基于智能光纤传感技术的多层介质道路结构损伤监测及性能评定和修复

For the multimedia of component materials and the complex of interfacial contacting conditions, the mechanical responses and damage evolution principles of pavement structures are difficult to be reflected by mechanical theory or finite element simulation, and the accuracy of lab tests is also influenced by modal scale and simplification of loads and constraits. Therefore, it is important to employ optical fiber sensing technology to accurately monitor the inner stress and damage state and effectively assess the structural behavior of pavement in field, which can instruct the maintenance design of pavements. For this reason, the project plans a smart optical fiber sensor based damage monitoring, performance assessment and rehabilitation method of multi-layered pavement structures. A series of optical fiber sensors with enhanced functions will be developed to monitor the complicated stress status of pavements. Full-scale smart optical fiber sensing networks will be established to realize the detection of local damage and long-span profile of pavements. The effective long-time data in field will be adopted to explore the damage evolution principle and performance assessment indexes. The project finally contributes to the in-time maintenance measure and the optimum material and structural parameter design of the pavements...Through the above-mentioned study, the damage monitoring, performance assessment and rehabilitation method of multi-layered pavements is proposed based on the smart optical fiber sensing technology. It provides technical support for investigating the damage evolution principle, rehabilitation and inverse design of pavement structures.

多层道路结构由于组成材料的多介质和层间接触条件的复杂性，其力学响应和损伤演化机理难以通过力学理论或有限元仿真较准确地获取，而室内实验结果则受模型尺寸和荷载简化的影响。因此，采用光纤传感器对路面内部应力进行较准确地监测和损伤状态识别，有效地评定路面结构性能和设计维修养护措施，具有重要的工程应用价值。为此，本项目提出多层介质道路结构的智能光纤传感监测及损伤性能评定和修复方法，研发基于应变传递理论的系列功能增强型光纤传感器监测道路内部复杂应力场，构建兼顾结构局部(损伤)和整体力学形态的全尺度智能光纤传感网络技术，研究基于较长期监测数据的结构内部损伤演化规律和性能评定指标，实现及时的维护决策制定及路面材料和结构特征参数的优化设计。.通过上述研究，发展一套基于智能光纤传感技术的多层介质道路结构损伤监测、性能评定和修复方法，为研究道路结构的损伤演化规律、修复和反演设计提供技术保障。

截止2022年底，我国高速公路总里程突破16万公里，沥青路面占比约为90%。根据设计标准建成的沥青路面实际服役寿命普遍偏低。沥青路面频繁地维修，显著降低了高速公路的通行能力和路网运输效能，也大幅增加运营期养护维修费用。为了提升预防性养护水平，需要发展沥青路面结构服役性能的跟踪监测技术，并基于原位监测的有效响应数据探究沥青路面结构性能退化规律和损伤失效机理，从而确定沥青路面结构损伤的修复设计方案及修复效果评定方法。.为科学养护和有效延长路面使用寿命，本项目在前期研究基础上，基于应变传递理论设计了系列功能增强型光纤传感器监测沥青和水泥混凝土路面内部复杂应力场，构建兼顾结构局部(损伤)和整体力学形态的全尺度智能光纤传感网络技术和监测系统，并根据较长期监测数据探索沥青和水泥混凝土路面结构内部损伤演化规律和性能评定指标，从而为及时的维护决策制定及路面材料和结构特征参数的优化设计提供科学建议。同时，在此基础上，本项目还考虑将光纤传感技术与路面结构微小损伤自修复技术进行融合处理，以期形成损伤监测和修复功能一体化。.在国家自然科学基金青年基金项目《基于智能光纤传感技术的多层介质道路结构损伤监测及性能评定和修复》（51908263）资助下，该研究得到以下重要结论：（1）利用智能光纤传感技术和监测系统可以较灵敏地识别沥青和水泥混凝土路面内部的变形和温度分布状态，通过相关标定和参数反演方法可以实现运营荷载状态的识别和环境温度在多层介质结构的传递和分布规律；（2）基于路面内部长期连续的监测数据可以较真实地反映路面随昼夜和季节性温差的影响规律、评估路面结构变形和损伤状态，为预防性修复措施提供科学管养建议；（3）光纤传感技术和路面功能修复材料具备联合驱动的功能，从而为路面微小损伤自修复的进一步研发提供可行性支撑。研究成果对道路结构全生命周期管理和耐久性沥青路面结构的研究具有非常重要的科学意义和工程价值。