基于OFDR分布式光纤传感的沥青加铺PCC路面自下向上反射裂缝监测混合实验-数值框架

《Applied Sciences》：A Hybrid Experimental–Numerical Framework for Monitoring Bottom-Up Reflective Cracking in Asphalt-Overlaid PCC Pavements Using OFDR-Based Distributed Fiber Optic Sensing

　　

反射裂缝是沥青加铺波特兰水泥混凝土（PCC）路面过早劣化的主要原因之一，会降低服役寿命并增加养护成本。由于裂缝萌生于下层PCC层内部，待发展到路面表面才被察觉，传统检测手段难以实现早期损伤识别与连续监测。研究人员提出一种融合光频域反射计（OFDR）分布式光纤传感（DFOS）、实验室三点弯曲试验与有限元（ABAQUS）建模的混合实验-数值框架，用于监测与解释自下向上反射裂缝。矩形与半圆柱状沥青加铺PCC试件表面以蛇形布设间距约20 mm的分布式光纤，挠曲加载下均于PCC层预制缺口处萌生自下向上裂缝并向沥青加铺层扩展；裂缝宽度在缺口附近最大并逐次减小至加铺层，与弯曲应力分布一致。OFDR-DFOS成功识别与裂缝萌生及扩展相关的局部应变集中，实现断裂演化的连续分布式监测。有限元模拟获得的拉应力与应变局部化图案，与试验裂缝区及分布式应变测量在空间上定性吻合。三者结合证明该框架可监测并解释自下向上反射裂缝，凸显OFDR-DFOS在加铺混凝土路面结构健康监测、状况评估及未来现场监测中的潜力。

研究背景方面，沥青加铺PCC路面因施工快捷被广泛用于旧水泥路面再生，但既有PCC层接缝或裂缝在交通与环境荷载下会诱发自下向上反射裂缝，待裂缝贯通至路表才被表面巡检发现，错失早期干预窗口。传统表观检测（视觉、激光、红外、AI图像）仅能识别已显化病害，嵌入式电阻应变片与光纤布拉格光栅（FBG）属离散点式传感，漏检传感器间隙间的开裂；单一数值模拟缺乏高空间分辨率应变验证。因此，建立一种能把分布式应变信号与力学机制相闭环的监测解释体系，是加铺路面病害预警的关键空白。

为填补上述空白，研究人员在《Applied Sciences》报道了一项概念验证研究：以实验室小尺寸双层（沥青加铺层+PCC基层）试件模拟板碎化后加铺体系，预制缺口控制裂源，在三点弯曲单调位移加载下，同步获取全局荷载-位移、OFDR-DFOS沿纤连续应变、数字图像裂缝轨迹三套数据，并以ABAQUS线性弹性三维有限元复现几何/边界/缺口，将数值应力局部化与试验裂缝及应变峰做空间比对。

主要关键技术方法包括：其一，OFDR-DFOS原理基于瑞利背散射谱偏移换算应变（Δλ/λ=K_ε·ε，控温下温度项忽略），采用聚酰亚胺涂覆低弯损光纤表面粘贴成蛇形、相邻纤距约20 mm、系统标距（gauge pitch）0.65 mm，实现沿纤千点级连续应变；其二，试件分矩形（沥青50 mm+PCC 100 mm，缺口深25 mm）与半圆柱（各75 mm，缺口深56 mm）两种，三点弯曲简支、作动器位移速率2 mm/min；其三，ABAQUS中沥青与PCC取各向同性线弹性、界面绑定（tie）无滑移，缺口周边网格细化至1 mm并做灵敏度收敛（尖部最大主拉应力波动<3.6%），但不嵌入XFEM或黏聚区等显式断裂准则，仅用于应力重分布解释。

研究结果按原文小节浓缩如下。

实验观测裂缝萌生与扩展：两构型试件均在PCC底层预制缺口处首发裂尖，沿近似竖直路径向上穿过PCC层抵达沥青界面，属对称三点弯下的I型张开；半圆柱试件因缺口比（a/W≈0.75）更深、剩余韧带更短，裂宽大于矩形（a/W=0.25），但均无非预期分叉或层间脱粘。

裂缝宽度分布与断裂特征：卸荷后残宽量测显示矩形件缺口上方最大残宽约7.55 mm，近加铺层处降至约0.04 mm（降幅>99%）；半圆柱件最大残宽约11.65 mm。宽度自缺口向上递减的规律与梁理论底拉应力最大、向中性轴衰减一致，反映层间模量差引起的近界面应力重分布。

全局力学响应：荷载-位移曲线均呈初段线弹性—缺口处峰值—峰后陡降三段；矩形件峰值与残余承载力高于半圆柱件，但序列一致，说明几何/缺口差异只影响定量荷载水平而不改变自下向上机制。

DFOS监测结果：蛇形光纤被上升裂缝多次横切，OFDR在相应纤位出现局域应变峰并随加载增强，峰位空间演化与后期图像裂迹重合，证明分布式布纤较点式传感器能捕获跨高程的局部化演变，且两套几何下均适用。

有限元应力重分布分析：初始弹性阶段拉应力在PCC下底均匀分部、缺口正上方最集中；位移增大后高拉应力带呈竖直条带自缺口向上延伸，与试验裂径走向定性一致。因模型无线弹性断裂释放，该条带应理解为“易裂区”而非裂尖推进仿真。

讨论与结论翻译：研究人员指出，表面巡检、点式传感、单纯DFOS与单纯FEM各自提供不完整信息；本框架价值在于把实验室可控开裂、OFDR空间连续应变、FEM力学解释三者闭环，使应变局部化不再只是传感曲线而可回溯至应力重分布机制。结论确认：（1）所建混合框架能监测加铺PCC路面自下向上反射裂缝萌生-扩展；（2）OFDR-DFOS以约20 mm蛇形布纤即可在实验室识别跨层局部应变集中；（3）线弹性FEM虽不预测裂长，但其最大主拉应力局部化图案与DFOS峰位、可见裂迹空间对应，可充当力学释义器；（4）该研究为日后现场尺度DFOS布设与板碎化加铺路面康复评价提供了实验室基准。文末强调现场推广需补入沥青黏弹性、界面部分脱粘/滑移及显式断裂准则，方能从定性空间吻合走向定量化裂纹预测。