一种基于ARA设备路面荷载在冻结融化期内的控制方法

技术领域

本发明属于公路沥青路面结构加载应用技术领域，涉及一种在冻结期内路面荷载的控制方法，具体涉及一种基于ARA设备路面荷载在冻结融化期内的控制方法。

背景技术

沥青路面在荷载和环境的长期作用后，路面养护、维修问题便会成为重中之重。据统计我国近几年的高速公路的路面大、中修养护、维修里程将达到8000公里/年。尤其在冬季寒冷漫长且常有重载车辆通行的东北地区，相关问题更为严重。在这些寒冷地区，人们普遍认为环境因素和交通荷载都会影响柔性路面的性能。因此，如何合理控制荷载条件成为重中之中。

在冻融过程中，水分和温度的变化对路面性能的变化起着重要作用。首先，路面结构中的孔隙水在结冰时形成冰透镜。这种冰透镜体可以通过毛细管作用吸引冻结前沿的水，从而导致冰的存在增加并导致冻胀。在春季解冻期间，路面结构中的积冰再次融化成水，增加了未结合层的含水量。未结合材料中的这种过量含水量能够降低其弹性模量，并增加柔性路面在交通荷载下产生永久应变和疲劳裂纹的可能性。所有这些影响都加速了寒冷地区路面的退化。对寒冷地区路面冻融过程的力学规律和结构性能变化研究，进而提出合理的养护与运营政策，成为减缓路面退化，延长道路使用寿命的重点方向。

针对道路力学响应与演变规律的研究目前主要集中在野外观测和室内试验两个方面。如果利用道路的寿命周期内野外长期观测试验产生的数据分析、研究路面结构形式、路面材料配比、路面破坏机理及施工工艺，数据的准确性和可靠性较高，但数据采集周期太长，实验结果严重滞后，消耗巨大的人力、物力和财力，且道路环境、交通荷载每时每刻均在变化，因而收集的资料很难准确评价路面结构性能，难以满足当前道路建设和交通迅速发展的需要。

而传统的取样室内实验方法试验投资少、时间短，因而得到较多的应用。然而小试件的高温变形、疲劳试验中试件的受力状态与路面实际运营中路面服役状态有相对较大的差异，不能很好的拟合实际工作状态中沥青路面的损坏过程，对于评价沥青混合料的高温变形和疲劳性能会有较大的偏差，而且试验结果与实际路面使用寿命差异很大，不同的研究者提出的修正系数相差悬殊，无法进行对比。鉴于小试件试验的诸多缺陷，有必要寻找一种更接近路面实际运营状态的加载方式，来探究路面实际工作状态的高低温和疲劳性能。

许多研究人员已经定量提出了冻融对柔性路面结构性能的影响。Salour等人的一项研究表明，FWD测量的反计算显示，与夏季值相比，春季解冻期间路基土壤的刚度损失了63％，颗粒基层和底基层的刚度下降了48％。此外，许多国家通过对一年内路面性能的调查，研究并提出了寒冷气候地区的动态荷载限制政策。这一政策有助于管理春季解冻减弱和冬季霜冻期间的道路状况。为了实现这一政策，有必要进一步了解柔性路面结构在冻融过程中的结构性能变化，进而提出路面荷载限制依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于ARA设备路面荷载在冻结融化期内的控制方法，该方法能够探究冻结期间沥青路面结构性能变化，为寒冷气候地区的动态荷载限制范围的提出提供参考。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于ARA设备路面荷载在冻结融化期内的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、在沥青路面各结构层布设相应传感器，所述传感器包括应变传感器、压力传感器、胎压传感器、温度传感器、湿度传感器、吸力传感器；

步骤二、采用ARA设备进行实际行车荷载模拟，并采集沥青路面冻结、融化过程中温湿度场数据，研究不同深度的温度湿度随冻结融化时间的变化；

步骤三、跟踪采集沥青路面冻结、融化过程中温结构力学响应数据，研究各层位应变以及路标弯沉随冻结融化时间的变化；

步骤四、基于冻结融化下沥青路面力学响应的演化规律，建立如下经验模型：

式中，m

步骤五、通过分析经验模型中的自变量与路面结构性能的关系，确定经验模型中相关参数；

步骤六、经验模型计算值和测试响应值之间进行对比，确定经验模型误差，总结冻结期间超载引起的力学响应变化，根据这些测试和建模结果明确冬季荷载对路面的损伤特点，提出冬季冻结融化过程中荷载限制。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、加速加载路面试验可以在接近实际使用条件的情况下对路面状况和性能进行快速的试验研究，在尽可能短的时间内取得试验结果，以指导实践工作，可以应用在对不同路面类型、不同路用材料、不同荷载类型的经验性比较上，也可用在对路面响应和材料状况理论模型的验证上。相较传统的道路的寿命周期内野外长期观测数据，本发明具备精度高、周期短的技术特点，可实时观测道路环境与交通荷载的变化，进而明确路面结构性能变化。同时具有人力物力消耗小，观测操控简便的经济优势。相较传统的室内小试样试验，本发明的试验条件更贴合路面实际运营状态，同时荷载与温度条件可以按照需求进行调整，与实际路面使用情况更为接近，数据差异性较小。

2、本发明基于ARA可控低温的加速加载设备，针对沥青路面结构，开展不同温度、荷载条件下的沥青路面加速加载试验，可以很好的模拟行车荷载下路面的实际工作状态和环境因素的作用，在较短的时间内模拟长期现场服务荷载的状态，并建立路面结构使用性能指标的变化规律，从而得到对沥青路面结构长期使用性能的评价。在明确路面结构性能演化规律的基础上，实现路面冻融期间路面荷载的精细化、科学化控制。

附图说明

图1为冻结过程中不同时间的温度场；

图2为等温线深度与时间关系；

图3为冻结过程中不同深度的温度场分布；

图4为沥青层纵向应变变化；

图5为测试响应值与模型响应值对比；

图6为冻结期间超载10％引起的力学响应；

图7为冻结期间限载20％引起的力学响应；

图8为沥青层底拉应变；

图9为各结构层应变值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明通过研究柔性路面在冻融过程中的结构性能演变，在每个路面层中安装不同类型的传感器，并采用ARA公司生产的ATLAS22型加速运输装载系统，模拟路面的交通荷载，并对路面表面施加冷却空气温度以监测路面结构中的机械和环境因素变化，进而提供了一种基于ARA设备路面荷载在冻结融化期内的控制方法，最大限度地保护路面。所述方法包括如下步骤：

步骤一、在沥青路面各结构层布设相应传感器，所述传感器包括应变传感器、压力传感器、胎压传感器、温度传感器、湿度传感器、吸力传感器。

步骤二、采用ARA设备进行实际行车荷载模拟，并采集沥青路面冻结、融化过程中温湿度场数据，研究不同深度的温度湿度随冻结融化时间的变化。

步骤三、跟踪采集沥青路面冻结、融化过程中温结构力学响应数据，研究各层位应变以及路标弯沉随冻结融化时间的变化。

步骤四、基于冻结融化下沥青路面力学响应的演化规律，研究各层位在路面性能变化过程中所起到的作用。用冻深和质量含水率来表示材料的冻结状态，描述其力学性能。当绘制力学响应随冻结深度或质量含水率的变化曲线时，观察到其具有很强的幂函数、指数函数关系。因此，在研究了力学响应变化与冻深比、质量含水率之间的关系后，提出广义经验模型：

式中，m

当0

步骤五、通过分析经验模型中的自变量(冻深比、质量含水率等)与路面结构性能的关系，确定经验模型中相关参数。具体步骤如下：

步骤五一、在建模的过程中，通过分析经验模型中的自变量(冻深比、质量含水率等)与路面结构性能的关系，确定模型参数a

步骤五二、在确定了所有的模型参数a

步骤六、将经验模型计算值和测试响应值之间进行对比，确定经验模型误差，对于所考虑的大部分力学响应参数，进行修正更改，总结冻结期间超载引起的力学响应变化，根据这些测试和建模结果明确冬季荷载对路面的损伤特点，提出冬季冻结融化过程中荷载限制。通过模型建立，可计算出不同的荷载限制条件下(如限载20％)，路面各层的力学响应，进而为道路荷载限制提出依据(根据各层间的力学特征，提出合理的路面荷载限制条件，如限载、限流等)。

实施例：

以单向长时冻结融化下沥青路面力学响应为例，对本发明的基于ARA加速加载设备路面荷载在冻结融化期内的控制方法的具体实施步骤进行说明：

步骤一、将应变传感器、压力传感器、胎压传感器、温度传感器、湿度传感器、吸力传感器布设在沥青路面各结构层。

表1用于测试路面结构的材料和传感器信息

步骤二、采集沥青路面冻结、融化过程中温湿度场数据，研究不同深度的温度湿度随冻结融化时间的变化。

根据现有研究结论，冻结时间的平方根与冻结深度之间存在线性关系，因此，选取横坐标自变量为冻结时间的平方根，因变量为体积含水率与基质吸力。

步骤三、跟踪采集沥青路面冻结、融化过程中温结构力学响应数据，研究各层位应变以及路标弯沉随冻结融化时间的变化。

冻结过程可以分为五个单独的阶段。在第一和第二阶段，沥青层中的温度逐渐降低，直到所有沥青层冻结。沥青混凝土中温度的降低导致沥青层刚度增加，从而分别导致沥青层底部和下部层位的拉伸应变和垂直应变降低。第三阶段与基层的冻结有关。在此过程中，与底基层和路基的竖向应变相比，沥青混凝土中的拉应变和基层中的竖向应变减小的更为迅速。对于第四阶段，在完全冻结的情况下，沥青混凝土和基层中的应变几乎保持恒定。随着底基层的逐渐冻结，底基层和路基中的应变也逐渐降低。在第五阶段出现类似的应变变化。尽管基层中的应变平稳变化，但路基中的应变仍在降低，根据时间的推移，研究各层位间应变变化以及路标弯沉变化。

步骤四、基于冻结融化下沥青路面力学响应的演化规律，建立了经验模型，用冻深和质量含水率来表示材料的冻结状态，描述其力学性能。因此，在研究了力学响应变化与冻深比、质量含水率之间的关系后，提出广义经验模型，虽然冻深比和基层的质量含水量都会影响路面结构的力学响应，但这两个因素对路面力学性能变化的作用有所不同。因此，在经验模型中引入了六个模型参数A到F。

步骤五、通过分析模型中的自变量(冻深比、质量含水率等)与路面结构性能的关系，确定模型中相关参数。

通过沥青层纵向应变变化，可以逐个确定模型中的参数a

表2应变变化模型参数

参数b

表3 w

在确定了所有的模型参数a

表4应变变化模型修正参数

步骤六、将模型计算值和测试响应值之间进行对比，确定模型误差，总结冻结期间超载引起的力学响应变化，根据这些测试和建模结果明确冬季荷载对路面的损伤特点，提出超载限制或交通流量限制。

建模过程同样也可以应用于描述结构中的应力变化。计算和测试响应值之间的差距较小，可以看出，该模型可以对大多数试验值进行很好地预测和解释。最终确定均方根误差(RMSE)为2.9，表明该模型具有良好的准确性。

对于模型中所考虑的大部分力学响应参数，10％的超载会使路面结构出现约10％的应变和应力增加。在春季融化过程中，采用减少标准荷载的形式进行加载。分别采用50kN荷载与40kN荷载进行融化过程中的加载，可以看到，减少20％的载荷可以使路面结构中的应力和应变降低10～20％。

因此，对于寒区沥青路面，为减少各阶段交通荷载导致的结构疲劳损伤，提高道路的运输效率和价值，保证沥青路面各结构层的服役耐久性，可采取不同温度条件下的动态荷载控制方法。例如，冬季时，考虑损伤等效原理，可以适当增加允许交通轴载。春融期内，由于单位荷载导致的损伤更大，需要在现有标准轴载基础上做更大的限制，以保证沥青路面使用寿命。