一种预测全断面路面结构疲劳损伤的系统及方法与流程

1.本技术属于道路工程技术领域，具体涉及一种预测全断面路面结构疲劳损伤的系统及方法。


背景技术：

2.高速公路路面服役过程中，在交通荷载及外部环境的共同耦合作用下导致的结构层底疲劳损伤是重要病害之一。路面结构的疲劳损伤逐渐累积进一步将导致路面结构出现多种形式的裂缝，从而影响交通效率、行车安全及舒适，因此对高速公路路面在服役过程中产生的疲劳损伤的预测至关重要。疲劳损伤的精准预测有助于更加合理的进行路面结构设计、精细化的养护维修及养护资金的高值化利用，使路面及时恢复服役性能，延长路面服役寿命，保证交通效率及行车安全舒适性。
3.目前路面结构疲劳损伤的计算通常针对行车道上轮迹线范围内的任一单点进行计算，计算过程中，假设在服役期内的所有车辆荷载均在这一单点上行驶通过，每次车辆荷载均导致路面结构产生疲劳损伤，最后对所有疲劳损伤进行线形累积，得到路面结构总损伤。但是在实际的交通荷载中，由于车辆驾驶的随意性和随机性，车轮荷载通常不会无偏差通过这一假定点，而是在车道范围内发生偏移，即车辆轮迹线是有一定范围的，车辆荷载导致的路面结构损伤并非总是在这个点累加。这说明目前的路面结构疲劳损伤的计算方法过高估计了路面在实际服役过程中所产生的疲劳损伤，进一步可能会影响路面结构设计及养护维修决策，从而导致周期性重建养护，最终影响交通服务功能的实现。


技术实现要素：

4.本发明公开了一种预测全断面路面结构疲劳损伤的系统及方法，其可以有效解决背景技术中涉及的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种预测全断面路面结构疲劳损伤的方法，包括以下步骤：步骤一：选取待预测的沥青路面，根据待预测沥青路面的路面参数，制备沥青混合料试样；步骤二：利用材料试验机对沥青混合料试样进行单轴压缩动态模量试验，测量在预定温度、预定加载频率的条件下沥青混合料试样各结构层的动态模量；步骤三：设置观测期时长，在观测期内测量车辆作用在路面结构上的轴载和轴载位置，以及测量车辆载荷作用下沥青层的层底应变；步骤四：观测期内路面结构上总计通过n次行车荷载，针对第m次车辆荷载，将各结构层的沥青混合料动态模量及系统测量到的第m次车辆荷载输入力学计算软件中，将车道线设置为初始荷载位置，基于弹性层状理论体系计算偏离荷载不同距离处所产生的层底理论应变；步骤五：将偏离荷载不同距离处的偏移量与偏离荷载不同距离处所产生的层底理
论应变进行拟合，得到两者的关系模型；步骤六：以第m次测量到的实际荷载偏移位置为初始位置，将不同车辆荷载偏移量代入到步骤五所述的关系模型中，得到距离实际荷载位置右侧不同横向偏移量时路面结构层底所产生的理论应变；步骤七：基于荷载所在位置横向两侧的对称性，因此左侧不同横向偏移量对路面结构所产生的应变与步骤六中所述的应变是对称的，由此得到第m次车辆荷载所在位置左右两侧的全断面理论应变分布；步骤八：获取观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的实测值，利用观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的实测值对计算值进行标定，确定沥青层的层底应变标定系数，将所述全断面理论应变分布乘以标定系数 ，得到第m次全断面路面结构的实际横向应变分布；步骤九：建立路面结构疲劳损伤模型，根据步骤八中所述实际横向应变分布，针对全断面上任意一点p，利用路面结构疲劳损伤模型计算观测期内第m次交通荷载经过时路面结构沥青层的损伤；步骤十：对全断面上所有点重复步骤四到步骤九，得到全断面上第m次交通荷载通过时的路面结构疲劳损伤分布；步骤十一：对观测期内产生的n次交通荷载，重复步骤四到步骤十，得到n个全断面路面结构疲劳损伤分布，对全断面疲劳损伤进行累加，得到观测期内全断面路面结构疲劳损伤发展趋势及累积分布。
6.作为本发明的一种优选改进，步骤二中，所述预定温度为20℃，所述加载频率为10hz。
7.作为本发明的一种优选改进，所述路面结构包括从上至下依次设置的沥青层、粒料层和路基，所述沥青层包括从上至下依次设置的上面层、中面层和下面层。
8.作为本发明的一种优选改进，步骤六和步骤七中，计算距离实际荷载位置不同横向偏移量对路面结构层底所产生的应变时，每隔10mm计算一次。
9.作为本发明的一种优选改进，所述路面参数包括沥青层厚度 、目标可靠度 、温度调整系数 、季节性冻土地区调整系数 、沥青层中各结构层的厚度、沥青混合料的矿料间隙率和沥青饱和度。
10.一种用于执行所述的方法的预测全断面路面结构疲劳损伤的系统，包括交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置和路面数据处理装置，其中，所述交通轴载测量装置埋设于沥青层顶部，用于采集公路上行驶车辆的车型、车速和轴载数据；所述路面结构力学响应测量装置埋设于沥青层底部，用于测量路面结构层的层底应变；所述路面数据处理装置分别与所述交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置相连接，用于接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置的数据，预测路面结构的疲劳损伤。
11.作为本发明的一种优选改进，所述路面结构力学响应测量装置为呈阵列分布的沥青应变计。
12.本发明的有益效果如下：1、本发明提出的系统实现了对观测期内路面结构上行车荷载情况和沥青层层底应变的实时监测，为准确确定路面结构中沥青层的总疲劳损伤提供了大量的实测数据，提高了沥青层总疲劳损伤计算的准确性；2、本发明提出的方法和系统配合使用，通过在观测期内实时监测路面结构中行车荷载情况，并利用力学计算软件获得全断面路面结构层底应变，通过标定系数调整后，建立沥青层的总疲劳损伤模型，最后实现了仅需在路面结构内铺设交通轴载测量装置，即可准确预测全断面内路面结构疲劳损伤的发展情况，为高速公路路面结构的维修养护提供了依据，有利于避免高速公路路面的结构性损坏；3、本发明提出的方法通过预测全断面路面结构因疲劳损伤的发展趋势，可以及时对路面结构进行车道级养护维修，高值化利用养护资金，避免了路面结构的周期性重建，从而缓解了因路面维修和重建所造成的交通拥堵，保障了路面结构上车辆的顺畅运行。
附图说明
13.图1为本发明实施例中路面结构的示意图；图2为本发明实施例中沥青层层底不同车辆的荷载偏移量示意图；图3为本发明实施例中单次交通荷载通过时路面结构疲劳损伤分布图；图4为观测期内全断面上路面结构疲劳损伤累积分布图；图5为本发明实施例中系统的框架结构图。
具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
15.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
16.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
17.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
18.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
19.本发明提出了一种预测全断面路面结构疲劳损伤的方法，具体包括以下步骤：步骤一：选取待预测的沥青路面，根据待预测沥青路面的路面参数，制备沥青混合料试样。
20.本实施例在高速公路上选取实验路段，实验路段为沥青路面，如图1所示，路面结构从上到下依次为沥青层10、粒料层20和路基30，沥青层10厚度为200mm，粒料层20设置为40cm级配碎石。沥青层10由上到下依次设置为上面层101、中面层102和下面层103，其中，上面层101厚度为40mm，采用sma13铺设而成，沥青混合料的沥青饱和度为65%、矿料间隙率为15.5%；中面层102厚度为60mm，采用ac20铺设而成，沥青混合料的沥青饱和度为63%、矿料间隙率为15.3%；下面层103厚度为100mm，采用ac25铺设而成，沥青混合料的沥青饱和度为69%、矿料间隙率为15.8%；路面结构的目标可靠度为1.65，温度调整系数为2.38，季节性冻土地区调整系数为0.85。
21.步骤二：在实验室内利用材料试验机对沥青混合料试样进行单轴压缩动态模量试验，测量在温度为20℃、加载频率为10hz的条件下沥青混合料试样各结构层的动态模量，测量结果如表1所示。
22.表1 单轴压缩动态模量试验测量结果步骤三：安装预测全断面路面结构疲劳损伤的系统，设置观测期时长为60天，在观测期内利用交通轴载测量装置测量车辆作用在路面结构上的轴位置和轴载，利用路面结构力学响应测量装置测量车辆载荷作用下沥青层的层底应变。
23.步骤四：交通轴载测量装置记录到观测期内路面结构上总计通过行车荷载，针对各次行车荷载，将交通轴载测量装置测量到的轴载和沥青层中各结构层的沥青混合料动态模量输入力学计算软件bisar3.0中，如图2所示，将车道线设置为初始荷载位置，基于弹性层状理论体系计算偏离荷载不同偏移距离处i所产生的层底理论应变。
24.步骤五：将偏离荷载不同偏移距离处i的偏移量oi与偏离荷载不同偏移距离处i所产生的层底理论应变按照式（1）进行拟合得到两者关系模型：
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（1）式中：为偏离荷载不同偏移距离处i所产生的层底理论应变，oi为不同偏移
距离处的偏移量，、、为拟合系数。
25.步骤六：步骤四中利用交通轴载测量装置实时测量得到实验路段上车辆的轴位置为距离车道线538mm、轴载为135kn，以该次交通轴载测量装置测量到的实际荷载偏移位置为初始位置，每隔10mm计算一次，将不同车辆荷载偏移量代入到式（1）中，得到距离实际荷载位置右侧不同横向偏移量时路面结构层底所产生的理论应变。
26.步骤七：由于荷载所在位置横向两侧的对称性，因此左侧不同横向偏移量对路面结构所产生的应变与步骤六中所获取的应变是对称的，由此得到车辆荷载所在位置左右两侧的全断面理论应变分布，如表2所示。
27.表2 不同横向偏移量对路面结构层底所产生的理论应变步骤八：根据路面结构力学响应测量装置获取观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的实测值，利用观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的实测值对计算值进行标定，确定沥青层的层底应变标定系数为1.27；将步骤七获得的理论应变乘以标定系数得到全断面路面结构实际横向应变分布，如表3所示。
28.表3 不同横向偏移量对路面结构层底所产生的实际应变
步骤九：建立路面结构疲劳损伤模型，由式（2）表示。根据步骤八中所述实际横向应变分布，针对全断面上任意一点，利用路面结构疲劳损伤模型计算观测期内各次交通荷载经过该点时所产生的路面结构沥青层的损伤：
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（2）（3）
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（4）式中，为观测时间内第m次行车荷载时全断面上任意一点p处的路面结构损伤，为第次行车荷载通过时p点处路面结构的疲劳寿命；为目标可靠度，为季节性冻土地区调整系数，为沥青层的疲劳加载模式系数，为温度调整系数， 为第m次行车荷载通过路面结构时全断面上点处沥青层层底实际应变值，e3为下面层的沥青混合料动态模量，为沥青混合料的沥青饱和度。
29.步骤十：对全断面上所有点每隔10mm进行步骤四到十，得到全断面上本次交通荷载通过时路面结构疲劳损伤分布，如图3所示。
30.步骤十一：对观测期内产生的次交通荷载重复步骤四到十，得到个全断面路面结构疲劳损伤分布，对全断面疲劳损伤进行累加，参阅图4所示，得到观测期内全断面路面结构疲劳损伤累积分布。
31.本发明还公开了一种预测全断面路面结构疲劳损伤的系统，如图5所示，包括交通轴载测量装置1、路面结构力学响应测量装置2和路面数据处理装置3；所述交通轴载测量装置1埋设于路面结构的沥青层顶部，用于采集高速公路上行驶车辆的车型、车速和轴载数据；所述路面结构力学响应测量装置2埋设于路面结构的沥青层底部，用于测量路面结构层的层底应变；所述路面数据处理装置3分别与所述交通轴载测量装置1、路面结构力学响应测量装置2相连接，用于接收交通轴载测量装置和路面结构力学响应测量装置的测量数据，预测路面结构的疲劳损伤。具体的，所述路面结构力学响应测量装置2为呈阵列分布的沥青应变计。
32.本发明的有益效果如下：1、本发明提出的系统实现了对观测期内路面结构上行车荷载情况和沥青层层底应变的实时监测，为准确确定路面结构中沥青层的总疲劳损伤提供了大量的实测数据，提高了沥青层总疲劳损伤计算的准确性；2、本发明提出的方法和系统配合使用，通过在观测期内实时监测路面结构中行车荷载情况，并利用力学计算软件获得全断面路面结构层底应变，通过标定系数调整后，建立沥青层的总疲劳损伤模型，最后实现了仅需在路面结构内铺设交通轴载测量装置，即可准确预测全断面内路面结构疲劳损伤的发展情况，为高速公路路面结构的维修养护提供了依据，有利于避免高速公路路面的结构性损坏；3、本发明提出的方法通过预测全断面路面结构因疲劳损伤的发展趋势，可以及时对路面结构进行车道级养护维修，高值化利用养护资金，避免了路面结构的周期性重建，从而缓解了因路面维修和重建所造成的交通拥堵，保障了路面结构上车辆的顺畅运行。
33.上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。