构能有效控制结构层力学响应，通过合理提高面层厚度和利用水泥稳定碎石基层良好的应力扩散作用能减小轮中心位置底基层底应变。

3.4.2 面层和基层动应变响应分析

选取单轴双轮组两轴加载车和并装双轴的三轴加载车两种车型，分别以10 km/h和30 km/h两种速度通过传感器测试点，结合沥青路面设计规范以底基层和中面层结构的竖向应变为响应值，分析传感器与沥青混合料和水泥稳定碎石的协同变形特性和不同车速与轴型对路面结构竖向应变的影响规律。

从图8、图9的路面结构动力响应时程图可以看出：FBG传感器在沥青混合料层和水泥稳定碎石基层中具有较好的协同变形特质，能实现荷载应力作用下结构层的应变响应历程监测。动载作用下路面结构动力响应与静载下力学响应差别较大。在不同轴型加载车作用下，后轴的产生应变明显大于前轴。在行车拉应变最大的纵向，动载作用下结构层的应变呈现拉压交替状态，且最大拉应变峰值随着车速的增加而减小。在轮胎靠近传感器附近时，测点传感器呈现受压状态；随后车轮继续前进，测点传感器呈现受拉状态；当车辆驶离传感器后，测点传感器又呈现受压状态。在低速状态下，两轴和三轴加载车的后轴驶过传感器时，前轴产生的应变已基本恢复稳定且半刚性基层恢复速度比面层更快，在高速行驶状态下，由于沥青混凝土的粘滞性和加载间歇较短，三轴加载车的后轴会出现应力干涉现象。

图8 两轴加载车下面层、基层结构动力响应时程

图9 三轴加载车下面层、基层结构动力响应时程

3.5 路基顶面动力响应分析

在不同车速和轴重条件下，基于FBG土压力传感器测得的永久路面结构路床顶面竖向压应力如图10所示。在相同的车速下，土压力传感器测得路床顶面的土压力随着轴重的增大而增大；荷载较低时，由于水泥稳定碎石基层良好的应力扩散作用，路基顶面土压力没有显著变化。在不同车速条件下，当荷载较低时，路基顶面土压力没有明显的变化，当荷载较高时，路床顶面的土压力随着车速的增大而增大，具有显著的动载效应。

图10 轴重和车速对路床顶面土压力的影响

4 结 论

1)FBG传感器与沥青混合料面层、水泥稳定碎石基层和无机结合料稳定土路基具有较好的协同变形特性，在道路结构动力响应监测和施工均匀性评价中具有广阔前景。实际工程应用中，沥青混合料面层的FBG传感器建议以预制件或增加保护措施后埋入结构层以提高成活率。

2)动载作用下，永久路面结构面层底和基层底沿行车方向的应变响受车辆轴载、轴型和车速的影响且呈现拉压交替的状态，其应变峰值随着荷载的增大而增大，随着车速的增大而减小。

3)路基顶面土压力在动载作用下受车速和轴重的影响，荷载较大时，路床顶土压力与车速呈正比；荷载较低时，车速增大，土压力没有显著变化。