利用埋入式传感器数据反算路面模量和交通轴载的方法

1.本发明涉及利用埋入式传感器数据反算路面模量和交通轴载的方法，属于路面监测技术领域。


背景技术：

2.沥青路面各层模量会随着交通轴载的重复累计作用逐渐衰减。探明交通轴载、路面力学响应、路面各层模量之间的关系对于路面力学模型的修正、服役性能评估模型的建立、路面设计规范的完善和科学养护决策的制定极为重要。
3.在以往的科学研究和工程应用中，大多采用落锤式弯沉仪、应力波测试仪等外部无损检测技术进行路面的检测，以评定路面各层模量；但采用这种方式获得的路面各层模量的评定结果存在非唯一和非收敛问题，更难以建立真实交通轴载、路面力学响应、路面各层模量之间的关系。此外，还有研究者通过在路面内部埋设传感器，获取了在交通轴载作用下的沥青路面内部真实受力状态，可以对路面服役性能进行初步评估；但由于传感器布局的不足和反算方法的缺陷，目前只能在已知交通轴载的情况下，通过传感器的数据唯一地反算路面各层模量，而无法通过传感器的数据同时反算交通轴载和路面各层模量，这不利于真实交通轴载、路面力学响应、路面各层模量之间关系的建立，并不利于路面监测技术的推广应用。


技术实现要素：

4.针对目前的反算方法在采用传感器数据的情况下，只能在交通轴载已知的情况下反算路面各层模量的问题，本发明提供一种利用埋入式传感器数据反算路面模量和交通轴载的方法。
5.本发明提供了一种利用埋入式传感器数据反算路面模量的方法，包括，
6.选择n层沥青路面的第j层层底布设土压力传感器、纵向应变传感器、横向应变传感器和竖向应变传感器；其中第j层为由上至下第1至第n-1层中任意一层；n为正整数；
7.再在由上至下前n-1层中除第j层以外的其余n-2层沥青路面层底分别布设一个传感器，所述传感器为土压力传感器、纵向应变传感器、横向应变传感器和竖向应变传感器中的任选一种；
8.根据第j层所有传感器采集的力学响应幅值，计算获得第j层路面模量；
9.再结合前n-1层中布设的传感器采集的力学响应幅值和第j层路面模量，构造n-1个物理量，使每个物理量与n层沥青路面的所有相邻层模量比相关；根据构造的物理量反算获得除第j层外其余n-1层路面模量。
10.根据本发明的利用埋入式传感器数据反算路面模量的方法，第j层路面模量的计算方法包括：
11.12.式中ej为第j层路面模量，μj为第j层路面材料泊松比，σz为土压力传感器获得的竖向应力幅值，εz为竖向应变传感器获得的竖向应变幅值，ε
x
为纵向应变传感器获得的纵向应变幅值，εy为横向应变传感器获得的横向应变幅值；其中左上角标j均表示第j层。
13.根据本发明的利用埋入式传感器数据反算路面模量的方法，构造的n-1个物理量包括：
14.i
σz/
i-1
σz、iε
x
/
i-1
ε
x
、iεy/
i-1
εy、iεz/
i-1
εz、iε
x
/
i-1
εy、iεy/
i-1
εz、iσz/(ej·jε
x
)、iσz/(ej·jεy)和iσz/(ej·jεz)，
15.其中i＝1，2，3，
……
，n。
16.根据本发明的利用埋入式传感器数据反算路面模量的方法，其余n-1层路面模量的反算过程包括：
17.确定轴载尺寸类型、作用位置及速度，确定由上至下前n-1层厚度、密度及泊松比；
18.设定交通轴载，再设定其余n-1层每层的路面模量；
19.基于层状体系力学模型，采用优化算法计算获得构造物理量中涉及的力学响应幅值计算值；
20.采用力学响应幅值计算值和传感器采集的力学响应幅值分别对应计算构造的物理量数值，以使计算值和采集的真实值分别对应的物理量数值的误差小于物理量阈值为准则，反复迭代，获得其余n-1层路面模量的计算结果。
21.根据本发明的利用埋入式传感器数据反算路面模量的方法，所述层状体系力学模型包括解析解模型或有限元法模型。
22.根据本发明的利用埋入式传感器数据反算路面模量的方法，优化算法包括牛顿法、模式搜索、遗传算法、粒子群算法或代理模型法。
23.根据本发明的利用埋入式传感器数据反算路面模量的方法，选择n＝6，j＝3，
24.构造的5个物理量包括：
[0025]2εz/1εz、3εz/2εz、3σz/(e3·3εz)、4σz/(e3·3εz)、5σz/(e3·3εz)。
[0026]
本发明还提供了一种利用埋入式传感器数据反算交通轴载的方法，基于所述利用埋入式传感器数据反算路面模量的方法中计算获得的n层路面模量实现，包括，
[0027]
根据所述n层路面模量和任意一个传感器采集的力学响应幅值，反算获得交通轴载。
[0028]
根据本发明的利用埋入式传感器数据反算交通轴载的方法的方法，确定轴载尺寸类型、作用位置及速度，确定由上至下前n-1层厚度、密度及泊松比；
[0029]
设定交通轴载；再结合计算获得的n层路面模量；
[0030]
基于层状体系力学模型，采用优化算法计算获得与当前传感器采集的力学响应幅值对应的力学响应幅值计算值，以使力学响应幅值计算值和当前传感器采集的力学响应幅值误差小于幅值阈值为准则，反复迭代，获得交通轴载的计算结果。
[0031]
本发明的有益效果：本发明方法通过优化的埋入式传感器布局和反算方法，通过解耦力学响应、各层模量和交通轴载之间的理论关系，逐步反算获取路面模量和交通轴载信息。其反算解具有唯一性和收敛性。
[0032]
本发明丰富了路面监测技术的内涵，扩展了路面监测技术的功能，为探明交通轴载、路面力学响应、路面各层模量之间的关系提供了有效的技术手段，并为路面力学模型的
修正、服役性能评估模型的建立、路面设计规范的完善和科学养护决策的制定提供了重要的数据和方法支撑。
[0033]
本发明方法实现了交通轴载未知情况下，基于传感器数据对路面模量的反算；在此基础上，可进一步反算获得交通轴载，有效提高了反算解的准确性，并可为路面监测技术的发展奠定基础。
附图说明
[0034]
图1是本发明所述利用埋入式传感器数据反算路面模量和交通轴载的方法的具体流程图；
[0035]
图2是沥青路面中传感器优化布局示意图。
具体实施方式
[0036]
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做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。
[0037]
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。
[0038]
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。
[0039]
具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明的第一方面提供了一种利用埋入式传感器数据反算路面模量的方法，包括，
[0040]
选择n层沥青路面的第j层层底布设土压力传感器、纵向应变传感器、横向应变传感器和竖向应变传感器；其中第j层为由上至下第1至第n-1层中任意一层；n为正整数；
[0041]
再在由上至下前n-1层中除第j层以外的其余n-2层沥青路面层底分别布设一个传感器，所述传感器为土压力传感器、纵向应变传感器、横向应变传感器和竖向应变传感器中的任选一种；
[0042]
根据第j层所有传感器采集的力学响应幅值，计算获得第j层路面模量；
[0043]
再结合前n-1层中布设的传感器采集的力学响应幅值和第j层路面模量，构造n-1个物理量，使每个物理量仅与n层沥青路面的所有相邻层模量比相关；根据构造的物理量反算获得除第j层外其余n-1层路面模量。
[0044]
n-1个物理量构造依据：根据层状体系力学理论，各层层底的竖向应力与n-1个相邻层模量比和交通轴载相关；各层层底的纵向应变、横向应变和竖向应变与n-1个相邻层模量比、交通轴载和所在层的模量相关；其中各类力学响应与交通轴载的关系都是线性的，所以可以通过计算各类力学响应之间的比值，使得构造的物理量仅与n-1个相邻层模量比直接相关，以提高此步骤模量识别的准确性。
[0045]
进一步，第j层路面模量的计算方法包括：
[0046]
[0047]
式中ej为第j层路面模量，μj为第j层路面材料泊松比，μj可根据第j层材料性质进行经验取值，一般在0～0.5之间；σz为土压力传感器获得的竖向应力幅值，εz为竖向应变传感器获得的竖向应变幅值，ε
x
为纵向应变传感器获得的纵向应变幅值，εy为横向应变传感器获得的横向应变幅值；其中左上角标j均表示第j层。
[0048]
作为示例，构造的n-1个物理量包括：
[0049]
构造只与相邻层模量比相关的物理量可以根据能够测量得到的力学响应类型确定，可以构造以下形式但不局限于此的物理量：
[0050]iσz/
i-1
σz、iε
x
/
i-1
ε
x
、iεy/
i-1
εy、iεz/
i-1
εz、iε
x
/
i-1
εy、iεy/
i-1
εz、iσz/(ej·jε
x
)、iσz/(ej·jεy)和iσz/(ej·jεz)，
[0051]
其中i＝1，2，3，
……
，n。
[0052]
本实施方式中构造的每个物理量与e1/e2，e2/e3，e3/e4，e4/e5，e5/e6均相关。
[0053]
若土压力传感器、纵向应变传感器、横向应变传感器或竖向应变传感器布置在第i层(i＝1,2,
…
,n)层底，则其在交通轴载作用下获得的竖向应力幅值、纵向应变幅值、横向应变幅值和竖向应变幅值分别为iσz,iε
x
,iεy,iεz。
[0054]
再进一步，其余n-1层路面模量的反算过程包括：
[0055]
确定轴载尺寸类型、作用位置及速度，确定由上至下前n-1层厚度、密度及泊松比；
[0056]
设定交通轴载，再设定其余n-1层每层的路面模量；
[0057]
基于层状体系力学模型，采用优化算法计算获得构造物理量中涉及的力学响应幅值计算值；
[0058]
采用力学响应幅值计算值和传感器采集的力学响应幅值分别对应计算构造的物理量数值，以使计算值和采集的真实值分别对应的物理量数值的误差小于物理量阈值为准则，反复迭代，获得其余n-1层路面模量的计算结果。
[0059]
作为示例，所述层状体系力学模型包括解析解模型或有限元法模型。
[0060]
作为示例，优化算法包括但不局限于牛顿法、模式搜索、遗传算法、粒子群算法或代理模型法。
[0061]
本实施方式的反算过程，通过假定交通轴载和各层模量组合，基于层状体系力学模型并结合常见的优化算法，以基于传感器实测数据所构造的物理量数值与力学模型计算得到的力学响应幅值所构造的物理量数值尽可能相吻合为准则，反复迭代，以求解第j层外其余n-1层的模量。从而，完成了基于埋入式传感器数据的路面各层模量反算。
[0062]
作为示例，选择n＝6，j＝3，
[0063]
构造的5个物理量包括：
[0064]2εz/1εz、3εz/2εz、3σz/(e3·3εz)、4σz/(e3·3εz)、5σz/(e3·3εz)。
[0065]
具体实施方式二、结合图1和图2所示，本发明的另一方面还提供了一种利用埋入式传感器数据反算交通轴载的方法，基于具体实施方式一中利用埋入式传感器数据反算路面模量的方法中计算获得的n层路面模量实现，包括，
[0066]
根据所述n层路面模量和任意一个传感器采集的力学响应幅值，反算获得交通轴载。
[0067]
进一步，确定轴载尺寸类型、作用位置及速度，确定由上至下前n-1层厚度、密度及泊松比；
[0068]
设定交通轴载；再结合计算获得的n层路面模量；
[0069]
基于层状体系力学模型，采用优化算法计算获得与当前传感器采集的力学响应幅值对应的力学响应幅值计算值，以使力学响应幅值计算值和当前传感器采集的力学响应幅值误差小于幅值阈值为准则，反复迭代，获得交通轴载的计算结果。
[0070]
本实施方式通过假定交通轴载，采用层状体系力学模型，输入已经反算得到的各层模量，计算得到力学响应幅值；再结合常见的优化算法，以传感器实测的力学响应幅值与力学模型计算得到的力学响应幅值尽可能相吻合为准则，反复迭代，以求解交通轴载。由此，完成了基于路面模量的交通轴载的反算。
[0071]
具体实施例：
[0072]
结合图2，以一个6层路面结构为例，一种利用埋入式传感器数据反算路面模量和交通轴载的方法，包括第3层层底的土压力传感器、纵向应变传感器、横向应变传感器和竖向应变传感器，第1和2层层底的竖向应变传感器，第4和5层层底的土压力传感器。
[0073]
6层路面的各层厚度由上至下分别为0.04、0.06、0.08、0.34、0.16、 ∞m，各层泊松比由上至下分别为0.3、0.3、0.3、0.3、0.3、0.4，各层密度由上至下分别为2400、2400、2400、2400、2100、1900kg/m3。交通荷载形式为双圆单轮组，轴载大小未知，交通移动速度10m/s，荷载圆半径为0.1065m，双圆间距为0.3195m。交通荷载的其中一个轮迹恰好压在传感器正上方，第3层层底的竖向应力、纵向应变、横向应变和竖向应变幅值分别为-249.2kpa、13.2με、7.8με和-33.7με，第1和2层层底的竖向应变幅值分别为-116.6με和-65.0με，第4、5层层底的竖向应力幅值分别为-21.9kpa和-8.5kpa。
[0074]
结合图1，给出利用埋入式传感器数据反算路面模量和交通轴载的具体流程。
[0075]
第1步，利用第3层层底的竖向应力、纵向应变、横向应变和竖向应变幅值，计算第3层模量，为7494.7mpa。
[0076]
第2步，利用其余层层底传感器的力学响应幅值和第3层模量，构造只与相邻层模量比相关的5个物理量，包括2εz/1εz、3εz/2εz、3σz/(e3·3εz)、4σz/(e3·3εz)、5σz/(e3·3εz)。假定交通轴载(1mpa)和各层模量组合，基于层状体系力学模型(解析解)，采用代理模型优化算法，以基于传感器实测数据所构造的物理量数值与力学模型计算得到的力学响应幅值所构造的物理量数值尽可能相吻合为准则，反复迭代，求解第3层外其余5层的模量，由上至下分别3998.9、5998.9、4998.0、1999.8、150.0mpa。
[0077]
第3步，利用第1层层底的竖向应变幅值(-116.6με)和前两步反算得到的6层模量(由上至下分别为3998.9、5998.9、7494.7、4998.0、1999.8、150.0mpa)，反算交通轴载。其中通过假定交通轴载(1mpa)，采用层状体系力学模型(解析解)，输入前两步反算的各层模量，计算得到力学响应幅值；结合模式搜索优化算法，以传感器实测的力学响应幅值与力学模型计算得到的力学响应幅值尽可能相吻合为准则，反复迭代，以求解交通轴载，最终得到交通轴载为0.6998mpa。由此，完成了路面模量和交通轴载的逐步反算。
[0078]
经验证，本发明方法可以在交通轴载未知的情况下，仅基于传感器数据实现路面模量的反算，反算结果精度高，结果收敛且唯一；在此基础上，可进一步反算获得交通轴载，即也可以实现交通轴载信息的监测，使得将埋入式传感器数据的利用最大化，有效地发挥了传感器数据的潜在价值，为路面监测计算的发展、交通流的分析，路面设计的完善、养护决策的制定等提供数据和方法平台。
[0079]
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。