路面加速加载测试技术

1、路面加速加载测试技术 长安大学公路学院 支喜兰 2013年 2013年6月 CHANGAN UNIVERSITY 主要内容 1 2 3 4 5 意义 概念 国外应用情况 国内应用情况 发展前景 CHANGAN UNIVERSITY 一、路面加速加载试验的意义 1. 对路面的要求 公路： 公路：快速、 快速、安全、 安全、舒适、 舒适、经济 路面： 路面：承载力、 承载力、平整、 平整、抗滑、 抗滑、耐久、 耐久、低噪声 2. 路面的形成 路面结构、 路面结构、材料配合比设计 原材料选择、 原材料选择、拌合、 拌合、铺筑、 铺筑、达到施工质量要求 CHANGAN UNIVERSITY 一、路面加

2、速加载试验的意义 3. 路面的寿命 汽车荷载重复作用、 汽车荷载重复作用、环境湿度、 环境湿度、温度变化 路面使用性能衰减、 路面使用性能衰减、出现各种病害、 出现各种病害、结构破坏 4. 道路工作者的任务 分析影响路面使用性能的因素 掌握路面损坏发展规律 改进设计、 改进设计、施工、 施工、养护方法 有效保证路面使用品质、 有效保证路面使用品质、降低维修费用、 降低维修费用、延长路面寿命 CHANGAN UNIVERSITY 一、路面加速加载试验的意义 5. 面临的困难 认识有限： 认识有限：理论、 理论、实践 影响因素复杂、 影响因素复杂、多变 路面结构、 路面结构、材料不同， 材料不同，

3、施工技术、 施工技术、质量不同 环境湿度、 环境湿度、温度变化不同， 温度变化不同，交通量、 交通量、汽车荷载不同 路况及相关资料收集不齐全、 路况及相关资料收集不齐全、评价标准不一致 实际工程跟踪观测总结规律周期长、 实际工程跟踪观测总结规律周期长、工作量大 路面性能衰变规律、 路面性能衰变规律、破坏原因难以总结分析 CHANGAN UNIVERSITY 一、路面加速加载试验的意义 6. 解决途径 理论分析： 理论分析：模型、 模型、参数 可分析规律性、 可分析规律性、但数值与实际有差异 室内试验： 室内试验：试件成型、 试件成型、受力 与实际工程有差异 足尺试验： 足尺试验：材料、 材料、

4、结构、 结构、荷载、 荷载、环境， 环境，真实条件模拟 加速加载、 加速加载、短期试验得到长期规律 CHANGAN UNIVERSITY 一、路面加速加载试验的意义 7. 意义 可以应用在对不同路面 类型、 类型、不同路用材料、 不同路用材料、不同 荷载类型的经验性比较上， 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。 状况理论模型的验证上。 提高道路设计、 提高道路设计、建设、 建设、 养护和维修技术水平， 养护和维修技术水平，并制 定出相关的技术规范。 定出相关的技术规范 。 CHANGAN UNIVERSITY 二、路面加速加载试验的概念 1. 路面加速加载

5、试验的定义 Accelerated Pavement Testing（APT） 在短时间内通过控制轮压荷载在路面结构层的作 用，确定可控加速累计当量轴次作用下路面的响应与运 营状况。 营状况。 （2004年路面加速加载测试技术国际大会上） CHANGAN UNIVERSITY 二、路面加速加载试验的概念 2. 试验方法 （1）铺筑路面 拟定各种路面结构和材料组成方案， 拟定各种路面结构和材料组成方案，试验路面的建 设必须按照实际施工采用的设备和程序进行， 设必须按照实际施工采用的设备和程序进行，以便真实 地模拟实际环境。 地模拟实际环境。 （2）加速加载及路面检测 在路面上以一定速度连续施加重

6、复轮载， 在路面上以一定速度连续施加重复轮载，甚至控制 温度、 温度、湿度等加载环境， 湿度等加载环境，测试不同荷载累计作用次数的 应力、 应力、变形、 变形、路面各项性能指标。 路面各项性能指标。 CHANGAN UNIVERSITY 二、路面加速加载试验的概念 3. 分类 （1）可控加速加载的试验路 环境因素不可控制 （2） 环形 环形、 、 直线形、 直线形、 无固定线形试验道 剪切、 剪切、加载方向影响 （3） 其他类型 采用静载或脉冲加载设备加载 （4）室内、 室内、野外 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 1909 年在底特律的试验路 美国AASHO 道路试验主

7、要是研究确定荷载值与车 轮分布不同的轴载重复作用次数与不同厚度的沥青路面 和水泥混凝土路面工作状况之间的重要关系。 和水泥混凝土路面工作状况之间的重要关系。试验路于 1956 年 8 月开工， 月开工，1958 年 10 月开始试验行车， 月开始试验行车， 试验于 1960 年 11 月结束。 月结束。 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 明尼苏达试验路计划始于1993 年 ，可以测试路基 路面内的水平和垂直方向的应变量、 路面内的水平和垂直方向的应变量、 含水量以及温度情 况。 大交通量道路通过转移州际 大交通量道路

8、通过转移州际- 94 号公路上的西行 交通量来进行加载。 交通量来进行加载。低交通量环道的 17 个路段采用标 准试验卡车来加载 ，以使其成为可控的足尺加速路面试 验。 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 日本市政工程研究所的设备是同类设备中最先进 的。试验路由两部分组成 ,一段长 870 m ,另一段长 ,另一段长 628 m ,共有 ,共有 67 个试验段 ,其中一些试验段长 15 m , 宽7 m。 m。较小的试验路主要由19 较小的试验路主要由19 个25 m长 m长、 5 m宽的试 m宽的试 验段组成。 验段

9、组成。荷载由3 荷载由3 辆时速40 辆时速40 km/ h、 h、后轴重60 后轴重60 60160kN 的无线遥控卡车来模拟。 的无线遥控卡车来模拟。 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 WesTrack 是一条位于内华达汽车试验中心的新试验路 ,其椭圆形环道长 2. 8 km , 试验段位于直线段上。这条试 验路的最初目的是用来评估沥青路面的使用性能。无冰冻的 干燥气候适于直接评估材料特性和施工效果。荷载由一辆半 挂车加两辆单轴挂车的 4 种不同的组合来施加 ,每通过一次 相当于标准当量轴载通行10. 3 次 ,

10、轴载为前轴 53. 4 kN , 双轴 178 kN ,5 个单轴89 kN ,车速为 64 km/ h ,1995 年 晚期开始开放交通。 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 环形试验道 1933年 1933年 ,英国道路研究 试验室建造了 “道路试验 机”,它在一个 17 m 的长 臂端部通过电动卡车底盘以 48 4872 km/ h 的速度可以 实现加载 023 t ,该设备 ,该设备 在1967 年进行了改进 ,采 用 7 t 的单轮以 40 km/ h 的速度进行加载 ,主要用来 研究应力、 研究应力、 应变

11、的分布。 应变的分布。 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 阿姆斯特丹的壳牌试验室有一条建于 1967 年的环 道 ，环道建于混凝土试槽中， 环道建于混凝土试槽中，直径3 m ，宽0. 9 m。在 其上可以 20 km/ h 的速度施加双轮荷载， 的速度施加双轮荷载，单轴重 40kN ，尽管它不是足尺加速路面试验， 尽管它不是足尺加速路面试验，但研究人员还是 根据这项研究制订了壳牌路面设计手册。 根据这项研究制订了壳牌路面设计手册。 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 法国南特的LCPC环道是世界上

12、最大的环道设备。 环道是世界上最大的环道设备。 这个设备内环道直径 30 m，外环道直径 40m，用一 个四臂加载系统加载。 个四臂加载系统加载。试验速度为 0105 km/ h， 荷载为单轴双轮 ，可施加单轴载 80150 kN。它同 时还能够模拟以低速运行的280 kN 的双后轴加载。 的双后轴加载。该 设备 1978 年开始投入应用研究。 年开始投入应用研究。 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 直线形试验道 澳大利亚设计的ALF是直线形试验道的代表 ，1983 年澳大利亚交通研究中心进行了第一次试验。 年澳大利

13、亚交通研究中心进行了第一次试验。 澳大利亚的设备自 1983 年来一直在持续运行 ，完 成了许多重大的路面试验。 成了许多重大的路面试验。ALF采用单轴双轮在12 m长的 试验段上进行加载 ，加载速度为 20 km/ h ，荷载为 4080 kN ，ALF 采用单向加载。 采用单向加载。它是一种专为现役公 路或专门建设的试验路而设计的可移动的试验设备。 路或专门建设的试验路而设计的可移动的试验设备。 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 CHANGAN UNIVERSITY CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 南非是第一个研发可移动直道设备 重车模拟器 (

14、HVS) 的国家 ，它可以在现役路面上运行。 它可以在现役路面上运行。 19681972 年最初研制的 4 台 HVS ，自 1982 年以来一直用于试验研究。 年以来一直用于试验研究。 已在500多条试验 路上模拟了14 亿标准轴载作用次数。 亿标准轴载作用次数。HVS 有一个带单 胎或双胎试验轮的液压加载装置 ，可以 14 km/ h 的 速度运行 ，荷载为 20100 kN ，对机场跑道试验， 对机场跑道试验， 轮载可增加至200 kN。最初 ，轮载是在 0. 9 m 宽的 环道上均匀分布 ，但现在的模型多数都能将荷载分布在 1. 5 m 宽的区域内。 宽的区域内。 CHANGAN UN

15、IVERSITY 三、国外应用情况 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 得克萨斯州最近开始使用 TxMLS ，这是一台可移 动的直道设备， 动的直道设备，可以用 6 个双轴单轮或双轴双轮加载 ， 荷载最大为 190 kN ，运行速度 20 km/ h。试验段 长 11m ，可选择的横向加载宽度超过 0. 6 m。这套设 备有以下特点: 全轴取代了通常的半轴。 全轴取代了通常的半轴。 采用常规的卡车悬挂装置来模拟短波长动载。 采用常规的卡车悬挂装置来模拟短波长动载。 加载频率达 8 800 次/ h。 全封闭， 全封闭，可以按要求来控制环境条件。 可以按要求来控制环境条件。

16、CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 无固定线形 西班牙马德里的道路研究中心(CEDEX)的大型设 备是此种类型的代表。 备是此种类型的代表。这套设备有 2 个平行的和弧线相 接的长 25 m 的直线。 的直线。试验路面使用普通设备修建在 U 形混凝土槽中 ，宽 8 m，深 2. 6 m ，可以控制温 度 ，直段是封闭的 ，可以模拟雨季环境。 可以模拟雨季环境。荷载通过 2 个加载车施加 ，可以安装单轮、 可以安装单轮、 双轮、 双轮、 三轮以及半轴 单轮 ，半轴双轮 ，荷载运行速度060 km/ h ，轴 载范围110

17、150 kN。 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 其他类型 BASt 脉冲加载设备有 3 个液压承载板加载装置。 个液压承载板加载装置。脉 冲加载板可沿试验段移动 ，以大约20 km/ h的速度模拟交 通 ，标准轴载是 100 kN ，也可加至200kN。试验中使 用了液压压力计 ，H形应变计和表面变形测量装置采集试验 数据。 数据。温度控制在20 左右 ，地下水位也可得到控制。 地下水位也可得到控制。曾 用来测试由各种不同的废料或回收材料组成的基层的路用性 能。 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情

18、况 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 美国国家沥青研究中心NCAT环道2000年建成并投入 使用， 使用，环道的第一轮试验， 环道的第一轮试验，试验采用四组拖挂列车加载， 试验采用四组拖挂列车加载，试 验速度76km/h。试验路段只是4英寸表面层沥青混合料不 同，基层相同。 基层相同。 到2002年末， 年末，环道上共加载1001.8万次ESALS，相 当于美国许多州际公路20年的交通量。 年的交通量。 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 NCAT环道的第二轮实验从2003年开始， 年开始，其中有试 验段挖掉第一轮试验的混合料， 验段挖掉第一轮试验的混

19、合料，重铺不同厚度的热拌沥青 混合料， 混合料，并部分采用改性沥青。 并部分采用改性沥青。有的试验段铣刨后， 有的试验段铣刨后，重新 铺设新的罩面层， 铺设新的罩面层 ，其余继续加载1000万次ESALS，以观 察其耐久性。 察其耐久性。 第三轮NCAT环道试验于2006年8月份施工完毕， 月份施工完毕， 11月开始加载， 月开始加载，于2008年底结束。 年底结束。此次试验主要目的： 此次试验主要目的： 寻找路面设计的季节特性和路面反应特性； 寻找路面设计的季节特性和路面反应特性；标定和验证路 经验模型； 快速评价聚合物改性和非改性胶结料、 面力学-经验模型 ；快速评价聚合物改性和非改性胶结

20、料 、 新混合料和RAP混合料等材料特性； 混合料等材料特性；研究修建更经济、 研究修建更经济、寿 命更长的路面结构等。 命更长的路面结构等。 CHANGAN UNIVERSITY 三、国外应用情况 到目前为止， 到目前为止，世界上共41家拥有APT，其中澳大利亚、 其中澳大利亚、巴 西、中国、 中国、丹麦、 丹麦、法国、 法国、德国、 德国、日本、 日本、韩国、 韩国、荷兰、 荷兰、罗马尼亚 、南非、 南非、西班牙、 西班牙、瑞士、 瑞士、瑞典、 瑞典、英国等国家26家，美国15家. CHANGAN UNIVERSITY 四、国内应用情况 1. 交通部重庆公路研究所环道 1984年建成 双臂

21、双轮 ,可对试槽内 路面结构施加100 路面结构施加100 kN 的标 准轴载 ,试验运行速度为 060 km/ h。 h。环道的环形 试槽宽、 试槽宽、深均为 2 m ,中 ,中 心线直径为 10 m。 m。 开展了桥面铺装结构 研究以及沥青路面结构抗 永久变性性能试验研究。 永久变性性能试验研究。 CHANGAN UNIVERSITY 四、国内应用情况 2. 东南大学道桥试验室环道 1985年建成 由环道试验槽、 由环道试验槽、运行系 统和控制系统 3 部分构成。 部分构成。 环道试验槽总深 200cm ,外 ,外 径 950 cm ,内径 ,内径 550 cm , 环道试验路面宽 200

22、cm。 200cm。运 行系统为双臂加载。 行系统为双臂加载。2004年 2004年 安装了可控温的加热设备。 安装了可控温的加热设备。 开展了沥青路面高温车 辙研究和各种材料的抗车辙 性能研究。 性能研究。 CHANGAN UNIVERSITY 四、国内应用情况 3. 交通部公路科学研究院ALF 1990 年从澳大利亚购买加速加载试验设备 Accelerated Loading Facility （ALF） 该设备由加速加载系统和 数据采集系统组成。 数据采集系统组成。加速加载 系统可以模拟实际交通荷载的 横向分布 ,所加荷载为半轴双 轮荷载轴载 80 80200 kN , 胎 压为 0.7

23、0 MPa ,加载速度 20 km/ h 。 CHANGAN UNIVERSITY CHANGAN UNIVERSITY CHANGAN UNIVERSITY CHANGAN UNIVERSITY CHANGAN UNIVERSITY 四、国内应用情况 CHANGAN UNIVERSITY 四、国内应用情况 在河北正定、 在河北正定、涿州、 涿州、石家庄、 石家庄、北京通州、 北京通州、山西平遥、 山西平遥、浙江 桐庐、 桐庐、甘肃武威等地， 甘肃武威等地，应用加速加载试验设备ALF已经进行了 近40 次试验， 次试验，试验的路面结构 50多种， 多种，包括三级公路， 包括三级公路，二 级公路

24、、 级公路、一级公路和高速公路路面结构， 一级公路和高速公路路面结构，累计加载次数达 1700 万次。 万次。 在沥青路面结构设计、 在沥青路面结构设计、参数研究以及使用性能评价方面 做了大量研究工作， 做了大量研究工作，特别是在沥青路面的承载能力评价与预估 、路面结构破坏机理、 路面结构破坏机理、车辙变化规律研究、 车辙变化规律研究、荷载路面结构动 力响应研究以及半刚性沥青路面设计参数衰变规律研究等方面 取得了一定的研究成果。 取得了一定的研究成果。 CHANGAN UNIVERSITY 四、国内应用情况 4. 长沙理工大学直线式加速加载试验系统 1999 年自制 长60m， 60m，宽3.

25、5m， 3.5m， 深2.0m. 加载范围为 3 7t， 7t，最大行驶速度为 30 km/ h。 h。 开展了多项课题的 沥青路面疲劳抗裂等方 面的研究。 面的研究。 CHANGAN UNIVERSITY CHANGAN UNIVERSITY 四、国内应用情况 5.交通部公路科学研究院MMLS3 2005年购置南非生产 1/3比例 1/3比例 可移动 室、内外 CHANGAN UNIVERSITY 四、国内应用情况 6. 长安大学公路学院MMLS3 2007年购置南非生产 CHANGAN UNIVERSITY 四、国内应用情况 7. 辽宁MLS66和MMLS3 2008年购置南非生产 CHANGAN UNIVERSITY 四、国内应用情况 8. 同济大学MLS66和2台MMLS3 2008年购置南非生产 名称 试验轮 轮胎速度 轮胎横向 偏移距离 最大轴载 技术参数 6个，模拟货车 和飞机荷载 22 km/h或 7000次/h ±500 mm 最大75kN 有效试验长度 6m CHANGAN UNIVERSITY 四、国内应用情况 9. 长安大学公路学院HVS 2009年购置美国Dynatest HVS Mark VI型 Heavy Vehicle Simulator（ HVS ） 加载速度： 加载速度：最大12.8Km/h 最大1