2020, Vol. 52
2. 哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院, 哈尔滨 150090
2. School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China
沥青路面服役过程中，由于车辆荷载和环境温度变化会使路面内部产生应力、应变、位移等结构响应[1]，开展现场实测是获取这些响应数据最为有效的一种研究手段.目前，国内外学者们依托实体工程试验路和足尺环道，开展了大量的路面结构响应研究工作，国外具有代表性的有美国AASHTO试验路[2-3]、明尼苏达州MnRoad试验路[4-5]、NCAT试验环道[6-8]等，国内具有代表性的有山东滨州试验路[9-10]、北京六环试验路[11-12]、交通运输部公路科学研究院RIOHTrack足尺路面试验环道[13]等.然而，已有研究过于关注荷载对路面结构实际响应行为的影响，更多地集中在真实行车荷载[14-15]和落锤式弯沉仪(FWD)荷载[16]作用下的沥青路面动力响应分析上，而在环境温度变化所引起的应力、应变、位移等结构响应变化方面的研究较少.
受季节更替影响，沥青路面的服役温度常表现出以年为单位的交替变化特征，因夏季高温和冬季低温的温差较大，使得年循环内的大气温度和路面结构内部温度会在一个很宽的范围内发生变化，该温度范围即为宽温度域.由于沥青混凝土是一种典型的温度敏感性材料，温度变化对其材料性能和结构受力状态具有显著影响，即使结构形式与荷载参数完全相同，不同温度下的沥青路面结构响应也存在很大差别.此前的少部分研究[17]虽然注意到了温度对沥青路面结构响应的影响，但因缺少连续性的温度与结构响应观测数据，研究中仅以一年中某些季节的代表性温度进行分析，所采集到的温度范围较窄、结构响应数据的样本量偏少，不能覆盖沥青路面服役过程中的全部温度范围，也很难全面反映沥青路面在整个服役温度范围内的结构响应变化规律.
文献[18]研究发现，某一年度内的温度波动范围，基本可以覆盖沥青路面服役期内的温度变化情况，可作为宽温度域内沥青路面结构响应研究的温度输入参数.为此，本文基于中国RIOHTrack足尺路面试验环道，以半刚性基层沥青路面和全厚式沥青路面作为研究对象，对两种代表性结构2017年全年的服役温度和结构响应开展连续跟踪观测，获得可覆盖沥青路面服役温度范围的荷载-温度-结构响应同步观测参数，分析不同温度下沥青路面的结构响应特征和深度分布规律，建立温度与响应参数的关系模型，以全面描述和表达服役期内的沥青路面结构响应行为.
1 路面结构响应观测方法 1.1 路面结构形式半刚性基层沥青路面(STR1)由两层水泥稳定土(CS)底基层、两层水泥稳定碎石(CBG25)基层和两层沥青混凝土面层组成，全厚式沥青路面(STR19)由1层水泥稳定碎石(CBG25)、3层沥青混凝土基层和两层沥青混凝土面层组成，两种结构的材料组成和厚度如图 1所示.
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图 1 路面结构形式 Fig. 1 Pavement structures |
大气温度使用小型气象站进行采集，前端采集设备为锦州产PC-4，后端采集设备为澳大利亚产dataTakerDT80.沥青路面内部温度采用锦州产PT100铂电阻温度传感器进行观测，分别布置于各层层底和土基内部距面层顶面1.5、2.0、2.5 m位置处.
1.3 弯沉观测弯沉采用FWD作为试验荷载，通过9个传感器对其进行观测，9个传感器的编号及其距离荷载中心点的距离分别为D0=0 m、D1=0.23 m、D2=0.53 m、D3=0.69 m、D4=0.85 m、D5=1.16 m、D6=1.53 m、D7=1.75 m、D8=2.05 m.本文研究的试验荷载为5 t.
1.4 应变和应力观测沥青混凝土结构层的水平方向应变采用TML公司生产的“工字型” KM-100 HAS动态沥青应变计进行观测，如图 2(a)所示；水泥稳定土结构层和水泥稳定碎石结构层的水平方向应变采用TML公司生产的KM-100A动态混凝土应变计进行观测，如图 2(b)所示.各层层底竖直方向压应力σz，采用意大利产P252A型土压力计，如图 2(c)所示.
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图 2 应变/应力传感器 Fig. 2 Strain/stress sensors |
压力计和应变计的布置情况如图 3所示，每层呈矩形埋设.每层压力计布置1个，位于矩形中心处；每层应变计布置8个，位于矩形四角处，其中顺着车辆行驶方向的纵向应变计(εy)以及垂直于车辆行驶方向的横向应变计(εx)各布置4个.为了与国际上通用的结构受力方向表达习惯相统一，本文将应力实测值为正值、应变实测值为负值时的力学响应状态定义为压缩状态，分别对应于压应力、压应变；反之，将应力实测值为负值、应变实测值为正值时的力学响应状态定义为拉伸状态，分别对应于拉应力、拉应变.
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图 3 布设示意图 Fig. 3 Layout diagram |
图 4为2017年STR1和STR19在FWD荷载作用下路面结构响应参数的年变化曲线.由图 4可以看出，随着季节更替，弯沉、应力和应变等结构响应会出现明显的周期性波动，总体上表现出以年为单位的循环交替变化规律.在数值上，中心点弯沉D0以及h=12 cm处的εx、εy、σz的数值均随着季节变化呈先增大后减小的趋势.即：冬季低温时，沥青路面的弯沉、应力、应变等结构响应数值最小；过了冬季，温度升高之后，数值开始逐渐增大，直至夏季高温时达到最大；然后，数值又开始逐渐变小，到了冬季低温时，应力应变又减小至很低的水平.可见，在较宽的温度范围内，由于受季节变化影响结构内部温度不断变化，也对弯沉、应变和应力等结构响应产生了明显影响.
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图 4 宽温度域内沥青路面结构响应的基本规律 Fig. 4 Basic response rule of asphalt pavement structure in wide temperature range |
弯沉主要反映整体路面结构的变形，国内外学者在研究温度与弯沉关系时，一般采用弯沉检测前5日的大气日平均温度均值Ta作为代表性温度进行分析.以图 4(a)中两种结构的D0与Ta之间建立相关关系，如图 5所示.通过2017年温度与结构响应的连续跟踪观测可知，STR1与STR19结构的Ta为-0.6~30.5 ℃，STR1中心点弯沉值D0的变化为7.7~22.7(0.01 mm)，STR19中心点弯沉值D0的变化为7.1~16.9(0.01 mm)，所采集到的温度范围较宽、结构响应数据较多，可基本覆盖两种路面结构2017年全年的大气日平均温度范围及其实际结构响应.
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图 5 温度与弯沉的关系曲线 Fig. 5 Relation between temperature and deflection |
由图 5可以看出，温度会明显影响路面结构弯沉，温度升高以后，D0会随之变大，温度对弯沉的影响十分敏感.这是因为沥青混凝土具有感温性，在宽温度域内是一种典型的黏弹性体，当温度较高时，其本构关系会表现为黏性流体，材料偏软、劲度模量偏小，在承受相同荷载时更容易发生变形.从图 5中还可以看出，D0与Ta之间呈单调递增的变化趋势，二者关系可采用下式进行拟合：
| $ l = {k_1}\cdot{\text{e}^{{k_2}\cdot{T_{\rm{a}}}}}. $ | (1) |
式中：l为中心点弯沉D0，Ta为FWD荷载作用前5 d的大气日平均温度均值，k1、k2为回归参数.
采用式(1)对图 5中D0与Ta之间的相关关系其进行回归，决定系数R2在0.95左右，拟合效果较好，回归参数见表 1.
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表 1 模型k1和k2回归参数 Tab. 1 Regression parameters k1 and k2 of model |
由于路面结构内部温度处于不断变化之中，为了保证温度取值的合理性，本文在研究温度与应变关系时，选择FWD荷载作用前后30 min内结构内部应变计埋设位置处的温度均值Ts以及FWD测试时刻的实时大气温度Tb，作为代表性温度进行分析.以图 4(b)、4(c)中STR19结构h=12 cm处的εx、εy为基础数据，与Ts和Tb之间建立相关关系，如图 6所示.通过2017年温度与结构响应的连续跟踪观测可知，STR19结构服役过程中结构内部h=12 cm处的Ts值为-0.7~42.1 ℃.
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图 6 温度与应变关系曲线(STR19, h =12 cm) Fig. 6 Relation between temperature and strain (STR19, h=12 cm) |
由图 6可以看出，STR19结构h=12 cm处εx、εy均为压应变，应变数值随着温度Ts和Tb的升高而逐渐增大.如前所述，这是因为沥青混凝土具有感温性，在宽温度域内是一种典型的黏弹性体，其本构关系会随着温度变化而改变，从而导致结构的受力状态发生变化.当温度较低时，其本构关系会表现为线弹性体，材料较硬、劲度模量较大，结构受力较为有利，应变较小；而当温度较高时，其本构关系会表现为黏性流体，材料偏软、劲度模量偏小，在承受相同荷载时产生的应变会变大.观察图 6中曲线特征发现，温度Ts和Tb与应变的相关关系均可以采用指数函数模型来描述，其中，Ts与应变的相关性明显优于Tb，Ts的决定系数R2可达到0.95以上，相关性最好.因此，可选择Ts作为宽温度域应变分析的代表性温度参数，建立h=12 cm处STR1及STR19应变响应与温度的关系模型为
| $ \varepsilon = {k_3}\cdot{\text{e}^{{k_4}\cdot{T_{\rm{s}}}}}. $ | (2) |
式中：ε为水平横向应变εx或水平纵向应变εy，Ts为FWD荷载作用前后30 min内应变计埋设位置处的温度均值，k3、k4为回归参数.模型参数回归结果见表 2.
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表 2 模型k3和k4回归参数 Tab. 2 Regression parameters k3 and k4 of model |
为进一步研究其他结构层处温度与应变相关关系，选择STR19结构h=24 cm处的εx、εy进行分析，如图 7所示.由图 7可以看出，在较宽的温度范围内，STR19结构h=24 cm处的εx、εy，随温度变化会出现压应变-拉应变-压应变的交替变化现象，即：当温度较低时为压应变；当温度升高之后出现压-拉转换点，之后转变为拉应变；当温度进一步升高后，出现拉-压转换点，然后转变为压应变.这种现象表明，在宽温度域内，h=24 cm处的受力状态会随着温度的变化而出现应变状态的改变，当温度逐渐升高时，该处受力情况表现为压缩-拉伸-压缩的交替转换，这与h=12 cm处的应变变化趋势完全不同.这是由于沥青路面在服役过程中，环境温度不断变化，随之引起沥青混合料的物理性质、力学性质、黏弹性本构关系等不断交替变化，从而导致结构的受力状态出现交替变化.
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图 7 温度与应变关系曲线(STR19, h =24 cm) Fig. 7 Relation between temperature and strain (STR19, h=24 cm) |
上述研究表明，在宽温度域内，对于沥青路面的应变响应而言，温度不仅影响应变数值的增减，还会改变应变方向.因为沥青混凝土具有温度敏感性，在宽温度域内是一种随温度变化的典型黏弹性体，当温度较低时，其本构关系会表现为线弹性体，材料较硬、劲度模量较大，可以采用线性弹性层状体系对其进行力学计算；然而，当温度较高时，其本构关系则会表现为黏性流体，材料偏软、劲度模量偏小，此时采用线性弹性层状体系进行力学计算显然并不合理，而应该引入非线性力学理论对层状体系进行修正以后，方可开展力学计算.正是由于温度对应变的显著影响，为了提高计算分析和结构设计的可靠性，宜使用沥青路面最不利季节时的温度作为力学计算的基本参数.
2.3.2 结构深度-应变相关关系为研究应变沿结构深度方向的分布规律，在STR1和STR19服役的温度域范围内，选择最高温度Tmax、最低温度Tmin和中间温度Tc作为代表性的温度参数进行应变分析，如图 8所示.
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图 8 深度与应变关系曲线 Fig. 8 Relation between depth and strain |
由图 8(a)、8(b)可以看出，STR1结构h=12 cm的沥青混凝土材料层层底、h=32 cm的半刚性材料层层底均为受压状态；而h=52 cm、h=72 cm、h=92 cm处的半刚性材料层层底均为受拉状态，无论温度如何变化，最大拉应变始终在h=52 cm的半刚性材料层层底位置处.
由图 8(c)、8(d)可以看出，无论温度如何变化，STR19结构h=12 cm的沥青混凝土材料层层底始终为受压状态；h=36 cm、h=48 cm、h=68 cm的结构层层底始终为受拉状态，最大拉应变始终在h=48 cm的沥青混凝土材料层层底位置处.但h=24 cm的沥青混凝土材料层层底受力状态会出现受压-受拉-受压的交替变化，而且从深度上来看，在24~36 cm之间的深度，路面结构的受力状态也呈现这种拉压转换，随着温度的升高，拉压转换的应变0值线(即拉压转换中性轴)位置会渐渐背离路表而向结构深处转移.这是由于STR19结构的沥青材料层较厚，而温度变化对沥青材料层的影响较大，整个路面结构随着沥青混凝土物理、力学性质的变化而出现了受力情况的显著改变.当温度较低时，沥青混凝土结构层更接近于板体，外力荷载可以在沥青混凝土结构层内进行消散，不会再向下传递；当温度较高时，沥青混凝土结构层板体性消失，接近于粘流态体，此时外力荷载无法在上部结构进行消散，只能向下部传递.
2.4 温度与应力的关系为分析宽温度域范围内温度与应力的相关性，以图 4(d)中STR19结构h=12 cm处的σz为基础数据，与Ts、Tb之间建立关系，如图 9所示.从图 9中可以看出，STR19结构h=12、24、36、48 cm处σz均为压应力，应力数值随着温度的升高增幅十分明显，温度-应力相关关系呈现单调递增的变化规律.这是由于沥青混合料的物理、力学性质会随温度变化出现明显改变，当温度较高时，模量较低，在承受相同荷载时沥青层层底竖向应力会变大. 图 9中，应力与温度Ts、Tb的相关关系可以采用指数函数模型来描述，其中，Ts与应变关系的决定系数R2在0.95以上，相关性较好，而Tb与应变之间的相关性较差.按此方法建立h=12 cm处STR1及STR19应力响应与温度的关系模型为
| $ {\rm{ln}}\;\sigma = {k_5}\cdot{\text{e}^{{k_6}\cdot{T_{\rm{s}}}}}. $ | (3) |
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图 9 温度与应力关系曲线 Fig. 9 Relation between temperature and stress |
式中：σ为竖向应力σz，Ts为FWD荷载作用前后30 min内压力计埋设位置处的温度均值，k5、k6为回归参数.模型参数回归结果见表 3.
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表 3 模型k5和k6回归参数 Tab. 3 Regression parameters k5 and k6 of model |
为研究应力沿结构深度方向的分布规律，在STR19服役的宽温度域范围内，选择最高温度Tmax、最低温度Tmin和中间温度Tc作为代表性的温度参数进行应力分析，如图 10所示.
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图 10 深度与应力关系曲线 Fig. 10 Relation between depth and stress |
从图 10中可以看出，对于STR19结构而言，随着深度的增加应力响应数值衰减较快，至沥青材料层层底位置(h=48 cm)处，应力已经衰减到很小的数值.虽然温度较高时，应力数值较大，但其沿深度方向的衰减速度也更快，在沥青材料层中部位置(h=24 cm)处，应力已经衰减h=12 cm处的一半以上.
3 结论1) 2017年RIOHTrack的连续观测结果表明，年循环内大气日平均温度变化为-0.6~30.5 ℃，路面结构内部12 cm处实时温度变化为-0.7~42.1 ℃，可基本覆盖路面结构的服役温度范围，属于宽温度域范畴.
2) 宽温度域内，沥青路面弯沉数值随季节更替发生以年为周期的循环交替变化，半刚性基层沥青路面弯沉年变化为7.7~22.7(0.01 mm)，全厚式沥青路面弯沉年变化为7.1~16.9(0.01 mm).
3) 温度对弯沉、应变和应力响应具有显著影响，可采用指数函数模型进行描述，决定系数R2可达到0.95以上，相关性良好.
4) 在较宽的温度范围内，温度变化不仅会引起结构内部应变、应力数值的增减，还会改变某些结构层的应变方向：由压(拉)应变转换为拉(压)应变.为了提高计算分析和结构设计的可靠性，宜使用沥青路面最不利季节时的温度作为力学计算的基本参数.
5) 沿深度方向上，全厚式沥青路面从压应变到拉应变转换的中性轴位置出现在深度为24~36 cm之间，中性轴位置随着温度升高会逐渐远离路表，向结构下部移动.夏季高温时，层底压应力沿深度上衰减较快，至路面结构内部24 cm处压应力可减小至50%以上.
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