路面加速加载试验数据采集论文

1动态力学数据采集

加速加载试验条件下，选定的主要动态力学技术指标需要考虑路面结构设计中设计指标及其对路面结构疲劳和永久变形的控制作用。下面从技术指标的选择、传感器选型和埋设原则与数据采集等方面进行讨论。

1．1技术指标的选择依据在加速加载试验过程中，监测的动力学指标主要包括如下4项:(1)面层底部弯拉应变对通车初期的沥青路面，路面结构整体刚度较大，层间结合良好，此时在重复荷载的作用下，沥青面层以受弯拉应变作用为主而呈现出明显的拉压应变交替状态，监测面层底部的弯拉应变将贯穿于整个加速加载试验过程，进而作为评价沥青路面发生疲劳损伤的标志性力学指标之一。(2)基层顶部竖向压应变用于评价沥青路面车辙变形的力学指标。(3)面层底部水平横/纵向剪应变对于半刚性基层沥青路面来说，面层与基层的层间黏结性能较差，面层底部的水平横纵向剪应变可以破坏面层和基层的联结导致面层失去基层的水平约束，成为滑动状态，此时不但增加面层底部的弯拉应变，减小疲劳寿命而且增大沥青混凝土的流动性，容易形成裂纹等多种破坏形式。(4)面层/基层中间水平横/纵向最大剪应变在横/纵向剪应变的作用下，沥青混凝土和水泥稳定类材料产生横/纵向流动变形，此项指标用于评价面层和基层因材料的流动变形导致的各种破坏。

1．2传感器选型的基本原则传感器的选择受到传感器测量原理、封装材料、工作条件规格等因素的限制，成为了系统设计至关重要且颇具难度的问题。选择沥青路面结构力学响应监测的传感器应考虑的问题包括如下3方面:(1)传感器的结构和尺寸规格不能影响道路的使用性能J．RichardWillis在总结美国路面加速加载试验中路面内部参数采集的实践经验时认为结构内部的参数采集对于加速加载试验的成功具有重要意义，因埋设传感器造成压实度不足，有可能引起路面结构产生早期损坏［1］。引起传感器附近压实度不足的原因，一是因为传感器封装材料不耐热、不耐压，需要施工后埋设，进而导致埋设传感器位置的混合料与周围路面混合料存在着明显的离解面，二是因为传感器的结构和尺寸规格超出了沥青面层或基层的厚度限制，影响了压实的均匀性。(2)传感器需具有较高的成活率、准确性和重复性Sebaaly等从传感器选型、安装、检测的角度认为，传感器的自身成活率、结果准确性、重复性、稳定性、成本等是选择传感器的标准;对于施工过程中埋设和工后钻芯埋设两种方法，认为工后钻芯埋设的方法，由于采用了树脂作为粘结剂，明显增大了结构强度，造成测量结果不准确。

1．3FBG传感器在路面动力监测中的应用FBG传感技术是十多年来发展最为迅速的传感技术，具有灵敏度高、体积小、防水、抗电磁干扰、能进行长期实时在线监测、易于集成形成传感网络等特点，目前在土木工程、航空航天等领域得到了广泛的应用。王川基于PP－OFBG传感元件［2］，通过设计PP树脂基体模量与沥青混凝土模量相当，研制开发出主要针对于沥青路面应变监测的PP－OFBG埋入式应变传感器，并进行了传感性能试验研究。通过进行沥青混凝土梁的四点弯曲静载及动载试验并与理论计算进行了对比研究，发现这种传感器能够很好地反映出沥青混凝土的变形特征。刘艳萍针对传统的光纤光栅传感器模量大、尺寸大，直接拿来用于沥青路面的测试，不能反映沥青路面的真实应变的缺点，研发了一种橡胶封装FBG竖向应变传感器用于测量沥青路面的竖向应变［3］。结果表明，橡胶封装FBG应变传感器的自身的传感性能良好，但是用于实际沥青混凝土路面的埋设工艺还有待进一步研究。通过对近几十年来国内外路面内部检测手段的调研发现，在路面结构内部埋设传感器来监控路面内部的工作状态是路面领域一种经典的研究手段，测量结果可用于标定路面响应模型、进行施工质量监控、养护政策制定、新型结构与材料评价等。测量结果的代表性与准确性对后续工作有着决定性的影响。

1．4FBG动力响应监测系统基于FBG传感器灵敏度高、体积小、防水以及测值稳定、能进行长期实时在线监测等优点，本文选用FBG力学传感器监测沥青路面的动态力学响应。项目搭建的FBG动态力学响应监测系统如图2所示。系统由数据采集仪、通道扩展模块和传感器组成，其中传感器包括FBG水平、竖向应变传感器和FBG土压力传感器。

1．5传感器的布设和埋置设计传感器布设方案所遵循的原则如下:(1)选用的传感器需全面反映路面结构各层位敏感位置(结构层底部和中部)各项力学性质;(2)埋设传感器的数量需考虑传感器成活率，以同方向、多断面方式布设多组传感器以保证成活率;(3)考虑路面结构各层位相似位置的动态力学特性的比较，传感器的埋设在深度方向上需按相同平面位置布设。依据上述原则，传感器布设方案示意图如图3所示。由图3可见，在路面结构内部共计布设3层、8个断面的力学传感器，分别安置于面层底、基层底和垫层底三个位置，其中面层底部和基层底部包括压应变传感器、水平横向传感器和水平竖向传感器，垫层底部包括压应变传感器和土压力计。按此传感器布设方案埋设传感器，在路面施工完成后，还需要检测传感器的成活率。

1．6弯沉数据的采集由于FWD的应用较为广泛且较为成熟，国内外对于FWD的测量均有相关的操作规程或规范予以规定，因而在加速加载数据采集过程中无需特殊考虑FWD检测如何与加速加载试验的配合，但是需要注意的是:(1)FWD测点在加载内需均匀分布并且沿着加载带的纵向中轴线排布，测点数量不易较多，一般取6～8个为宜;(2)FWD侧点的位置需避开结构内部力学传感器的位置，以免结构内部的力学传感器影响FWD的测量精度;(3)为了考虑FWD数据的后续处理中对温度影响的修正，除了在加载段内排布测点外，还需在加载带外设置测点，测点数量取3～4个为宜;(4)对弯沉数据的处理需要进行反算模量的转换，为此FWD需要具有9个传感器。按照上述FWD测量需要考虑的问题，辽宁省半刚性基层路面的FWD测点设置如图4所示。FWD的测量按照《公路工程路基路面现场测试规程(JTGE60－2008)》的规定实施。通常，试验过程中，每加载10万次测量1次弯沉，有时可根据实际需要增加测量频次。

2表面服务功能数据采集

表面服务功能的评价指标，包括摆值、构造深度、渗水系数和车辙深度，这些技术指标的检测方法均按照《公路路基路面现场测试规程(JTGE60－2008)》相关规定实施。各项技术指标的测量要求和测量频次具体如下所述。

2．1车辙断面的测量试验记录的车辙断面形态如图5所示。采用MLS66开展加速加载试验，将抗车辙能力测试与抗疲劳和水损害测试分别选取两个加载段。为了研究路面全寿命周期内车辙深度的发展变化规律，在抗车辙能力测试和抗疲劳测试过程中都需要检测不同加载阶段的路面车辙断面。在抗疲劳测试过程中，无横向轮迹分布的情况下，加载位置固定，在两个加载轮的轮迹处的路面易于形成凸起，由此影响车辙深度的计算，因此，需根据实际情况选绝对车辙深度和车辙深度作为抗车辙能力的评价指标。试验按照《公路路基路面现场测试规程(JTGE60－2008)》中的方法测量车辙断面，选择的断面位置应遵循在有效轮迹带内均匀排布的原则，选取2～3个断面位置，每加载10～20万次测量1次，取各断面车辙深度计算结果的平均值作为最后的测量结果。

2．2抗滑和防水性能的测量测量方法按照《公路工程路基路面现场测试规程(JTGE60－2008)》的规定，每加载10～20万次测量1次，均匀选取轮迹带内4个位置，取各测点测量结果的平均值作为最终测量结果。

3路面工作条件

路面工作条件是指自然环境条件和行车荷载。加速加载试验条件下，通过加热和降水装置实现自然环境对路面作用的模拟。进行动载条件下路面性能分析需要考虑路面结构内部温湿度的分布状态，因此，试验过程中需要定期监测路面结构内部的温湿度数据。同时，试验过程中，需经常确认加载轴载是否稳定在预设轴载及其误差范围之内，路面工作条件检测还包括对加载轮轴载的实时监测。

4结论与展望

本文讨论了辽宁省MLS66路面加速加载试验的数据采集系统的内容与数据采集方法，数据采集系统由技术评价体系和检测手段两部分组成，系统实现了对沥青路面动态力学响应和表面服务性能的采集，通过建立数据采集系统积累试验数据，为试验数据分析提供保障。

作者：郎志海单位：辽宁省交通科学研究院