基于五維光纖傳感器的瀝青路面動水壓力測量的研究

呂　棟，胡小弟，周永蓮，王　富

武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074

基于五維光纖傳感器的瀝青路面動水壓力測量的研究

呂棟，胡小弟，周永蓮，王富*

武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074

基于國內外已有的研究成果，介紹了一種自行研發的五維光纖傳感器，用于測量瀝青路面結構內的動水壓力.該傳感器應用光纖傳感原理，采用十字梁結構將4個光纖傳感器固定，并填充水泥混凝土以穩定及保護傳感器.將五維傳感器埋設于路面，并使之處于飽水狀態.當加載車輛以不同速度駛過時，光纖光柵將傳遞壓應變信號，然后由調制解調器接收信號，即可測量出動水壓力值.實測結果發現，動水壓力呈正負壓交替現象，且最大正壓力可達到0.115 MPa，最大負壓力達到0.073 MPa.各方向的動水壓力均不相同，但均隨車速遞增.

瀝青路面；五維光纖傳感器；動水壓力；現場測量

1　引　言

動水壓力是指車輛在運動過程中路面內的水膜不斷被擠壓，并從輪胎兩側和輪胎花紋間隙排出，于是本來相對靜態的水壓在擠壓作用下產生了一個動態的、瞬時的水壓力［1］.反復的動水壓力促使了瀝青與集料間的剝離，進而引發瀝青路面水損壞［2］.因此，對動水壓力的研究十分重要.

目前，國內外許多學者對動水壓力進行過不同程度的研究.動水壓力的獲得主要分兩種方法，即為數值分析法和現場實測法.Kettil等［3］通過編制有限元程序來模擬動水壓力；張勐等［4］采用FLUENT建立輪胎在橋面行駛的有限元模型，模擬不同行駛速度、不同水膜厚度及不同花紋深度等條件，并計算橋面的動水壓力值；湯濰澤等［5］基于Biot固結理論，對實測工況下路面情況進行了動態流固耦合分析，定量研究了路面層內的動水壓力長消規律；譚憶秋等［6］則基于多孔介質理論，建立有限元模型，得出動水壓力水荷載周期性作用呈周期性正、負壓交替；孫立軍等［7］自制電磁式流體壓強傳感器，并發現動水壓力隨行車速度增加而增長；高俊啟等［8］通過自制的單向光纖傳感器實測了動水壓力，并得出具體的動水壓力量值.

本文的試驗采用靈敏度高、體積小的布拉格光纖傳感器，并在前、后、左、右和下部5個方向分別設置該類型傳感器，即從5個方向測量動水壓力量值，從而更加準確地得到動水壓力的特點及量值.

2　實驗部分

2.1五維光纖傳感器工作原理

光纖傳感器全稱光纖光柵傳感器，本文采用的布拉格光纖光柵傳感器，其作用原理如圖1所示.其中，Λ為光柵周期，內層為纖芯層，外層為包層，纖芯的折射率比包層的折射率稍大，是一種使用較強紫外線激光刻錄在光纖中心的光學器件，具有波長選擇性能，當光波通過光纖光柵時，達到臨界條件的波長被反射回來，而其余波長則無損透過，當光纖光柵受到物理或機械特性的變化時，由于彈光效應、熱光效應、熱膨脹等作用，將引起波長變化［9］，通過檢測該變化，可獲知待測物理量的變化.將該傳感器埋設于道路測量動水壓力，通過一個彈性增敏元件，感知車輛駛過對路面水的擠壓力，即可實時反映動水壓力量值.

圖1　光纖光柵工作原理示意圖Fig.1　Schematic diagram of fiber bragg grating

2.2五維傳感器的研制

五維傳感器是指從5個方向來測量路面動水壓力的傳感器系統.而一個光纖傳感器只能測量一個方向的動水壓力，這對研究動水壓力的整體情況顯得不足.本試驗中的五維傳感器，是基于單維光纖傳感器工作原理，自制夾具從4個方向各固定一個光纖傳感器，相對于車輛行駛方向，則分別是前、后、右（左）、豎4個方向，來全面的測量各個方向的動水壓力.其中左方和右方受力對稱，其動水壓力是相等的，故兩側只需一個傳感器即可.

光纖傳感器屬于精密儀器，易于損壞，且體積較小，不易固定；而在實際道路測量中，需要將傳感器埋設于路面，接受車輛碾壓及動水沖刷.因此在保護傳感器不受損傷的同時，還要準確地測量出所需數據，這就需要采取一定的措施.

為了更好的穩固傳感器，并保證傳感器測試時不受損傷，本研究采用十字梁五維力傳感器結構，傳感器組件主要由內室、外室、固體填充物、連接筒、光纖傳感器等組成.如圖2所示.如圖2（a），內室為70 mm×70 mm×70 mm的立體空間，主要用于存水；外室為240 mm×240 mm×210 mm的長方體空間，為整個試驗系統的外框；連接筒為內徑21 mm、外徑23 mm的PVC管，用于連接內外室并放置傳感器，內外室之間用水泥混凝土澆筑，使整個傳感器系統更加穩定牢固，不會因為車輛碾壓而遭受破壞，如圖2（b）.

圖2　五維傳感器結構和外形（a）傳感器結構；（b）傳感器外形Fig.2　Structure and shape of the five-dimensional sensors （a）Structure of sensor；（b）Sensor shape

2.3試驗設備

在五維傳感器之外，還需要數據采集設備，以及試驗車輛.數據采集設備為Smart Scan Aero光纖光柵信號解調儀，具有高頻掃描頻率和USB存儲功能，適用于各種環境下的高頻信號檢測.應力傳導至光纖光柵，由光纖光柵反射回的光信號通過光纖定向耦合器送到波長分析器，然后通過光探測器進行光電轉換，最后由計算機作出分析并存儲，并按規定的格式在計算機上顯示出被測物理量的數值.

2.4傳感器埋設

選定試驗路段，在路面切割出一個比五維傳感器組件略大的空間，使儀器頂面與路面平齊，并預留光纖通過管道.在傳感器組件的中間槽注滿水，保持充盈狀態，車輪駛過時，輪胎可對槽內水施加擠壓力，如圖3所示.

圖3　傳感器埋設及現場測試Fig.3　Photographs of the embedding sensor and testing on the spot

3　結果與討論

加載車輛分別以40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h等不同的速度，駛過埋設的測試設備上方.圖4是加載車速度為80 km/h時各方向動水壓力的測量值.

圖4　車速為80 km/h時動水壓力趨勢Fig.4　Variation of dynamic water pressure at the vehicle speed of 80 km/h

由圖4可以看出：

1）圖形有兩個連續波動，分別是前輪和后輪駛過造成的.第一個波動比第二個波動幅度大，說明汽車在快速行駛的時候，前輪沖擊水膜造成的動水壓力，要高于后輪的作用.

2）動水壓力呈正負壓交替進行，說明車輛行駛在積水路面時，除了正面沖刷之外，在駛離時還會對路面產生泵吸作用.在加載初期，動水壓力快速增長，達到峰值，之后車輪駛離，荷載卸去，動水壓力減小，但由于泵吸作用，導致動水壓力呈負向.

3）圖像顯示各方向的動水壓力變化規律相似，但具體量值不同，說明車輛駛過積水路面時，路面各方向均會產生動水壓力，且都是先增大后減小并呈正負壓交替形式，但不同方向的壓力大小不同.

為了對比不同車速下的動水壓力規律，需要得出具體的動水壓力測試結果.不同速度時各方向的動水壓力峰值如表1所示.

表1　不同速度時各方向動水壓力峰值Tab.1　Peak values of dynamic water pressure in different directions under different vehicle speeds

從表1可以看出：

1）當車速不同時，同一方向的動水壓力不同，且正向和負向動水壓力均隨著車速增加而增大；

2）當車速相同時，不同方向的正壓力大小順序均為后＞右＞豎＞前，負壓力大小順序均為前＞豎＞右＞后，正負壓力在不同方向的變化順序恰好相反；也就是說，車輛快速行駛產生的正向動水壓力，并不是豎直方向的量值最大，而是車輛行駛方向的反方向量值最大；車輛快速行駛產生的負向動水壓力，也不是豎直方向的量值最大，而是車輛行駛方向的量值最大；

3）從量值上看，動水壓力的正壓力值和泵吸負值，在速度相對較低時，如40 km/h和60 km/h，泵吸負值略高正壓力值；而當速度較高時，如80 km/h和100 km/h，盡管泵吸負值低于正壓力值，但其量值依然顯著.因此分析動水壓力對瀝青混合料的影響時，不僅僅要考慮其正壓力值，還要考慮其泵吸負值.

4　結語

本研究通過自制的五維傳感器，測量了不同車速條件下路面前、后、左、右和下部5個方向的動水壓力，得到如下結論：

1）研發的五維光纖傳感器可有效地測量出路面5個方向的動水壓力；

2）動水壓力呈正負壓交替進行，即車輪駛入時為壓應力，產生動水正向壓力，輪胎駛離時產生泵吸負壓力.從量值的大小來看，泵吸負壓力不能忽略.

3）5個方向的動水壓力均隨車速增加而增大；而車速一定時，不同方向的動水壓力大小各不相同，且沿著行車反方向的動水正壓力值，要高于豎直方向的值；沿著行車方向的動水泵吸負壓力值，也要略高于豎直方向的泵吸負壓值.

［1］孫立軍，張宏超，胡小弟，等.瀝青路面結構行為理論［M］.北京：人民交通出版社，2005.

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本文編輯：龔曉寧

Measurement of Dynamic Water Pressure of Asphalt Pavement by Five-Dimensional Optical Fiber Sensor

LYU Dong，HU Xiaodi，ZHOU Yonglian，WANG Fu*
School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

Based on domestic and foreign studies，a method used for measuring the dynamic water pressure of asphalt pavement by five-dimensional optical fiber sensor was proposed.According to the sensing principl，a five dimensional fiber optic sensor was prepared by fixing four optical fiber sensors on a crossbeam.In addition，the concrete cement was used to stabilize and protect the sensor.Test of dynamic water pressure was conducted by embedding the sensor in the asphalt pavement，which was kept in water-saturated state.When the vehicles passed the test section at different speeds，the signals of compressive strain could be transferred to the modulator demodulator by the fiber grating.Therefore，the dynamic water pressure in different directions could be collected during the whole process.It can be concluded that dynamic water pressure presents a continuing exchanging process of positive and negative pressure.The maximum positive pressure is about 0.115 MPa and the maximum negative pressure is about 0.073 MPa.The dynamic water pressure in all directions varies much，but it all increase with the increase of the vehicle speed.

asphalt pavement；five-dimensional optical fiber sensor；dynamic water pressure；field measurement

U415

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.03.013

1674-2869（2016）03-0268-05

2016-03-05

國家自然科學基金資助項目（51278389）；湖北省交通廳科技項目（2013-731-1-3）；武漢市科技計劃項目（2014010202010098）

呂棟，碩士研究生.E-mail：977953443@qq.com

王富，博士，副教授.E-mail：wangfu@wit.edu.cn