沥青路面面层抗车辙试验装置及试验方法

摘要

一种沥青路面面层抗车辙试验装置及试验方法，属于路面结构变形监测技术领域。本发明针对现有车辙试验无法真实评价沥青路面抗车辙性能问题而提出。装置包括：多层车辙板试件设置在轮胎式车辙试验仪内，多层车辙板试件的上表面及层间分别埋设分布式光纤传感器；分布式光纤传感器采集的应变信号通过光纤解调仪传递至监控终端；所述多层车辙板试件底层为碾压成型的沥青混合料，其余各层之间撒布沥青；多层车辙板试件层间布设的分布式光纤传感器位置对应相同；多层车辙板试件与分布式光纤传感器一体化成型。本发明用于模拟实现路面结构变形监测。

说明书

技术领域

本发明涉及沥青路面面层抗车辙试验装置及试验方法，属于路面结构变形监测技术领域。

背景技术

车辙作为沥青路面的众多病害之一，严重影响沥青路面的服务水平和车辆的行车安全。若能准确地预测路面变形量，对车辙预防和路面养护具有重大意义。

在夏季高温天气，沥青混合料的强度和劲度都会大幅度下降。此时，大量荷载的反复作用使沥青路面的轮迹带逐渐变形下凹，两侧逐渐鼓起，形成车辙，继续发展则成辙槽。当达到一定深度，辙槽内容易积水并影响行车舒适和安全。此外，车辙损坏所带来的养护维修费用也比较昂贵。因此，对沥青面层的高温稳定性和车辙发展规律进行研究显得尤为重要。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011中规定，沥青混合料车辙板的尺寸为300mm*300mm*50mm。而单一研究依靠该模具制作的单层板，与实际的多层路面结构并不相符，且现有车辙试验仅考虑车辙深度，即竖向变形的单一特征，未考虑水平向应变分布特征，不能真实地反映其抗车辙性能的优劣。

发明内容

针对现有车辙试验无法真实评价沥青路面抗车辙性能问题，本发明提供一种沥青路面面层抗车辙试验装置及试验方法。

本发明的一种沥青路面面层抗车辙试验装置，包括分布式光纤传感器、多层车辙板试件、轮胎式车辙试验仪、光纤解调仪和监控终端，

多层车辙板试件设置在轮胎式车辙试验仪内，多层车辙板试件的上表面及层间分别埋设分布式光纤传感器；

分布式光纤传感器用于采集多层车辙板试件在轮胎式车辙试验仪内进行车辙试验的应变信号；所述应变信号通过光纤解调仪传递至监控终端；

所述多层车辙板试件为碾压成型的多层沥青混合料，各层之间撒布沥青；分布式光纤传感器在多层车辙板试件的上表面轮迹一侧范围内布置，在多层车辙板试件的层间全范围内均匀布置；多层车辙板试件层间布设的分布式光纤传感器位置对应相同；多层车辙板试件与分布式光纤传感器一体化成型。

根据本发明的沥青路面面层抗车辙试验装置，所述多层车辙板试件采用多层车辙板模具成型。

根据本发明的沥青路面面层抗车辙试验装置，所述多层车辙板试件包括双层车辙板试件和三层车辙板试件。

根据本发明的沥青路面面层抗车辙试验装置，分布式光纤传感器成格栅状交叉布置。

根据本发明的沥青路面面层抗车辙试验装置，分布式光纤传感器与多层车辙板试件的一体化成型包括：

在多层车辙板试件表面使用切割机切槽，在槽内安装分布式光纤传感器，采用槽内浇筑实现一体化成型。

根据本发明的沥青路面面层抗车辙试验装置，分布式光纤传感器与多层车辙板试件的一体化成型包括：

分布式光纤传感器与多层车辙板试件粘贴固定成型。

根据本发明的沥青路面面层抗车辙试验装置，所述分布式光纤传感器首端为自由端，尾端与光纤解调仪连接。

根据本发明的沥青路面面层抗车辙试验装置，所述光纤解调仪包括基于光频域反射技术的OFDR解调仪。

本发明还提供了一种沥青路面面层抗车辙试验方法，基于所述沥青路面面层抗车辙试验装置实现；包括，

使轮胎式车辙试验仪的荷载轮在多层车辙板试件上行驶；

监控终端根据分布式光纤传感器实时采集的应变信号，获得多层车辙板试件各层应变分布及时程变化。

根据本发明所述的沥青路面面层抗车辙试验方法，根据各层应变分布及时程变化，获得多层车辙板试件不同层位横向、纵向应变数据差异，分析当前多层车辙板试件的变形演变规律，进而对当前多层车辙板试件抗车辙性能进行评价。

本发明的有益效果：本发明将分布式光纤传感器以格栅状形式安装在多层车辙板试件上，可以监测在车辙试验仪的不同试验条件下，不同结构组合的多层车辙板试件的实时应变曲线。

结合分布式光纤传感器采集的数据及应变曲线可以确定不同结构组合的多层车辙板试件内部应变情况，从而可为探究沥青路面结构的纵向、横向变形规律提供依据。

本发明可实现全分布传感监测的优势，相比于传统车辙试验只考虑竖向位移变形单一分布特征，本发明创新地引入水平向应变分布和时程变化，可以更好分析沥青路面面层结构的永久变形演化规律，对不同混合料的车辙板试件给出相应的抗车辙性能评估，为路面结构优化提供思路和依据。对不同混合料的车辙板试件给出相应的抗车辙性能评估，为路面结构优化提供思路和依据。

本发明采用的分布式光纤传感器不仅具有质量轻、可嵌入等特点，还具有较大的动态范围和较强的抗电磁干扰能力。其中,光频域反射技术(OFDR)作为分布式光纤传感技术中极具潜力的一种技术，具有较高的空间分辨率和灵敏度。利用全分布式传感器，对路面进行全范围内的变形监测，可更好地预测车辙发展规律。

本发明采用分布式光纤传感器通过相同位置分层布设，不仅实现了沥青路面面层全范围内应变的实时追踪监测，还揭示了不同深度下的路面应变发展规律，可表明深度对于沥青混合料内部流动变形的影响。

本发明可模拟实际沥青路面结构组合，利用光学监测技术，通过分布式光纤传感器监测不同结构组合的车辙板表面全范围实时应变曲线，切实实现了路面结构全分布测量，并结合各层板横向、纵向应变数据，考虑深度影响，分析变形发展规律，更好地进行车辙预测，对结构组合抗车辙性能进行评价并进行结构优化，从而对路面结构设计提供数据支持和理论依据。

附图说明

图1是本发明所述沥青路面面层抗车辙试验装置的结构示意图；

图2是多层车辙板试件的示意图；

图3是多层车辙板试件的上表面设置分布式光纤传感器的示意图；

图4是多层车辙板试件的层间设置分布式光纤传感器的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图4所示，本发明的第一方面提供了一种沥青路面面层抗车辙试验装置，包括分布式光纤传感器1、多层车辙板试件2、轮胎式车辙试验仪3、光纤解调仪4和监控终端5，

多层车辙板试件2设置在轮胎式车辙试验仪3内，多层车辙板试件2的上表面及层间分别埋设分布式光纤传感器1；

分布式光纤传感器1用于采集多层车辙板试件2在轮胎式车辙试验仪3内进行车辙试验的应变信号；所述应变信号通过光纤解调仪4传递至监控终端5；

所述多层车辙板试件2为碾压成型的多层沥青混合料，各层之间撒布沥青；分布式光纤传感器1在多层车辙板试件2的上表面轮迹一侧范围内布置，在多层车辙板试件2的层间全范围内均匀布置；多层车辙板试件2层间布设的分布式光纤传感器1位置对应相同；多层车辙板试件2与分布式光纤传感器1一体化成型。

轮胎式车辙试验仪3的试验温度和胎压可根据规定和需要选用，通过荷载轮的重复作用，测定沥青混合料的变形能力。

分布式光纤传感器相较于传统的电子传感技术和机械传感技术具有不可比拟的技术优势。分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量。具有体积小、质量轻、可嵌入等特点，还具有较大的动态范围和较强的抗电磁干扰能力。一次测量就可以得到光纤分布范围内，被测量随时间和空间变化的分布信息，数据更加全面。可以借助分布式传感器以及光纤解调仪，实时监测路面在车辆荷载的作用下，发生不同程度的变形下的动态响应数据，来探究路面结构的纵向、横向变形规律，发挥全分布传感监测的优势，解决不能真实评价沥青路面抗车辙性能问题。

为了更好地模拟沥青路面的车辙变形情况，成型多层车辙板试件，用分布式光纤传感器对多层车辙板试件进行监测，全面采集和记录车辙板各层应变分布及时程变，获得其不同层位水平向应变数据，进而深入分析路面的变形演变规律，为评价和优化沥青路面抗车辙能力提供有力支撑，具有重要的理论意义与实践意义。

所述分布式光纤传感器1与光纤解调仪4可通过跳线连接，光纤解调仪4可通过数据线与监控终端5连接。

所述多层车辙板试件2每一层的厚度和材质可以依据实际需要进行调整，从而可研究不同结构组合下，沥青路面的形变性能。多层车辙板试件2在制作时先浇筑下层板，然后进行碾压成型，重复多次直至多层车辙板试件完全成型。

所述分布式光纤传感器1设置在车辙试件垂直于轮迹的一侧以及各层板交界处，可在荷载作用下，准确获取沥青路面各面层的全范围应变场，对各面层抗车辙变形能力进行合理评价。

多层车辙板试件2层间布设的分布式光纤传感器1位置对应相同，有利于得到不同深度下，车辙板全范围的应变时程曲线，反映深度对于应变的影响，分析深度对于车辙变形的影响。

进一步，所述多层车辙板试件2采用多层车辙板模具成型。

所述多层车辙板模具可用于成型不同层数的车辙板，例如单层车辙板，双层车辙板，三层车辙板等。多层车辙板模具具有不同规格侧模，通过组装满足各层所规定的厚度，从而成型不同结构组合的沥青混合料车辙板试件。

多层车辙板模具在制作多层车辙板试件2时，先在模具底层浇筑沥青混合料，碾压成型，再依次进行其余各层板的成型，并在层与层之间撒布沥青，可用作沥青粘层增强层间粘结。这种成型方式可以精确地建立不同厚度、不同材料、不同层间结合状态的沥青路面多层面层结构体系，更真实地反映路面结构组合。

所述多层车辙板模具可根据不同成型要求实现自由组装，拆卸都较为方便，成型的车辙板试件可真实模拟沥青路面面层的结构组合设计，与实际路面具有一致性。

作为示例，所述多层车辙板试件2包括双层车辙板试件和三层车辙板试件。车辙板各层厚度可根据实际要求调节模具尺寸进行改变，以模拟真实沥青路面面层结构，车辙板试件下方可布置橡胶板，用来模拟基层和路基。

再进一步，分布式光纤传感器1成格栅状交叉布置。格栅状交叉布置形式可对车辙板表面实现大面积覆盖，全面采集各层应变信息，从而实现对车辙板表面全范围响应监测，充分发挥分布式传感器的优势。

分布式光纤传感器1的布设间距可调，从而可改变传感器布设密度，实现不同范围下的分布式监测。

作为示例，分布式光纤传感器1与多层车辙板试件2的一体化成型包括：

在多层车辙板试件2各层板表面使用切割机切槽，在槽内安装分布式光纤传感器1，采用槽内浇筑实现一体化成型。这种方式可使得试件与分布式光纤传感器共同受力协调变形，更加真实反映路面应变状态。

作为示例，分布式光纤传感器1与多层车辙板试件2的一体化成型包括：

分布式光纤传感器1与多层车辙板试件2粘贴固定成型。这种方式可保证在路面结构不受破坏的状态下监测路面动态响应。

再进一步，所述分布式光纤传感器1首端为自由端，尾端从车辙板试件引出与光纤解调仪4连接，从而可实现单端测量，工程适应性强。

作为示例，所述光纤解调仪4包括基于光频域反射技术的OFDR解调仪。

光纤解调仪类别包括OFDR、OTDR、ROTDR、BOTDR等解调仪。本实施方式选择OFDR解调仪。

本实施方式中采用的分布式光纤传感器1相比于光纤光栅传感器FBG，具有高效率、高分辨率、高精度、高稳定性等优点。分布式传感器的传感元件仅为光纤，不再是FBG的单点测量，其一次测量可以得到光纤分布范围内被测量随时间和空间变化的分布信息，数据量更加全面。考虑到光频域反射技术(OFDR)传感空间分辨可达1mm，是目前分辨率最高的一种技术，应变测量精度远远高于其他技术，本发明中采用OFDR技术，对路面进行全范围内的变形监测，可以更好地预测车辙发展规律。

本实施方式可模拟实际路面多层结构组合，实现车辙板全范围应变数据实时监测，基于监测数据可对沥青路面面层抗车辙性能进行评价，针对沥青路面结构组合提出优化方法，解决沥青混合料在高温条件下受到轴载反复作用产生变形流动的问题。

具体实施方式二、结合图1至图4所示，本发明的另一方面还提供了一种沥青路面面层抗车辙试验方法，基于具体实施方式一所述沥青路面面层抗车辙试验装置实现；包括，

使轮胎式车辙试验仪3的荷载轮在多层车辙板试件2上行驶；

监控终端5根据分布式光纤传感器1实时采集的应变信号，获得多层车辙板试件2各层应变分布及时程变化。

本实施方式中采用多层车辙板模具制作符合规定要求的多层车辙板试件。

进一步，根据各层应变分布及时程变化，获得多层车辙板试件2不同层位横向、纵向应变数据差异，分析当前多层车辙板试件2的变形演变规律，进而对当前多层车辙板试件2抗车辙性能进行评价。

在车辆荷载的作用下，路面表面和内部都会发生不同程度的变形。目前在评价高温稳定性时，仅仅考虑了路面竖向变形量，即车辙深度，未考虑横向与纵向的变形发展，忽略了车辙发展过程中的内部变化规律。为了更好地模拟沥青路面的车辙变形情况，本发明可以对不同结构组合的沥青混合料以车辙板的形式进行试验，模拟不同结构组合的试件在不同温度、不同荷载作用时间下其内部结构的流动状态，借助分布式传感器以及光纤解调仪，实现对车辙板试件全范围内横向、纵向应变数据的监测，再基于监测数据对各层板表面的变形发展规律进行分析，可为沥青路面结构设计提供数据和理论指导，结合响应数据，对沥青面层结构组合提出改进建议，实现结构组合优化，提高其抗车辙能力。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。