荷载作用下在役半刚性基层应变发展规律分析

荷载作用下在役半刚性基层应变发展规律分析

何坤1史志华2

1.西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055；2.东风设计研究院有限公司湖北武汉430056

摘要：为揭示服役期沥青路面水泥稳定碎石半刚性基层应变的发展规律，本文依托临河-哈密高速实体工程，针对半刚性基层应变随交通量的演变关系，基于损伤力学理论推演半刚性应变发展衰变模型，采用最小二乘法并以基层应变和对应交通量数据为基础，对模型中相关参数进行回归分析，得到服役期半刚性应变发展方程，基于该发展方程得到在役半刚性基层应变发展特征：第一阶段基层应变迅速降低，该阶段持续时间较短；第二阶段基层应变缓慢增加，该阶段持续时间较长；第三阶段应变急剧上升。

关键词：道路工程；半刚性基层；基层应变；发展规律；损伤力学；试验路

前言

我国北方地区年平均气温较低，沥青路面大量的被用于北方高等级道路，沥青面层属于柔性材料，为保证路面结构整体使用的稳定性，半刚性基层近年来被广泛作为沥青路面的基层来承担路面上部的车辆荷载[1-2]。水泥稳定碎石材料作为半刚性材料的典型代表，具有初期强度高、抗渗度和抗冻性较好的特性[3-5]，常被用于一级或高速公路的基层。

在实际道路工程中，温度直接导致基层材料产生热涨冷缩效应，温度与基层内部实际应变直接相关[6-9]，而一次加载下基层应变响应是表征材料疲劳损伤的主要表现形式，因而对道路基层实际应变进行监控分析是研究基层使用性能的主要手段之一。因此，本文基于在北京-哈密高速实体道路中埋设传感器的长期监测数据，针对监测数据进行归纳分析，研究临哈线青敖段路面结构温度变化规律，并讨论实际道路基层温度与应变的关系。以损伤力学理论为基础推演出半刚性基层应变发展模型，采用最小二乘法对实测水泥稳定碎石基层荷载应变及对应交通量数据进行回归分析，从而建立了临哈线青敖段半刚性基层应变发展方程，并对服役期半刚性基层应变的发展规律进行分析。

1试验路基本概况

试验路位于内蒙古自治区巴彦淖尔市杭锦后旗陕坝镇北部临哈线青敖段，试验路桩号范围为K24+000~K26+000，本次试验路路面采集系统主要由传感器（振弦式）、供电系统、传输设备、采集模块、数据发射设备、数据收集软件平台组成。传感器类型包括应变传感器、土压力传感器、温湿度传感器。路面数据由现场采集模块收集并转化为无线信号被远程数据软件平台收集。该试验段共有两个埋设断面，埋设断面1位于主线桩号K24+175，埋设断面2位于主线桩号K24+180，两断面距离相差5m。每个断面下预埋不同类型传感器共20个，分别埋设在半刚性基层顶底，包括土压力盒4个、水平应变传感器12个、温湿度计4个。

2半刚性基层材料模量及应变演变模型推演

为使疲劳损伤的演变表示式能与实际材料疲劳性能更符，在原来损伤演化方程[10]的基础上重新提出了一种改进损伤演化方程：

（1）

经过一系列积分简化可得到基层应变与荷载作用次数的关系表达式：

（2）

式中，ε`为车辆荷载N次循环后，标准轴载作用下基层应变大小；ε为基层未受损时，标准轴载作用产生的应变大小；N为荷载作用累计次数；σ为应力幅值；m，n与材料疲劳性能相关参数；λ，ξ为与材料相关参数。

3应变发展方程及规律

其中统计车辆中大客车与标准轴载最为接近，故可采用大客作用下基层底部拉应变值建立基层应变与交通量关系方程。以式先前推导的公式（2）为应变发展模型，对基层应变与对应交通量数据进行最小二乘分析，回归方程如式（3）所示。

（3）

试验段基层层底应变交通量为在0~50万次之间迅速增加，在50~350万次之间平稳增加，这是由于基层材料初期内部存在细微空隙、薄弱界面等，初期荷载作用在这些不良缺陷上，在内部形成应力集中效应，因此作用初期基层应变会迅速增大；随着荷载作用的增加，这些内部缺陷逐渐愈合，进而导致基层应变增加速率变缓。

根据式（3）可知试验段基层应变随交通量的发展方程，因此可绘制基层应变发展预测图，得到基层在未破坏前应变基本维持75×10-6以下，达到破坏阶段时应变突然由75×10-6增加至240×10-6，说明实际沥青路面半刚性基层未破坏前应变会长时间处于一个安全水平下，当达到破坏条件时突然开裂直至破坏。综合两个埋设断面应变发展图，可得本次试验段沥青路面半刚性基层层底拉应变安全水平约为75×10-6，当基层应变在该水平之下时可认为材料未发生破坏。同时，由基层应变发展预测图可知，基层应变在寿命周期内会经历三个阶段，第一阶段基层应变快速上升且持续时间较短；第二阶段基层应变平稳上升且持续时间较长；第三阶段基层应变再次迅速上升且上升幅度较大。

4结论

（1）得到了试验路段基层应变发展方程：

（2）试验路现场基层应变随交通量呈三阶段发展，第一阶段基层应变会迅速增大但持续时间较短；第二阶段基层应变稳定增加且持续时间较长；第三阶段基层应变再次急剧增加。

参考文献

[1]张长江.半刚性基层材料路用性能对比分析研究[J].公路交通科技(应用技术版),2009(3):84-87.

[2]王凤维,解松芳.多级等幅荷载下沥青路面疲劳破坏研究[J].公路工程,2017,42(5):267-272.

[3]宋健民,白鹏飞,管晓晴.半刚性基层沥青路面反射裂缝建模分析[J].公路工程,2017,42(3):40-44.

[4]马士宾,徐文斌,刘昊杨等.半刚性基层沥青路面结构可靠性分析[J].中外公路,2017(6):77-80.

[5]张书文,蔡燕霞.基于疲劳寿命的对复合式基层沥青路面再思考[J].公路工程,2010,35(3):28-31.

[6]王建章,李红.沥青路面半刚性基层结构承载能力评价方法研究[J].公路工程,43(5):209-212.

[7]杨三强,刘涛,谭忆秋等.干旱荒漠区水泥稳定砂砾基层干缩、温缩特性分析[J].广西大学学报(自然科学版),2013,38(4):918-928.

[8]郑健龙,吕松涛.沥青混合料非线性疲劳损伤模型[J].中国公路学报,2009,22(5):21-28.

郑义.半刚性基层沥青路面抗裂措施长期性能观测研究[J].公路工程,2014,39(6):234-238.

[9]刘亚敏,韩森,程贤鹏等.二灰稳定碎石收缩特性[J].广西大学学报(自然科学版),2012,37(1):124-127.

[10]WANGJ.LowCycleFatigueandCycleDependentCreepwithContinuumMechanics[J].IntJDamageMesh,1992,1(2):237-244.

作者简介

何坤(1995.08--)男，陕西省西安市人，硕士，专业：建筑与土木工程。