浅析智能颗粒在沥青路面受力特性中的监测应用

浅析智能颗粒在沥青路面受力特性中的监测应用

沥青路面结构的力学特性一直是道路工程研究的重点，也是其最難解决的问题之一。随着交通量的增长，我国高速公路改扩建工程越来越多，而智能颗粒是针对公路路面受力、变形监测及路用性能预测等需求开发的超小型耐高温高精度传感器。本文结合齐鲁交通发展集团养护大中修项目，通过埋设智能颗粒，研究了沥青面层结构在荷载条件下的力学特性，结果表明智能颗粒能够有效监测沥青路面受力特性，对沥青路面的修复具有十分重要的现实意义和指导意义。

标签：道路工程;智能颗粒;沥青路面;内力特性;姿态转角

0引言

智能颗粒是针对公路路面受力、变形监测及路用性能预测等需求开发的超小型耐高温高精度传感器。智能颗粒能够实时采集监测的参数包括：标准时间，温度，路面内部正应力，大地坐标下的三维欧拉角，剪应变，高精度三轴加速度。利用低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）或者其他通讯协议传送数据到便携式接收器，或远程控制路边信号采集器（STRDAL GLOBAL），实时上传至云端储存，供用户随时查看、下载。该设备结构精巧，尺寸小，可耐受180℃以上高温，不受应用环境限制，使用方便[1]。

1 智能颗粒监测系统设计

针对沈海高速养护大中修蓬莱段路面结构实际情况，根据力学理论模型中在车辆荷载作用下路面内部温度场、应力场、应变场范围及弯沉盆形状确定了智能颗粒埋设位置。10颗智能颗粒分布在上、中、下三层。其中智能颗粒粒径为2cm，2颗位于下面层底部，行车道外侧轮迹带下方，距离路面表面16cm～18cm;6颗位于中面层顶部，距路面表面4cm～6cm行车道外侧轮迹带下方;2颗位于上面层底部，距路面表面4cm～6cm，分别位于行车道外侧轮迹带下方和行车道轴中位置[2-3]。

2 智能颗粒埋设过程

根据现场情况按设计图纸进行颗粒位置放样。与此同时，将埋设在下面层的两颗颗粒并排对齐路边静置，采集静态环境数据3min。然后摊铺下面层沥青混合料，在标记位置处将松散的沥青混合料挖开，坑底应为基层顶部，安放颗粒后填埋混合料并整平。随后进行压实，压实过程中连续实时收集数据，直至压实完成断开连接。最后待混合料温度降至环境温度后再次连接智能颗粒，采集数据[4]。完成后根据后续工程安排配置智能颗粒睡眠唤醒时间，如图1所示。

3 路面结构受力特性分析

根据所采集的数据，智能颗粒可以给出车辆荷载经过时路面内部集料的加速

度和应力特征。智能颗粒启动监测后三轴应力计算实时采集路面内部应力数据。以上面层1号颗粒采集数据为例。经过数据处理可以发现在76s时竖向应力产生突变，应力变化值为0.014MPa，其他方向应力变化不大，仅为0.002MPa～0.004MPa，如图2。分析原因：当时有车辆经过，引起颗粒附近路面内部突然产生较大应力，根据颗粒在路面中的姿态可以判断荷载在路面内部主要是竖向传递。沥青层顶竖向应力是沥青路面结构验算中计算沥青层永久变形的重要参数，本项目通过现场实际数据验证了参数选取的合理性[5]。

同样对其他颗粒进行分析，如图3、图4所示为其余颗粒采集的竖向加速度数据。从图中可以发现与上面层1号颗粒相同，在71s～73s左右各个颗粒的加速度均产生突变，幅值较1号颗粒小，为1号颗粒加速度的25%～75%。因此在路面材料设计过程中，对沥青混合料结构层性能都应考虑动载作用下的材料变形情况。

4 结论

本文通过铺筑试验路段，在沥青面层埋设智能颗粒，每套智能监测系统共安装10个智能颗粒，并最终确定了智能颗粒埋设方案和埋设流程。当车辆经过时，会引起颗粒附近路面内部突然产生的较大应力，根据颗粒在路面中的姿态可以判断荷载在路面内部主要是沿竖向传递。表明由车辆荷载引起的振动方向主要为竖直方向。因此在路面材料设计过程中，对沥青混合料性能还应考虑动载作用下材料变形情况。

参考文献

[1] 田庚亮.光纤传感技术监测沥青混合料应变响应有效性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[2] 王晓洁.基于光纤光栅传感器的沥青路面性能监测研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.

[3] 刘树龙.光纤Bragg光栅在沥青路面性能健康监测中的试验研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

[4] 石丹凤.利用光纤应变传感器测试沥青路面结构应变方案设计[J].山西交通科技，2010（1）：24-26.

[5] 董泽蛟，柳浩，谭忆秋，等.沥青路面三向应变响应现场实测研究[J].华南理工大学学报（自然科学版），2009（4）：46-51.

Analysis on the Monitoring Application of Smart Particles in the Force Characteristics of Asphalt Pavement

Abstract：The mechanical properties of asphalt pavement structure have always

been the focus of road engineering research and one of the most difficult problems to solve. With the growth of traffic volume，there are more and more highway reconstruction and expansion projects in my country. Smart particles are ultra-small，high-temperature and high-precision sensors developed for the needs of highway pavement stress and deformation monitoring and road performance prediction. In this paper，combined with the maintenance and repair project of Qilu Transportation Development Group，the mechanical properties of asphalt pavement structure under load conditions are studied by burying smart particles. The results show that smart particles can effectively monitor the mechanical characteristics of asphalt pavements，and are useful for the repair of asphalt pavements. Very important practical significance and guiding significance.

Keywords：road engineering; smart particles; asphalt pavement; internal force characteristics; attitude corner