柔性道路基层（精选九篇）
柔性道路基层 篇1
目前，半刚性基层沥青路面的结构形式广泛应用于市政道路中，为解决该路面结构出现的早期破坏问题，本文对柔性基层沥青路面结构进行了研究。采用级配碎石、沥青碎石等柔性材料作基层的沥青路面结构，路面面层与基层之间应力、应变传递的协调过渡方面比较顺利，同时结构材料为颗粒状级配成型材料，排水畅通，致使路面结构不易受水损害。柔性基层沥青路面的研究与应用，使我国市政道路路面结构型式更加多样性，适应我国地域辽阔、自然条件各异、各地经济水平和交通量差别大的特点。
柔性基层沥青路面结构设计方法及设计指标的确定是柔性基层沥青路面应用技术的一个重要组成部分，也是其在我国得以推广应用的关键技术之一。由于沥青碎石作为全厚式、混合式沥青路面结构的基层与以前我国采用的半刚性基层存在较大的差异，整体路面结构受力发生了很大的变化。在我国的沥青路面设计规范中以弯沉值和沥青层层底弯拉应力作为设计指标已经不能满足当前柔性基层沥青路面的设计要求，为此，结合国外柔性基层路况调查的实际情况，综合考虑我国当前沥青路面结构设计的不足，力求推荐出适宜我国采用的柔性基层沥青路面结构设计方法，为我国柔性基层沥青路面的应用提供技术支持。
柔性基层沥青路面的设计方法不能直接沿用我国的现有的半刚性基层沥青路面设计方法。国外对柔性基层沥青路面的调查研究也表明该类路面结构的破坏形式与半刚性基层沥青路面的破坏形式存在很大的差异，我国已有的设计指标及设计方法不能满足该类路面的设计要求。鉴于此，开展多指标体系的柔性基层沥青路面结构设计方法的研究势在必行，但是由于我国与国外地域、气候及交通均不相同，也不能将国外的柔性基层沥青路面设计方法直接应用于我国的路面结构设计中，这样就必须寻求一种适宜于我国的柔性基层沥青路面设计方法。我国的路面设计方法及设计指标在进行柔性基层沥青路面设计时存在一定的不足，国外的设计方法相对来说较为成熟，但是由于路面结构所处的地理环境及交通状况与国外的情况存在较大的差异，不能照搬国外的设计经验，鉴于此有必要从柔性基层沥青路面的病害及破坏机理着手，选用合适的设计指标和设计方法进行路面的结构设计，为柔性基层沥青路面在我国的推广应用奠定坚实的基础。所以对于柔性基层沥青路面结构的研究具有重要的意义。
一、沥青路面结构类型
沥青路面结构层可由面层、基层、底基层、垫层等多层结构组成。在参考国外文献资料及相关规范的基础上，将沥青路面结构大致分为半刚性基层沥青路面结构、组合式Ⅰ结构、组合式Ⅱ结构、柔性基层沥青路面结构以及全厚式沥青路面结构5种类型，见表1。
半刚性基层沥青路面是我国现阶段大规模采用的一种道路结构形式，市政道路也同样如此。半刚性基层具有板体效应，大大提高了路面结构的整体刚度，使得该种路面结构具有较高的强度和承载力、良好的整体稳定性和耐久性。但是，由于半刚性基层本身的收缩裂缝难以避免，如果沥青面层没有足够的厚度，基层的横向收缩裂缝在使用初期即会反射至沥青面层，形成较多的横向开裂。我国近年来许多道路已经将沥青面层增至18 cm以上，从实际使用情况看，仍然有明显的反射性裂缝，其主要原因如下。
1.我国的水泥稳定粒料的强度通常比较高,在施工期间就产生了开裂,而且裂缝宽度也较大,向面层传递的拉应力自然也比较大。
2.沥青面层通常不是在一年内铺筑的,第一年经常只铺筑下面层然后经过一个冬天,也就是说,基层开裂的反射性裂缝是经过两次反应传递到沥青面层表面的,第一年先反射到下面层表面,以后再逐步传递到上面层。
需要指出的是，比起其他措施，增加沥青层厚度不仅会大幅度增加建设成本，而且效果不一定明显。此外，由于全厚式沥青路面初期投资较大，该路面结构形式在我国大量使用需要进一步论证。从我国实际情况看，推广和运用组合式结构和柔性基层这两种路面结构应该是比较适宜的。对于中、轻交通量柔性基层沥青路面结构可以适当减薄沥青层厚度以降低路面造价。
二、路面结构组合方案拟定
以某主干道为例进行路面结构力学分析，以级配碎石和沥青碎石两种柔性材料作为基层，拟定路面结构见表2。
三、路面结构方案对比分析
沥青路面结构材料设计参数见表3。
路面设计累计轴载作用次数为500万，中等交通等级。城市道路类型为大城市主干路，道路分类系数为1，面层类型系数为1，路面结构系数为1.6。对拟定的路面结构进行了力学分析，计算路面结构适宜厚度和各层应力应变，见表4。
由表2和表4可知，路面结构厚度上，方案I最小，方案II最大;方案III的路面弯沉(一定程度上代表了路面结构抵抗竖向形变的能力)最小，方案II的弯沉最大;方案I各层层底拉应力均小于其他方案，需要特别指出的是，方案II由于采用的级配碎石基层，故该层产生的拉应力会在级配碎石层内自行消散，对面层几乎没有影响，方案II是解决半刚性基层反射裂缝最为彻底的方法。由于市政道路标高和道路用地限值是路面结构和线性选择的决定性因素，综合3种方案优缺点并考虑经济性，选择方案I作为市政道路最终方案。
四、路面结构剪应力分析
由于市政道路车流量密集、车辆变速、制动频繁，路面会受到频繁的剪切作用，为保证路面在使用时不会发生剪切破坏，有必要对剪应力做详细的分析。研究以JTGD 50—2006《公路沥青路面设计规范》和CJJ 37—90《城市道路设计规范》为依据。路面结构设计采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行计算，路面荷载及计算点见图1。
计算坐标点为A(0,0.159 8)、B(0,0.106 5)、C(0,0.053 3)、D(0,0.266 3)、E(-0.095 9,0.159 8)、F(0.095 9,0.159 8)、O(0,0)。沥青混凝土路面的最大剪应力τm按JTG D50—2006及CJJ 37—90的电算程序或诺谟图计算。容许剪应力τm=0.25 MPa。路面水平力的大小与行车状态有密切关系，其大小由轮胎与路面间的摩擦阻力决定。因此，在停车场、车站、交叉口及交通拥挤，车辆行驶缓慢的地方，路面易产生车辙、坑槽等破坏。关于水平力的大小，在正常行驶状态下，水平力系数较小，一般取0.3。但在紧急制动、转弯等情况下，水平力系数可高达0.5左右，因而在剪应力计算中水平力系数按最不利状态取0.5。不同位置剪应力计算结果及变化情况见图2。
由图2可知，此结构的最大剪应力为0.236 7<0.25 MPa。沥青路面的剪应力在路表、车轮内外边缘点最大，即为C、D点;在路面2 cm以下，剪应力最大值出现在F点;剪应力最大点在路表，车轮外边缘D点处，以此点作为剪应力验算点是偏向安全的。
五、结语
1.本文依据国内外常见的沥青路面结构类型,结合市政道路特点,选择了具有代表性的3种柔性基层沥青路面结构进行了厚度设计和力学性能分析。
2.从路面结构总厚度来看,方案II的厚度最大为88 cm,方案I最小为50 cm。但通过造价分析可以得知,方案I大约是方案II的3倍,方案III比方案I略少,大概是方案I的88%。由于城市道路用地标高受限,故方案II几乎是不可行的。如果经济条件允许的情况下,方案I是最适宜方案;在道路标高允许的条件下,方案III亦可行。
3.从力学性能的角度对3种路面结构方案进行对比,3种方案各有优缺点。方案II由于采用了级配碎石基层,该结构层中的拉应力可自行消散,对面层几乎没有影响,是解决目前半刚性基层反射裂缝最为有效方法。
4.路面剪应力时建议考虑水平力的影响。对于计算点来说,在路表下2 cm内,剪应力较大,对表面层的抗剪强度要求较大。因此,在路面设计中表面层建议使用抗剪强度较强的材料。
参考文献
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柔性道路基层 篇2
考虑基层抗剪能力的高等级公路沥青路面柔性基层设计与施工
高等级公路级配碎石作为沥青路面基层已得到愈来愈广泛的应用,但其容易发生剪切破坏.本文结合笔者多年公路工程研究实践,分析介绍了级配碎石层受到的最大剪应力,在级配碎石柔性基层的抗剪强度试验测定的`基础上,通过控制沥青面层厚度来保证级配碎石基层不会发生剪切破坏;并对沥青路面柔性基层施工技术进行了详细阐述.
作 者：孙志方 Sun Zhifang 作者单位：湖南交通职业技术学院刊 名：中外建筑英文刊名：CHINESE AND OVERSEAS ARCHITECTURE年，卷(期)：“”(1)分类号：U416.217关键词：高等级公路 沥青路面 最大剪应力 级配碎石 柔性基层 抗剪
柔性道路基层 篇3
摘要：通过将纤维材料添加到沥青混合料中形成一种纤维柔性路基新型材料，与普通材料相比，具有较强的劈裂强度。试验表明，劈裂强度随着添加纤维的长细比增大而减小，合理的纤维掺量在1‰到2‰之间，聚丙烯纤维材料提高材料劈裂强度效果显著。总之，纤维级配碎石材料增加路面整体抵抗层底拉应力的能力，提高道路承载力抗车辙性能从而延长道路使用寿命。
关键词：纤维；级配碎石；劈裂强度
1.前言
我国公路建设正处在一个大规模建设高等级公路的发展时期，大交通量和重载车辆的日益增多，必然对公路路面结构的强度和稳定性提出更高的要求。几十年来公路建设一直采用的半刚性沥青路面基层存在收缩开裂、渗水性差、对重载车具有更大的轴载敏感性等缺点，这已经引起国内外研究人员的高度重视。
沥青混合材料就是将纤维随机地分布于混合料中所组成的一种纤维型与颗粒型的复合材料，它是一种非常有潜力的·路面材料。通过理论分析和试验对比，对纤维级配碎石的主要力学性能进行了研究，表明纤维级配碎石柔性路面材料，同传统半刚性基层相比，增加路面整体抵抗层底拉应力的能力，可以较有效的防止反射裂缝的产生，提高道路承载力抗车辙性能从而延长道路使用寿命。
2.沥青混合材料力学性能分析
通过添加抗拉强度和弹性模量较高的纤维材料，纤维复合后的材料抗拉强度和承受动荷载的能力都会得到不同程度的提高。影响纤维增强混合料性能的主要因素有：纤维的掺量、种类、长径比以及纤维在混凝土中是否均匀分布等。
2.1劈裂强度分析
良好的基层材料必须具备一定的抗拉强度，而劈裂强度就是衡量抗拉强度的指标。试件采用振动成型法成型成高和直径均为150mm的圆柱形试件，劈裂强度试验方法按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）中的T0806—1994进行。将试件放到路面材料强度试验仪的升降台上，使试件的形变以约1mm/min的等速率增加进行劈裂强度试验。试件的劈裂强度按下式计算：
（式1）
式中：——试件破坏时的最大压力（kN）；
——试件高度（mm）。
2.1.1 纤维长细比及掺量对劈裂强度的影响
掺加纤维的拌和工艺流程为，混合料按照常规方法制备，在添加水之前，先将按比例掺配好的粗细集料混匀，然后加入定量的纤维干拌，直至纤维均匀分布再加水进行湿拌。成型好的圆柱试件，不需要像水泥稳定碎石那样进行养生，立即放在路面材料强度仪上进行劈裂试验。根据劈裂强度的大小优化纤维的尺寸和长度以及掺量。
选择的纤维种类为塑料绳纤维，直径固定，长度分别取1cm、3cm、5cm、7cm，纤维的掺量（质量比）定为0‰、1‰、2‰、3‰、4‰，共计五种掺量。首先测定不加纤维的普通级配碎石的劈裂强度，以空白试件作为基准，然后再进行同一种级配，同一含水量下掺加不同纤维的级配碎石劈裂强度的平行试验，试验结果见图1。
图1纤维级配碎石不同长细比及掺量劈裂强度对比图
通过图1的比较，可以看出对于掺加纤维的级配碎石，纤维尺寸不变时，随着纤维掺量的增加，劈裂强度随之先增大后减小。添加纤维能够提高级配碎石整体的抗变形能力，尤其是受拉破坏的抵抗能力可以明显提高，掺量在千分之一到千分之二之间范围内较为合理。
将图1中相同的掺量下，不同纤维尺寸级配碎石的劈裂强度进行对比，可以看出尺寸越小，劈裂强度越大，纤维尺寸越小，其在混合材料中分布越趋于均匀，和易性越好，能较好的发挥其抗拉能力，从而提高材料的整体抗变形能力。
2.1.2不同种类纤维的对比
目前通常国内外通常采用的纤维材质主要有聚丙烯纤维、聚酯纤维、木质素纤维，在纤维掺量在1‰条件下进行劈裂强度试验对比，结果在表2中。
表1 掺加纤维后的劈裂强度试验结果
编号不加纤维纤维1号纤维2号纤维3号纤维4号纤维5号
纤维类型-聚丙烯纤维聚酯纤维聚丙烯纤维常见普通纤维木质素纤维
劈裂强度平均值（kPa）14.218.417.221.316.514.8
通过多次反复试验求得的劈裂强度平均值，从表1中可以看出，相同级配相同混合料相同成型方式，同一时间条件下，无论是哪种纤维，掺加1‰的纤维的级配碎石混合料的劈裂强度均大于不掺加纤维的劈裂强度。相同掺量下，对于改善级配碎石力学性能来说，掺加聚丙烯纤维材料劈裂强度能提高50%。当微裂缝向细裂缝发展的过程中，必然碰到多条不同向的微纤维，由于纤维的抗拉强度远大于级配碎石基体的强度，以及纤维与级配碎石较好的粘结力，所以在裂缝的进一步扩展过程中，由于纤维与级配碎石的相对位移消耗了能量，降低了应力水平，使得裂缝扩展收到了限制，进而使得纤维级配碎石的抗拉强度有明显的提高。
3.结论
（1）纤维级配碎石作为一种新型路基材料，与半刚性基层相比有明显的优点。通过理论分析和试验对比，对纤维级配碎石的主要力学性能进行了研究，表明纤维级配碎石柔性路面材料，具有较强的劈裂强度和抗剪切性能，同传统半刚性基层相比，增加路面整体抵抗层底拉应力的能力，可以较有效的防止反射裂缝的产生，提高道路承载力抗车辙性能从而延长道路使用寿命。
（2）对于掺加纤维的级配碎石，纖维尺寸、掺量和种类都对其劈裂强度有一定影响。纤维尺寸不变时，随着纤维掺量的增加，劈裂强度随之先增大后减小，纤维的掺量在千分之一到千分之二之间范围内较为合理；相同的掺量下，纤维尺寸尺寸越小，劈裂强度越大，也就是说较小尺寸的纤维对于改善级配碎石抗拉性能效果最为显著。
参考文献：
[1] 王树森.级配碎石基层材料组成设计与工艺控制的研究[J].公路，2001，（2）：75-79.
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[3] 杨德恒.级配纤维碎石封层的力学性能及施工工艺[J].交通世界：工程技术，2014，（10）.
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城市道路柔性路面结构的应用 篇4
1 柔性基层沥青路面的优点
柔性基层包括沥青稳定碎石、级配碎石、级配砾石等。与半刚性基层相比, 柔性基层因温度变化而产生的应力影响较大, 受湿度变化的影响较小, 因此出现反射裂缝问题的可能性较小。从结构层受力的角度来看, 显然柔性基层对面层的设计适应性更强。柔性基层模量是按照一定的比例降低的, 模量变异性不大, 不易产生车辙;半刚性基层的后期强度比沥青面层要大, 且前者刚度大于后者。这种情况容易造成路面层上面软、下面硬, 并且容易产生车辙, 不利于面层的稳定。此外, 柔性基层的抗疲劳能力要强一些。
2 柔性基层沥青路面对盐胀地区的适用性
土壤的盐胀、冻胀受多种因素的影响, 例如土壤温度、土壤湿度、含水量、压力和土壤粒径等。含水土体冻结时, 土体中的水受冷膨胀变成冰体, 其体积膨胀受到约束而产生冻胀力。盐胀时, 土壤中的SO42-和Cl-含量超出设计的规定要求, 当温度降到一定数值时, 含盐浓度大于土壤中盐的溶解度, 便开始了结晶过程。在结晶过程中, 土壤的形态发生变化, 表面松散形成硬盐壳或盐盘的形状, 体积膨胀, 体积密度下降。
由于柔性路面结构普遍采用沥青稳定碎石、级配碎石、级配砾石作为基层, 材料本身的孔隙率较大, 盐胀或冻胀发生时, 由盐类结晶或水体结冰引起的体积膨胀能在此类基层的孔隙中释放, 因此, 不会造成路面反射裂缝。如果基层为半刚性材料, 由于盐胀或冻胀产生的体积膨胀无释放空间, 因此会造成基层裂缝, 并反映到面层顶部的反射裂缝。柔性路面本身就具有一定的低温抗裂性能, 且低温环境下出现的部分细微裂缝在高温环境下也能自愈。
3 结构层设计理论与方法存在的问题
3.1 路表弯沉值设计指标
弯沉值Ld表示的是由设计年限累计交通量确定的路面设计及轴载当量圆受力半径。进行路面厚度计算时, 以车轮间隙中心路表的实际弯沉Ls为依据, 并且要求Ld>Ls.路表弯沉计算如图1 所示。
路面设计弯沉值Ld理论的观点是设计基准期内一个车道上预计通过的累积当量轴次、道路等级、面层和基层类型而确定的路表弯沉值, 即设计弯沉值的计算公式为:
式 (1) 中:Ac为道路等级系数, 快速路、主干路为1.0, 次干路为1.1, 支路为1.2;As为面层类型系数, 沥青混凝土面层为1.0, 热拌、温拌、冷拌沥青碎石或沥青贯入式碎石为1.1;Ab为基层类型系数, 半刚性基层为1.0, 柔性基层为1.6.
该公式的理论缺陷在于:只是笼统地将半刚性基层类型系数定为1.0, 柔性基层类型系数定为1.6;沥青稳定碎石、级配碎石、级配砾石均为柔性基层, 回弹模量和7 d无侧限强度均不同, 各种土质的路基回填模量也不同;整体路面结构的刚度不能仅按照两个数字划分, 采用柔性基层1.6 的系数所计算的路面结构层厚度往往偏大。
3.2 柔性基层沥青层层底拉应力设计指标
柔性基层沥青层层底的最大拉应力小于或等于材料的容许拉应力, 且满足以下条件:
式 (2) 中:γa为沥青路面的可靠度系数;εt为柔性基层沥青层层底的最大拉应力, 与标准轴载下的轮胎接地压强、各层材料动态抗压回弹模量、路基动态抗压回弹模量有关;[εR]为沥青层材料的容许拉应力, 与沥青混合料的孔隙率、有效沥青含量、20oc动态回弹模量有关。
该公式的理论缺陷在于:如果道路超载现象较严重, 则标准轴载下的轮胎接地压强可以达到1 MPa, 计算的路面结构较薄;动态模量的测定较复杂、条件较为苛刻, 一般地质勘查单位很难计算出准确的结果, 现阶段多处于理论研究阶段。因此, 按照此理论计算路面结构的软件也尚未开发。
4 结束语
柔性路面结构的设计必须要根据周围路况的具体条件和使用要求设计各结构层次和, 然后再选择材料的组成。我国在柔性沥青路面的应用方面较为落后, 在分析、探讨适合我国交通特性的柔性沥青路面结构的力学模型、设计指标和材料参数等方面还需要展开进一步的试验和理论研究。
摘要：由于新疆气候和地理位置特殊, 部分盆地区域土地盐碱化和冻胀程度较严重。早先市政道路工程设计采用了半刚性基层, 道路在结构使用年限早期就出现了因盐胀、冻胀引起的路面壅包、裂缝等病害;后来设计采用的柔性路面结构在很大程度上缓解了因盐胀而引发的路面病害, 取得了良好的效果, 且路面的使用年限大大增加。通过对柔性路面结构层的设计理论、服役年限规定和竣工验收以后的路况质量进行分析, 针对设计理论的技术问题提出了对柔性路面结构层的优化改进措施。
关键词：城市道路,柔性路面,结构层,优化设计
参考文献
[1]程磊.半柔性路面用混合料性能及其设计方法研究[D].西安:长安大学, 2002.
冷再生柔性基层沥青路面设计方法 篇5
1 路面设计方法简介
1.1 我国现行设计方法
我国现行的路面结构设计采用弹性多层体系进行, 路面结构的计算图示如图l所示。
以双轮迹处路表回弹弯沉和层底弯拉应为作为设计指标。
(1) 路表回弹弯沉值——防止车辙、沉陷、网裂与整体强度不足的损坏。
(2) 沥青混凝土底面的弯拉应力或拉应变——防止疲劳开裂。
在路面设计规范中, 对加铺补强层结构设计规定:补强层厚度设计方法与新建路面相同。在承载板测定原路面顶面当量回弹模量后, 按照设计使用期内的交通要求, 按新建沥青路面设计方法设计加铺层结构所需的厚度。
1.2 美国沥青协会 (AI) 设计方法
A I根据弯沉测定结果评定旧路面的结构承载能力 (估计其剩余寿命) , 并按设计使用期内的交通要求确定所需的沥青层加铺厚度。
由路段的代表弯沉值Z, 评定旧路面的结构承载能力, 以标准轴载作用次数计:
式 (1) 中:N80为标准轴载 (80k N) 作用次数。
路段的代表弯沉值ln和设计使用期内标准轴载累计作用次数N80, 由Kirk的双层弹性体系弯沉似公式确定所需沥青层的加铺厚度。
1.3 壳牌设计方法
壳牌设计方法是基于路面结构的残余寿命进行加铺层设计的。其选择的设计指标主要有两个:沥青层底拉应变、路基顶面压应变。在进行加铺层设计时根据估算的预期标准轴载作用次数, 分别在两者相应的图表上查得需要的加铺层厚度。并规定当以路基顶面压应变作为设计指标时, 需要考虑沥青层到目前为止的累计疲劳破坏, 检查新的设计寿命 (对沥青层底拉应变标准) 是否留有足够的余地。
1.4 AASHTO设计方法
A A S H T O法是一种经验设计方法, 该法根据A A S H T O道路试验结果而制定的方法, 采用现时服务能力指数 (P S I) 作为衡量路面使用性能的指标。路面的服务能力从初始状态变化到终端状态所经历的时段称为使用性能期。使用性能期内路面服务能力指数变化量:
即为路面设计使用性能标准。
A A S H T O以试验路观测资料为基础, 建立了路面使用性能 (A P S I) 同标准轴载作用次数 (80k N) 和路面结构数 (SN) 的使用性能经验方程。
2 再生柔性基层路面结构设计指标
2.1 补强路面结构设计理念
本文讨论的冷再生柔性基层沥青路面结构设计实质上是改建路面设计方法的一种, 目前国际上普遍的改建路面设计方法的核心思想是“补强”, 即在预期的交通荷载累计作用次数下, 现有路面结构层不能满足使用性能要求, 因此需要对原路面进行“补强”, 使其在预定时间内能够满足一定的使用性能要求。
2.2 设计指标的讨论
通过上一节的分析可以知道, 我国与沥青协会 (A I) 的改建沥青设计方法都以代表弯沉作为原路面剩余承载能力的评定指标, 沥青层的加铺厚度取决于设计弯沉, 而同时设计弯沉通过一定的经验公式与设计使用期内预测的标准轴载 (我国为N A I为N舯) 作用次数相联系。
壳牌路面补强的设计方法是通过道路设计年限内的预期标准轴载作用次数与进行加铺前路面所承受的实际标准轴载次数之差——“剩余寿命”评价原路面剩余寿命的。采用沥青层底拉应变与路基顶面压应变作为设计标准进行加铺层的设计。
A A S H T O法采用P S I作为设计指标, 它是通过对路面使用性能的客观测量和主观评价相结合而确定的指标。在该设计方法中的结构S N的计算和补强层厚度有关, 但其中各层系数的确定还有待进一步的试验路验证, 因此该方法直接引入柔性再生基层沥青路面结构设计中尚需一段时间。
2.3 设计指标选取
据上述分析, 弯沉是一项评价路面整体刚度的指标, 其用于评价旧路面的剩余承载能力时, 测试方法比较简单, 而且比较容易对原路段进行分段, 在我国可以广泛采用;另外, 在进行改建路面设计时, 弯沉与层顶面当量回弹模量有着较好的对应关系, 可以直接反算出层顶当量回弹模量;而且, 目前有着许多反算路面结构的方法, 有利于准确评价旧路的结构组合形式与各层次的模量情况。
沥青层底拉应变与路基顶面压应变作为柔性基层沥青路面或全厚式沥青路面的设计方法在以美国为代表的发达国家采用的比较广泛, 这两项指标在柔性基层沥青路面设计时有着成功的应用, 作为再生柔性基层沥青路面设计方法可以加以考虑。
路面现时服务能力指数 (PSI) 常用于路面管理系统中, A A S H T O系列路面设计方法中比较常用。它是一种半主观的路面服务质量评价指标, 可以用于决策层的判断。另外可以纳入改建路面验收后的路面质量评价体系中。
3 结构层厚度设计步骤
3.1 路况调查
测定旧路面的弯沉, 并按照弯沉值对旧路分段, 并计算每个路段的计算弯沉值或代表弯沉值。按下式计算:
式 (2) lo——路段内实测路表弯沉代表值 (0.01mm) ;
——路段内实测路标弯沉代表值 (0.01mm) ;
S——路段内实测路标丸沉标准差 (0.01mm)
Za——与保证率有关的系数;
K1K2K3——季节影响系数, 湿度影响系数, 温度修正系数。
3.2 交通分析
根据设计任务书确定道路等级, 进行交通调查。确定交通增长率、车辆横向分布系数、车道系数以及设计使用期, 并依据上述数据计算设计使用期内累计标准轴载作用次数N e。
3.3 确定设计弯沉值
设计弯沉是再生柔性基层沥青路面设计的主要指标。有下式可以确定
式 (3) 中:AC为公路等级系数;
AS为面层类型系数, 根据当地经验选取。
3.4 再生层底当量回弹模量的确定
将各地路段的计算回弹弯沉值转换成旧路面顶面的当量回弹模量Et:
式 (4) 中;p, a为标准轴载的轮胎接地压强 (MPa) 和单轮接触面半径 (cm) ;
m1为用标准轴载汽车测定的弯沉值与用相同压强承载板测定的弯沉值之比 (轮板比) , 根据各地经验确定, 一般取m1=1.1;
m2为计算与再生层底面拉应力时, 再生层顶面当量回弹模量的扩大系数 (其他情况m2=1) , 按下式计算:
式 (5) 中:En-1为Z再生层材料抗压模量 (MPa) ;
h为各补强层等效为模量与n-1层相当的总厚度 (c m) , 据算如下:
式 (6) 中:hi, Ei为第i层补强层的厚度 (cm) 和材料抗压回弹模量 (MPa) 。
3.5 柔性再生层厚度计算
对所采用的铣刨料进行配比试验, 并测定各层材料的抗压回弹模量和抗拉强度, 确定各结构层材料的设计参数。设计时, 把再生层厚度作为厚度设计层, 拟定面层厚度, 通过弹性层状体系解或相关路面设计软件得到再生层设计厚度。
3.6 结构层的厚度验算
通过沥青层底和再生层底拉应力的验算, 检验设计厚度是否满足抗拉强度设计要求, 若满足则确定为再生层设计厚度;若不满足, 则重新拟定再生层厚度, 若还不满足则再进行材料配合比试验, 重新拟定各层次材料的抗压回弹模量及抗拉强度再按3.4重新设计。
4 结语
本文评述了几种国内外改建沥青路面设计方法, 在对几种改建路面设计方法综合分析考虑的基础上, 并提出适用于我国的改建柔性再生基层沥青路面设计方法, 该方法适用于乳化沥青与泡沫沥青等冷再生混合料柔性基层, 可为类似工程的路面设计提供参考。
半柔性基层路面结构研究与应用 篇6
本文在沥青面层现场冷再生的基础上,通过理论和试验研究,将再生结构深度扩展到路面半刚性基层,形成新的路面结构,并铺筑试验路段,跟踪调查。
1 半柔性基层介绍
半柔性基层是采用冷再生技术,以原有路面的部分(或全部)半刚性基层和沥青面层的铣刨料为骨料,通过配比设计,加入部分新集料及沥青、水泥等结合料,经过均匀碾压形成的一种半柔性结构层。该结构层中由于含有部分沥青成分,因此具有一定的变形能力和应力吸收能力,能有效抑制和延缓由半刚性基层产生的反射裂缝;同时该结构层又兼备半刚性基层的强度特性,具有一定的承载能力。其性能介于柔性基层和半刚性基层之间,因此称之为半柔性基层,该结构层能有效的解决结构不相容性和受力不合理性,其典型结构图如图1所示。
2 半柔性路面结构设计
2.1 试验路情况
试验路路面结构为5cm沥青混凝土+35cm水泥稳定碎石+20cm天然砂砾,再生后路面结构为4cm沥青混凝土+20cm半柔性基层(再生层)+20cm水泥稳定碎石(原半刚性基层) +20cm天然砂砾。
(a)原半刚性路面结构 (b)再生半柔性路面结构
2.2 旧路路面材料分析
在旧路再生设计之前,需要对旧路铣刨材料(RAP)进行试验分析,主要试验指标有RAP级配、沥青含量及沥青老化程度等,试验结果如表1～表3所示。
由试验结果可知,旧路材料级配与AC-20级配接近,但9.5～16mm筛孔范围内的通过率较高,由此可以说明旧路材料中骨料含量相对较少,这主要是由于路面经过长时间行车荷载的作用和相互间的挤压,一部分大粒径粗集料被压碎成为粒径较小的细集料。
通过试验分别得到RAP的含水量和沥青面层材料的沥青含量,RAP含水量为2.9%,沥青面层材料中沥青含量为3.7%,并对回收的沥青进行性能试验,具体试验结果见表2、表3。
通过试验结果可知回收沥青针入度指数P.I低于A-70基质沥青,表明经过老化后沥青的温度敏感性降低了;回收沥青的当量软化点T800高于A-70基质沥青,粘度明显高于A-70基质沥青,表明其高温稳定性更好,沥青的老化有利于高温稳定性提高。回收沥青的蠕变劲度模量S和曲线斜率均大于A-70基质沥青,可知老化后沥青低温抗裂性减弱。
2.3 级配及配合比设计
由旧路材料筛分试验结果可知,旧路材料中细集料含量较高,因此按常规的级配设计,需要添加新集料来调整级配,使其满足规范的要求。课题从经济性能和路用性能两方面考虑,设计了两种级配,如表4所示。
试验项目采用泡沫沥青作为粘结剂,虽然泡沫沥青在喷射时粘度很低,但当其与细集料裹附后形成“玛蹄脂”,其粘度就较大,因而不能使得材料获得最佳压实,而必须加入一定的水,在水和“玛蹄脂”的复合作用下才能获得最佳的压实。同时,混合料中加入部分水泥不仅可提高混合料的强度,还可大大提高泡沫沥青的水稳性,但水泥用量过多会影响结构层的抗疲劳性。因此,再生混合料中的添加剂由泡沫沥青、水泥和水组成。
课题组通过击实试验、马歇尔试验、车辙试验及疲劳试验,确定了再生混合料中各添加剂的最佳用量,见表5。
3 路用性能试验
对于泡沫沥青再生混合料的路用性能,目前还没有统一的评价方法和技术指标。现有的试验规程及工程施工手册对再生混合料的评价标准,都是参照热拌沥青混合料技术标准修订而来的。课题组参照热拌沥青混合料技术规范,对再生混合料的强度、高温稳定性、水稳性和低温抗裂性能进行了评价,具体试验结果见表6、表7。
由试验结果可知:
(1)泡沫沥青再生混合料早期强度随龄期的增加而显著增加,后期强度增加趋于平缓,最终回弹模量稳定在1300MPa左右;
(2)通过车辙试验可知泡沫沥青再生混合料不同于传统的热拌沥青混合料,泡沫沥青再生混合料应力依赖行为类似于集料,对温度不敏感,具有良好的抗车辙性;
(3)泡沫沥青再生混合料的低温最大弯拉应变小于热拌沥青混合料,这主要是由于其兼备半刚性材料的特性,从而其低温抗裂性低于热拌沥青混合料;
(4)B级配再生混合料由于掺加了部分新集料,其强度、高温稳定性、水稳性和低温抗裂性能均好于A级配再生混合料。
4 试验路跟踪调查
课题组在试验路施工结束约一年后对试验路状况进行了路况调查。路面基本没有车辙、裂缝、坑槽等病害,路况良好,说明半柔性基层具有较好的抗反射裂缝能力。从理论上讲,再生半柔性路面的路表弯沉值应大于半刚性路面的路表弯沉值,但实际检测数据恰恰相反,再生路(半柔性基层)路表弯沉值小于旧路(半刚性基层)路表弯沉值,一方面是由于旧路半刚性基层因损害而使其强度衰减,另一方面是泡沫沥青再生半柔性基层具有较好的强度。
5 结论
通过理论分析和现场试验可知,泡沫沥青再生混合料(半柔性材料)的性能介于柔性材料和半刚性材料之间,其在强度和高温稳定性方面接近半刚性基层,且有效的抑制了反射裂缝的产生,可以用于路面结构的基层。同时作为再生结构层,可以有效的节约资源、保护环境、降低路面维修成本。
摘要：通过理论及试验研究,将旧路冷再生深度扩展到基层,通过添加泡沫沥青、水泥等添加剂,形成半柔性材料,该材料具有较好的强度、高温稳定性、水稳性和低温抗裂性。通过对试验路跟踪调查,可知半柔性路面结构可有效抵抗车辙和反射裂缝的产生。
关键词：泡沫沥青,冷再生,半柔性基层,路用性能
参考文献
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沥青大碎石柔性基层用沥青性能研究 篇7
已建半刚性基层沥青路面经过多年的使用后, 必须进行加铺改造, 以恢复路面的使用功能。尤其当路面出现早期损害后, 加铺改造往往更早。旧沥青路面常用的加铺方案是在其上铺设半刚性基层, 再铺设沥青面层, 此种加铺方案具有结构承载力强、结构层材料设计简单等优点。但同时也存在工程量大、高程增加多以及未能充分利用旧路面强度等缺点。特别是不能避免反射裂缝及无法排水的缺陷, 使加铺后的路面重新面临早期损害的可能。随着对半刚性基层认识的不断深入, 对其进一步扩大应用的趋势越来越受到自身弱点的制约, 特别是半刚性基层的收缩裂缝及引起的反射裂缝难以避免, 其次由于半刚性基层的致密性, 无法排除沥青层渗入的水分, 水分的积存造成基层表面的冲刷、唧浆及沥青混合料的水损害。20世纪60年代以前, 国际上使用半刚性基层的国家较多, 当认识到上述问题并经历了一场针对柔性基层与半刚性基层的讨论之后, 便大量转向讨论柔性基层。
目前, 国际上普遍采用的柔性基层有沥青稳定碎石、级配碎石等, 通常有两种典型结构, 一类是以级配碎石作为下基层, 以沥青混合料作上基层, 由于承载力主要依靠沥青层, 沥青层的总厚度较厚, 一般在20～25cm以上;另一类是在半刚性基层上先铺筑碎石过渡层, 然后铺筑沥青层。国外采取的沥青基层也有两种结构, 一种是空隙率较大的开式沥青混合料, 作为排水式沥青稳定基层;另一种是空隙率较小的密级配沥青混合料, 其公称最大粒径一般大于19 mm。为探讨柔性基层沥青路面结构的特点, 中国曾在成渝高速等项目上使用过级配碎石基层, 在上海也曾铺筑了大空隙沥青碎石排水基层, 并取得了较好的效果。
2 沥青大碎石柔性基层
2.1 沥青大碎石柔性基层简介
沥青大碎石柔性基层其最大粒径为25～63mm, 将这种特粗式热拌沥青稳定碎石混合料称为大碎石沥青混合料, 也称为大粒径沥青碎石混合料 (Large Stone Asphalt Mixes, LSM) 。它分为密级配大碎石沥青混合料和开级配大碎石沥青混合料两种形式, 开级配大碎石沥青混合料是一种间断级配的沥青混合料, 通常由单粒径碎石和一定量的细集料组成, 一般不需要添加矿粉, 压实后的空隙率一般控制为15%～20%, 与欧洲的透水路面排水基层材料相似。密级配大碎石沥青混合料的空隙率控制在4%左右, 单粒径的粗骨料要比一般传统的连续密级配沥青混合料要多, 其优点是稳定性和耐久性好。大碎石沥青混合料与传统沥青混合料的最大不同之处在于采用大粒径的骨架结构, 最粗一级的粗集料含量通常在50%以上, 以确保具有良好的抵抗车辙能力。因此在级配组成上区别于传统的沥青混凝土和沥青碎石, 而趋向于贯入式结构的矿料组成。LSM的优点是改善了基层的结构性能和提高了经济效益, 调查显示路面的最大粒径越大, 受到剪切荷载时变形也越小, 强度也越高;LSM与普通的混合料相比, 沥青用量约降低30%, 但由于较大的矿料间隙率和因大粒径减小的集料表面积将导致沥青膜变厚, 需提高混合料抗老化和水损害的能力。研究表明, 最大粒径37mm的LSM与最大粒径19mm的普通混合料相比, 无侧限抗压强度增大, 蠕变显著变小, 回弹模量和疲劳强度显著提高。此外, 大碎石沥青混合料结构性能有以下特点:
(1) 大碎石沥青混合料一般最大粒径在25mm以上, 最大可达63mm, 通常由较大粒径单粒径集料和少量的细集料组成, 一般不需要添加矿粉, 铺筑厚度一般为集料最大粒径的2.5～4倍。 (2) 排水性大碎石混合料为间断级配, 集料粒径较大, 为提高混合料的胶结强度和抗水损害能力, 增加沥青膜的厚度, 同时避免析漏, 一般采用粘度较大的改性沥青。 (3) 该结构采用较大空隙率, 一般为15%～20%, 有排水能力, 可用作排水层将渗入路面的水排出, 减少水损害。 (4) 由于细集料较少, 粗集料之间相互嵌挤, 形成强壮的骨架结构, 提供足够的强度, 可以用作新建道路的承重层及改建道路的补强层。 (5) 由于大碎石混合料的空隙率较大、骨料间隙较大, 用作老路补强可以较好地抵抗下层的反射裂缝对上层路面的影响。
2.2 沥青大碎石柔性基层对沥青的要求
由于大碎石沥青混合料具有排水功能, 其空隙中有自由水的存在, 为了满足水稳定性的要求, 提高大碎石沥青混合料的耐久性, 保证混合料具有较厚的沥青膜而不析漏, 要求使用的沥青具有高温粘度大、软化点高等技术要求。
3 三种不同沥青性能比较
3.1 基本性能比较
对基质沥青加德士AH-70、SBS改性沥青和MAC-70改性沥青进行基本性能试验, 试验结果见表1所示。
取MAC改性沥青和SBS改性沥青按照SUPERPAVE体系评价, 都被分级为PG70-22, 试验结果见表2。
综合考虑沥青胶结料的性能, MAC改性沥青应当比普通沥青加德士AH-70各项指标均有明显提高, 与SBS改性沥青指标相当。
3.2 粘度性能比较
对加德士AH-70号基质沥青、SBS改性沥青和MAC改性沥青进行在施工温度范围内的粘度试验, 试验结果见表3所示。
通过对上述3种不同沥青进行的布氏旋转粘度试验结果分析, 可知在这3种沥青中, MAC改性沥青的粘度最大, 即其要求的拌和温度和压实温度较高, SBS改性沥青次之, 加德士AH-70#沥青要求最低。在190℃以下时, SBS改性沥青和MAC改性沥青的粘度相差很大, 而在190℃以上时, 两者的粘度相差很小。从而也说明了MAC改性沥青在190℃以下时比SBS改性沥青有更好的粘结性能。
3.3 析漏试验比较
由于大粒径沥青混合料具有排水功能, 其空隙中有自由水的存在, 为了满足水稳定性的要求使得混合料具有好的耐久性, 那么混合料应当具有足够的沥青膜厚度, 理想的沥青应当是沥青用量能够保证沥青膜厚度要求, 而不出现析漏现象。以下将采用加德士AH-70#、SBS改性、MAC改性三种沥青, 使用同一级配情况下析漏试验进行对比研究。
混合料级配采用表4推荐的级配中值, 采用级配的集料表面积按2.057m2/kg, 大粒径沥青混合料要求沥青膜厚度为14um。混合料的沥青用量可按集料的表面积与沥青膜的平均厚度的乘积来确定, 根据计算为了保证混合料的沥青膜厚度, 最小沥青用量应当为2.9%。由于大粒径沥青混合料的级配太粗, 沥青用量的选用还受到混合料析漏量的制约, 要在保证析漏量的情况下尽可能多的使用沥青, 分别按2.5%、2.8%、3.1%、3.4%四种沥青用量进行沥青析漏试验, 结果见表5, 析漏曲线如图1。
SMA对析漏要求为小于0.3%, 根据上面沥青膜厚度计算大粒径沥青混合料最小沥青用量为2.9%, 此时普通AH-70#重交沥青的析漏量已经大于了0.3%, 由此也可以看出普通重交沥青对于大粒径沥青混合料并不是非常合适。SBS改性沥青与MAC改性沥青析漏数据相差无几, 都能够满足沥青膜厚度的要求, 理论上讲都可以作为大粒径沥青混合料的胶结料, 但是基于经济角度的考虑, MAC改性沥青占有较大的优势。
4 结语
通过对大碎石柔性基层用加德士AH-70#基质沥青、SBS改性沥青和MAC改性沥青的试验性能分析, 可以知道SBS改性沥青和MAC改性沥青都能满足使用要求, 两者的性能差别不大, 但是MAC改性沥青是化学改性, 而SBS是物理改性, 即MAC改性沥青比SBS改性沥青不仅拥有更好的稳定性, 而且MAC改性沥青也比SBS改性沥青拥有更好的经济性能, 所以在大碎石沥青柔性基层中, MAC改性沥青比SBS应该有更加光明的使用前景。
摘要：用沥青大碎石柔性基层对旧路面进行补强, 可以有效地提高路面的使用性能, 减少反射裂缝的产生, 延长道路的使用寿命。对沥青大碎石柔性基层用加德士AH-70#、SBS改性沥青和MAC改性沥青分别进行试验, 通过试验结果和经济性能对比分析, 找到适合这种结构的最佳沥青。
关键词：沥青大碎石,柔性基层,粘度,改性沥青
参考文献
[1]中华人民共和国行业标准.JTJ052-2000.公路工程沥青及沥青混合料试验规程北京:人民交通出版社, 2000.
[2]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能.人民交通出版社, 2001 (05)
在路面病害治理中柔性基层的应用 篇8
关键词：柔性基层,沥青路面,病害
半刚性基层由于高强度、造价较低在我国公路工程中得到了广泛的应用, 但由于其自身固有温缩、干缩等特点, 易使路面产生裂缝, 导致路面结构破坏。柔性基层一般采用沥青稳定碎石等粘弹性材料, 韧性好, 有一定的自愈能力, 对反射裂缝有较好的抑制作用。借鉴柔性基层的这一特点, 对半刚性基层沥青路面的裂缝进行治理。
1 柔性基层结构类型及特点
1.1 柔性基层和柔性基层路面
柔性基层是有别于无机结合料、稳定集料或稳定土等半刚性基层, 以集料、少量无机结合料处治的集料或作用沥青等有机结合料的混合料等材料铺筑的基层。目前, 通常使用的柔性基层有沥青稳定碎石、级配碎石等。
柔性基层路面通常有两种典型结构, 一类是以级配碎石作为下基层, 以沥青混合料作上基层, 沥青层的总厚度较厚;另一类是在半刚性基层上先铺筑柔性过渡基层, 然后铺筑沥青面层。
在柔性基层路面结构中, 基层层底的拉应力较大, 在弯拉应力的反复作用下出现层底疲劳开裂的可能性也最大, 因此要求具有很好的耐久性, 特别具有优良的抗疲劳性能, 而且作为承重层要求有一定的抗车辙能力。在路面结构中, 将路面上面层设计为功能层、将中下面层、基层设计为结构的承重层。
有关资料证明, 柔性基层路面的破坏一般始于面层, 由于面层的车辙、开裂等破坏从上到下顺序发展、延伸。对于柔性基层路面内部出现的微小裂缝往往能够自愈, 而不致于象半刚性基层材料, 出现裂缝后, 会迅速扩展, 因此柔性基层的破坏是功能性破坏。
2 半刚性基层及其常见病害
半刚性基层路面的优点在于:一是水硬性结合稳定层具有较高的强度, 能够提供较高的路面承载能力, 有利于荷载的分布, 降低路基土的垂直压应力和沥青层底弯曲应力;二是半刚性基层较经济, 对于中、低交通量路段, 采用水硬性结合料能够分利用当地材料, 减薄沥青层, 从而降低造价。
但半刚性基层有着自身不可克服的缺点:较高强度的半刚性基层会导致干缩裂缝的产生。在已经产生干缩裂缝的半刚性基层上铺筑沥青面层, 当沥青面层较薄的情况下, 半刚性基层会由于温度应力而使面层底部先开裂, 并较快形成反射裂缝。行车产生的拉应力与温度应力相结合, 反射裂缝会很快形成。在沥青面层较厚的情况下, 由于温度应力在沥青表层最大, 基层的裂缝将促使面层开裂, 然后逐渐向下传播形成对应裂缝。
为防止这些裂缝的反射, 许多国家都在进行研究, 并采取了各种防裂措施, 柔性基层路面结构就是其中之一。
3 柔性基层路面结构用于治理路面裂缝的理论基础
柔性基层的设计思路来自于美国的在半刚性基层上采用沥青稳定碎石或级配碎石作基层, 然后再铺筑沥青混凝土面层的做法。沥青碎石设计厚度一般为8~10cm, 位于水泥稳定类基层之上, 同时要求水泥稳定碎石基层之上做沥青封层以防水。从目前国内外有关对比试验看, 沥青碎石的模量与沥青混凝土接近, 而其三轴实验的c、φ值均大于普通沥青混凝土, 表明沥青碎石具有更大的摩阻力和嵌挤力, 其抗剪能力更强。同时由于沥青碎石沥青用量小, 其模量和强度随温度变化的敏感性较弱, 分析认为, 沥青碎石的实质是通过增加沥青层厚度达到对应力的消散和弥散均匀的效果。
此结构由于是在沥青面层与半刚性基层之间加一层沥青碎石, 由于在回弹模量较大的沥青面层与半刚性基层之间夹了一层较为柔软的回弹模量较小的沥青碎石层, 故称为倒装结构或夹层结构。经计算可知, 倒装结构在力学上的特点是:a.路表弯沉大于一般的半刚性基层沥青路面, 且与中间层厚度成正比;b.传统的半刚性基层沥青路面结构由于回弹模量较大使得沥青面层基本处于受压状态, 而倒装结构由于中间层回弹模量较小使得面层受拉, 但此拉应力对于一般薄沥青面层 (6~12cm) 尚不大于其疲劳抗拉强度, 故面层不会拉裂破坏;c.中间层受压, 力学上是安全的, 该层太薄不足以起到减少反射裂缝的作用, 太厚则使路表弯沉过大, 而且较强的两层材料中间夹一层厚的较软层, 结构会不稳定;d.对于半刚性基层的底部拉引力, 只要厚度足够, 拉应力能减小到安全值。
4 应用实例
4.1 病害概况
河北省某高速公路通车后第二年局部路段出现了较为严重的纵向裂缝。裂缝初期位于硬路肩, 并在行车道和超车道迅速发展。两年后, 该段裂缝50%以上有沉陷、错台现象, 错台最大达10cm, 宽度最大达1cm, 行车道病害尤为严重。经检测, 该段路面纵向裂缝的产生与发展主要原因在于原地面以下存在软弱土层, 同时路基填土为高液限粘土, 收缩性较大, 使得路基产生不均匀沉降, 引起路面纵向裂缝。
4.2 治理措施
上述路段的病害治理方法论证后采用了柔性基层路面结构, 而与之相邻产生同样病害的路段采用铣刨沥青面层进行重新铺筑的措施。
最终实施的方案为:将原路面15cm沥青面层+18cm水泥碎石层+18cm二灰碎石层+20cm灰土共计71cm全部挖除, 然后在路槽底部铺一层土工布, 基层铺筑水泥稳定碎石, 水稳碎石层上铺筑8cm灌入式沥青碎石和6cm+5cm+4cm共15cm的沥青混凝土面层, 其中上中面层采用了改性沥青。
结语
柔性道路基层 篇9
关键词：铠装套管,FBG,道路结构监测
道路结构在车辆荷载的反复作用下容易出现各类病害, 而车辙是最常见病害之一, 如果不能及时检测, 在外界因素影响下将会引发裂缝, 地基沉降, 严重时导致结构整体破坏。因此, 一些专家一直致力于光纤光栅传感器对曲率的试验研究。赵海涛[1]试着用FBG测量复合材料的曲率, 获得曲率与中心波长良好的线性关系, 试验效果极佳。在他们的测试中, 是将光纤光栅贴于一种复合材料制成的横梁的表面, 弯曲小梁的曲率是通过测量应变变量得到的。对于道路结构, 多层介质半空间无限弹性结构, 直接将光纤光栅贴于其表面来测试曲率是不现实的。由于光纤传感技术的高精度、耐腐蚀性、长期稳定、几何形状可多变等特点[2], 光纤在道路结构检测中的应用成为一个可行的方法, 因此, 可以设计各种类型的传感器来监测应力、裂缝、弯沉等[3,4,5]。
因此本文发明了一种封装的可移动铠装FBG传感器, 用来监测道路结构长轴方向的变形曲率。为呈现结构的变形曲线, 结合理论及试验方法建立FBG波长变量和曲率之间的关系式。采用理论分析将测得的分布式曲率转变为连续的曲线, 并且开展室内试验来验证理论分析结果的精度。为了进一步提高精度, 我们采用了修正系数, 使其更能有效地应用于道路结构形状的监测。
1 测试机理
由于道路的铺设需要重型机械的碾压, 再加上外部环境的复杂性, 需要对FBG传感器做适当的封装, 才能保证它在施工过程中的成活。因此, 设计一种封装方式:材料柔软、外部强度高, 并且能提供移动通道。本文所选的蓝色铠装管线, 不仅保证自身变形自由, 而且能够克服强大的外力。道路结构的变形首先传递给管道, 然后通过管道传递给FBG, 如图1所示。这个过程中存在应力传递, 因此误差是不可避免的。误差的产生来自两个途径:一个是封装管道壁的厚度, 可以通过理论修正;另一个是管道与路面结构的协调性, 因为管道截面小而且是两端自由的, 与结构形成一个整体, 所以这方面的误差可以被忽略。
2 可移动式柔性铠装套管封装FBG传感器设计
铠装线经证实在道路结构施工中不易变形[6], 所以用来作为传感器的保护层。所选铠装套管的净直径为5 cm, 如图2a) 所示。如果FBG在管道产生扭转, 将会影响检测精度。为解决这个问题, 置入一个直径为4 cm的硅橡胶。在硅橡胶的一侧刻出一个深度约为1.5 mm的槽, 作为FBG移动通道, 如图2b) 所示。将一根裸的FBG放置在槽内, 可移动的FBG传感器便制作成功了。为消除张力和温度的影响, 在管道的两端分别设置一个FBG, 如图2c) 所示。在室内试验中, 通道设置成多个半径的圆弧并固定, 人为拉动FBG移动, 则波长将会随着通道曲率的改变而改变。
3 建立波长变量和曲率的关系式
每一个未确定曲线都可近似划分成不同半径的圆弧, 根据曲率K和曲率半径ρ的关系式:K=1/ρ, 便知每点的曲率半径, 最后根据曲率半径获得曲线形状。
理论方法:把FBG固定在硅橡胶上, 移动硅橡胶使其产生变形, 将会引起FBG波长的改变, 为确定波长变量Δλ与曲率K的关系式, 取圆弧一段作为研究对象, 变形状态如图3所示。参数y1, 为管道内壁到中性轴的距离, y2为FBG所在槽底位置到中性轴的距离, Δθ为圆弧对应的圆心角, t为铠装管道壁的厚度。
根据平面截面假设, 由光栅测得的应变ε表达式为:
研究表明, 在不考虑温度应变耦合作用的情况下, 中心波长与其相应的温度, 应变有如下线性关系[7]:
其中, Kε为传感器的应变灵敏系数;Kt为温度灵敏系数, 都可以通过实验获得。
结合方程 (1) 和方程 (2) , 波长变量Δλ和曲率的关系K可以表达为:
试验研究方法:取一段刻槽的硅橡胶, 将一根裸的FBG用软的胶粘在槽的底部, 凝固后待用。在平滑的桌面上画不同直径的圆, 试验采用的半径 (cm) 有:5, 10, 15, 20, 25, 30六种。将硅橡胶固定在不同半径的圆弧处, 连接光栅解调仪, 来回按照半径大小依次测试采集各个阶段数据 (见图4) , 最后分析验证波长变量Δλ和曲率K的关系式。
本试验往返做了11组, 试验结果如图5所示。将各组相同半径的各点取平均值, 绘制散点拟合曲线, 如图6所示。
本试验是在封闭的室内进行的, 温度影响比较小, 可以忽略不计。参考相关文献, 取应变灵敏系数Kε=0.795 5 pm/με[8], 初始波长为1 549.36 nm, y2=1.0 cm。以半径为5 cm, 10 cm为例, 验证实际数据与理论之间的吻合度。
由计算结果可以得出:曲率半径为5 cm时, 误差为6.60%;曲率半径为10 cm时, 误差为14.40%;曲率半径为15 cm时, 误差为9.73%;曲率半径为20 cm时, 误差为10.05%;曲率半径为25 cm时, 误差为0.60%;曲率半径为30 cm时, 误差为14.13%。曲率半径比较小的时候, 计算结果比实际值要小;曲率半径比较大时, 计算结果比实际值要大。
原因可以归结为以下几点:1) 人为固定FBG所在槽底位置时与硅橡胶中性轴不在同一竖直平面内, 使其在各圆弧处时半径比实际弯曲曲率半径要小, 测试结果就相对较小。这个误差可以在以后制作中改善, 通过将刻过槽的硅橡胶伸直固定在可移动长轴平台上, 对应一个固定的夹具 (夹有签字笔) , 这样移动平台, 绘出与中性轴在同一竖直平面内的直线, FBG沿着画线粘贴。2) 硅橡胶与每个圆弧的吻合出现了偏差, 并且固定过程中可能产生了一定程度的反向恢复。在测试平台上刻出一定深度的各个半径的圆弧, 将硅橡胶嵌入其中, 这样就消除了协调误差。3) 固定FBG的粘胶与硅橡胶模量有偏差, 使传递误差增大, 相应波长变化较小, 导致测试结果偏大。寻找与硅橡胶材质更加匹配的粘胶以减小这方面的误差。
总体来说, 试验数据拟合曲线与理论方法计算相符, 偏差符合工程实际的误差范围, 能准确地描绘变形曲线。
4 结语
本文设计的一种可移动式柔软铠装套管封装FBG传感器, 内部设有硅橡胶管提供的可移动通道, 利用一个FBG就能实现大规模曲率测试。对这种类型的传感器的可行性及功能进行了讨论分析, 利用理论方法建立了波长变量Δλ和曲率K的关系式, 应用试验来验证了这个关系式的正确性。本文的工作提供了一个低成本测试道路变形的传感器, 这对大范围监测道路结构健康状况有很大的应用价值。
参考文献
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