多年冻土地区大尺度路基的变形评价方法技术

本发明专利技术涉及多年冻土地区大尺度路基的变形评价方法，首先对需要评价的路段进行表面变形高程数据采集，建立网格化的数据集；然后根据不同的路基变形特征，从数据集中拆分出表示四种不同变形特征的子数据集；最后根据四种不同公路变形特征，建立表面变形评价指标体系，通过计算不同变形特征值，得到分项变形指数，最终得到描述公路变形特征的全表面变形指数。本发明专利技术解决了现有多年冻土区公路病害评价方法不能厘清公路表面变形的构成，无法准确识别冻土区公路病害的成因，无法准确评价冻土区公路变形特征状况的不足，能够对变化多端、错综复杂的多年冻土区公路变形开展准确的变形分量占比及变形程度评价，实现了多年冻土区大尺度路基科学量化评价。

【技术实现步骤摘要】
多年冻土地区大尺度路基的变形评价方法
本专利技术涉及冻土路基工程稳定性状态评价领域，具体涉及一种多年冻土地区大尺度路基的变形评价方法。
技术介绍
冻土是指具有负温和含冰的土体和岩石，按生存时间主要分为多年冻土和季节冻土。我国多年冻土主要分布于青藏高原、西部高山以及东北大小兴安岭地区，总面积约215×104km2，约占我国国土面积的22.3％，是世界第三大冻土分布大国。青藏高原平均海拔4500m以上，是我国多年冻土主要分布地区，冻土面积约150×104km2，约为我国多年冻土面积的70％。受全球气候转暖影响，我国主要多年冻土地区冻土层呈现升温退化趋势，表现为冻土层地温升高、冻土上限下降、冻土层厚度减薄以及冻土层地基承载能力下降等问题。在上述背景下，多年冻土地区开展的工程均将受到上述过程的影响，尤其对公路工程影响剧烈，由于黑色沥青路面具有强吸热作用，在环境升温大背景及工程活动的双重影响下，多年冻土地区公路工程极易产生融沉变形病害。多年冻土的融沉变形主要取决于路堤高度与多年冻土的含冰量情况，在相同冻土条件下，路基变形量随路堤高度的增加而减小；在相同路堤高度条件下，路基变形量随多年冻土含冰量的增加而增大。对多年冻土区路基的变形而言，融沉变形始终是占第一位的。目前针对多年冻土融沉问题，国内外科研机构开展了长期的观测研究工作，提出了一系列特殊冻土路基工程措施，对缓解融沉病害产生了积极的作用，但冻土路基的融沉病害并未得到根治，在一些高含冰量的区段内，冻土路基病害的仍然较为严重，对行车安全性、道路运营能力以及行车舒适性均产生了影响。多年冻土地区公路的融沉变形主要是由地基不均匀融沉变形引起，在公路表面上表现为凹陷、波浪以及倾斜等变形特征。目前我国现行规范《公路养护技术规范》中采用平整度、破损率、强度以及抗滑系数对路面状况进行评价，在描述公路表面平整度方面，主要调查指标是IRI国际平整度指数，主要评价指标是RQI路面行驶质量指数，国际平整度指数IRI是以四分之一车在速度为80km/h时的累积竖向位移值为IRI值，单位用m/km。国际平整度指数同反应类平整度测定系统类似，但是采用的是数学模型模拟1/4车轮(即单轮)以规定速度行驶在路面上，分析行驶距离内动态反应，即悬挂系的累积竖向位移量。从IRI的测量原理可以看出，其测量值反应出测量轮迹处的不平整程度，仅能描述出测量轮迹处的变形状况，由于多年冻土路基变形的空间分布具有以及变形程度较普通地区复杂程度大大增加，线性轮迹在复杂的二维变形曲面上检测容易造成检测结果与实际存在偏差。此外，IRI是悬挂系的累积竖向位移量，无法反映出多年冻土路基整体融沉、凹陷以及倾斜等变化多样的变形特征。随着多年冻土区公路等级的不断提高，路基的尺度从原二级路的7m逐渐发展为24m的宽幅整体式路基，由此带来了黑色沥青吸热面增大、厚层路面结构层储热量增加等新的问题，对多年冻土地基的影响将进一步加剧，由此导致的冻土路基病害程度也将增大。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多年冻土地区大尺度路基的变形评价方法，解决了现有多年冻土区公路病害评价方法不能厘清公路表面变形的构成，无法准确识别冻土区公路病害的成因，无法准确评价冻土区公路变形特征状况的不足。本专利技术所采用的技术方案为：多年冻土地区大尺度路基的变形评价方法，其特征在于：由以下步骤实现：步骤一：获取公路表面变形高程数据：对需要评价的路段进行表面变形高程数据采集，建立网格化的数据集；步骤二：公路表面变形构成的拆分计算：在步骤一的数据集的基础上，根据不同的路基变形特征，从数据集中拆分出表示四种不同变形特征的子数据集，分别为公路整体变形、纵向波浪变形、横向倾斜变形以及横向凹陷或凸拱变形；步骤三：进行公路表面变形评价：根据四种不同公路变形特征，建立表面变形评价指标体系，通过计算不同变形特征值，得到分项变形指数，最终得到描述公路变形特征的全表面变形指数。步骤一包括以下子步骤：第一步：变形数据采集：利用道路三维激光扫描仪，对需要评价的路段进行表面变形高程数据采集：首先，实地进行勘察选点，考察历史资料，确认既有控制点的可用性；其次，进行控制测量，采用GPS进行坐标控制测量，用精密水准仪进行高程控制测量；然后，开展激光扫描作业，根据现场地形状况，扫描范围控制在6km以内，相邻测点扫描范围有20％～30％的重叠度，相邻两测点的重叠扫描区内采用球形标靶进行配准，测量过程中避免出现光路遮挡；最后，利用三维激光扫描仪数据处理软件对激光扫描点云数据进行处理并导出生成数据表；第二步：数据网格化：在第一步数据表的基础上，利用数据网格化算法，按0.25m×0.25m网格尺寸，对采集到的高程数据在道路纵、横向进行网格划分，得到公路表面变形数据集Sij；式中，Sij为编号i,j网格节点处的高程测量值；m,n表示共有m×n个网格节点；第三步：数据坐标转换：定义以道路里程及纵横断面的坐标系O如下：以道路中心纵断面与起始横断面的交点为坐标原点；道路里程定义为Y轴方向，沿道路里程增大方向为正，反之为负，道路横断面方向定义为X轴方向，面向道路里程增大方向，坐标原点左侧为负方向，右侧为正方向，垂直于XY平面的方向为Z轴，竖直向上为正，向下为负；公路的平面线型是由直线、缓和曲线以及圆曲线共同组成，由于公路变形主要发生在竖直方向，平面方向几乎没有变化，因此可利用坐标平移，将平面曲线转化为直线，得到简化评价计算过程，通过平移、旋转操作，将曲线上不同点移动至基准坐标系下；第四步：变形评价基准面的确定：采用如下三种方法进行基准面的确定：①采用工程设计文件中的横断面设计高程；②采用道路竣工初期测量得到的公路表面初始高程数据；③采用运营期内测量得到的公路表面高程数据，一般选择公路养护完成初期、或者路况较为良好的路段进行数据采集；第五步：网格数据滤波处理：选择中值滤波方法消除数据获取时由于道路表面粘滞残留物以及数据采集过程产生的误差噪声；选择移动均值滤波方法处理路面铺装层不平整引起的微小起伏变化。步骤二包含以下子步骤：第一步：“整体变形”拆分计算：整体变形表现为公路表面横断面方向上变形量均值及在纵断面方向的倾斜程度，定义xy平面坐标系O’，x方向定义为公路里程方向，y方向定义为公路表面变形量，坐标原点为测量路段的起点，先求得横断面方向上各点变形量的均值，即y方向，然后再沿纵断面方向与道路里程进行线性拟合，即x方向，得到一条直线，直线上各点y值即为对应里程处的整体沉降量；“整体变形”拆分计算结果用矩阵[H]表示；第二步：“波浪变形”拆分计算：波浪变形表现为公路表面变形面上沿纵断面方向产生的不规律波浪状变形状态，是横断面上各点变形量的均值剔除整体变形后的残差沿纵断面方向的分布曲线，在xy平面坐标系下，与整体变形计算过程的坐标系O’相同，先求得横断面方向上各点变形量的均值，即y方向，用此均值减去相同道路里程处的“整体变形”即得到该点“波浪变形”的值；“波浪变形”拆分计算结果用矩阵[W]表示；第三步：“倾斜变形”拆分计算：倾斜变形表现为变形面上横断面的倾斜程度，其形态曲线表现为沿横断面方向的直线，是横断面上各点变形量沿横断面方向线性拟合的结果；定义xy平面坐标系O”，x方向定义为公路横断面方向，y方向定义为公路表面变形量，坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多年冻土地区大尺度路基的变形评价方法，其特征在于：由以下步骤实现：步骤一：获取公路表面变形高程数据：对需要评价的路段进行表面变形高程数据采集，建立网格化的数据集；步骤二：公路表面变形构成的拆分计算：在步骤一的数据集的基础上，根据不同的路基变形特征，从数据集中拆分出表示四种不同变形特征的子数据集，分别为公路整体变形、纵向波浪变形、横向倾斜变形以及横向凹陷或凸拱变形；步骤三：进行公路表面变形评价：根据四种不同公路变形特征，建立表面变形评价指标体系，通过计算不同变形特征值，得到分项变形指数，最终得到描述公路变形特征的全表面变形指数。

【技术特征摘要】
1.多年冻土地区大尺度路基的变形评价方法，其特征在于：由以下步骤实现：步骤一：获取公路表面变形高程数据：对需要评价的路段进行表面变形高程数据采集，建立网格化的数据集；步骤二：公路表面变形构成的拆分计算：在步骤一的数据集的基础上，根据不同的路基变形特征，从数据集中拆分出表示四种不同变形特征的子数据集，分别为公路整体变形、纵向波浪变形、横向倾斜变形以及横向凹陷或凸拱变形；步骤三：进行公路表面变形评价：根据四种不同公路变形特征，建立表面变形评价指标体系，通过计算不同变形特征值，得到分项变形指数，最终得到描述公路变形特征的全表面变形指数。2.根据权利要求1所述的多年冻土地区大尺度路基的变形评价方法，其特征在于：步骤一包括以下子步骤：第一步：变形数据采集：利用道路三维激光扫描仪，对需要评价的路段进行表面变形高程数据采集：首先，实地进行勘察选点，考察历史资料，确认既有控制点的可用性；其次，进行控制测量，采用GPS进行坐标控制测量，用精密水准仪进行高程控制测量；然后，开展激光扫描作业，根据现场地形状况，扫描范围控制在6km以内，相邻测点扫描范围有20％～30％的重叠度，相邻两测点的重叠扫描区内采用球形标靶进行配准，测量过程中避免出现光路遮挡；最后，利用三维激光扫描仪数据处理软件对激光扫描点云数据进行处理并导出生成数据表；第二步：数据网格化：在第一步数据表的基础上，利用数据网格化算法，按0.25m×0.25m网格尺寸，对采集到的高程数据在道路纵、横向进行网格划分，得到公路表面变形数据集Sij；式中，Sij为编号i,j网格节点处的高程测量值；m,n表示共有m×n个网格节点；第三步：数据坐标转换：定义以道路里程及纵横断面的坐标系O如下：以道路中心纵断面与起始横断面的交点为坐标原点；道路里程定义为Y轴方向，沿道路里程增大方向为正，反之为负，道路横断面方向定义为X轴方向，面向道路里程增大方向，坐标原点左侧为负方向，右侧为正方向，垂直于XY平面的方向为Z轴，竖直向上为正，向下为负；公路的平面线型是由直线、缓和曲线以及圆曲线共同组成，由于公路变形主要发生在竖直方向，平面方向几乎没有变化，因此可利用坐标平移，将平面曲线转化为直线，得到简化评价计算过程，通过平移、旋转操作，将曲线上不同点移动至基准坐标系下；第四步：变形评价基准面的确定：采用如下三种方法进行基准面的确定：①采用工程设计文件中的横断面设计高程；②采用道路竣工初期测量得到的公路表面初始高程数据；③采用运营期内测量得到的公路表面高程数据，一般选择公路养护完成初期、或者路况较为良好的路段进行数据采集；第五步：网格数据滤波处理：选择中值滤波方法消除数据获取时由于道路表面粘滞残留物以及数据采集过程产生的误差噪声；选择移动均值滤波方法处理路面铺装层不平整引起的微小起伏变化。3.根据权利要求2所述的多年冻土地区大尺度路基的变形评价方法，其特征在于：步骤二包含以下子步骤：第一步：“整体变形”拆分计算：整体变形表现为公路表面横断面方向上变形量均值及在纵断面方向的倾斜程度，定义xy平面坐标系O’，x方向定义为公路里程方向，y方向定义为公路表面变形量，坐标原点为测量路段的起点，先求得横断面方向上各点变形量的均值，即y方向，然后再沿纵断面方向与道路里程进行线性拟合，即x方向，得到一条直线，直线上各点y值即为对应里程处的整体沉降量；“整体变形”拆分计算结果用矩阵[H]表示；第二步：“波浪变形”拆分计算：波浪变形表现为公路表面变形面上沿纵断面方向产生的不规律波浪状变形状态，是横断面上各点变形量的均值剔除整体变形后的残差沿纵断面方向的分布曲线，在xy平面坐标系下，与整体变形计算过程的坐标系O’相同，先求得横断面方向上各点变形量的均值，即y方向，用此均值减去相同道路里程处的“整体变形”即得到该点“波浪变形”的值；“波浪变形”拆分计算结果用矩阵[W]表示；第三步：“倾斜变形”拆分计算：倾斜变形表现为变形面上横断面的倾斜程度，其形态曲线表现为沿横断面方向的直线，是横断面上各点变形量沿横断面方向线性拟合的结果；定义xy平面坐标系O”，x方向定义为公路横断面方向，y方向定义为公路表面变形量，坐标原点为待分析断面的横断面中心处；对横断面上各点变形量y在x方向上线性拟合，得到一条直线，直线上各点处的y值即为该点的“倾斜变形”量；“倾斜变形”拆分计算结果用矩阵[SL]表示；第四步：“凹陷或凸拱变形”拆分计算：凹陷或凸拱变形表现为变形面上沿横断面方向表现出的下凹式或上凸式变形状态，其形态曲线表现为沿横断面方向的二次抛物线，是横断面上各点变形量剔除倾斜变形后的残差沿横断面方向二次拟合的结果；采用倾斜变形计算中的坐标系O”，选择某一横断面后，用横断面上变形量减去对应点位处的“倾斜变形”量后即得到该点的“凹陷或凸拱变形”量；“凹陷或凸拱变形”拆分计算结果用矩阵[D]表示。4.根据权利要求3所述的多年冻土地区大尺度路基的变形评价方法，其特征在于：步骤三包含以下子步骤：第一步：建立公路表面变形评价指标体系：公路表面变形评价指标体系包括以下指标内容，共分为三级指标，分别为一级指标：全表面变形指数，表征公路表面变形的程度，其值越大表明变形越剧烈；二级指标：分项变形指数，表征四类变形特征的量级程度，其值越大，表明变形越剧烈；三级指标：变形特征值，表明各类变形的内在特征值，不同变形类别的变形特征具有不同数字表征，其中整体变形由“平均沉降”和“纵向最大差异沉降”表征；波浪变形由“波数”、“最大波差”以...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建兵，袁堃，陈冬根，熊治华，金龙，彭惠，
申请(专利权)人：中交第一公路勘察设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61