一种用于预测路面结构疲劳损伤的系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于预测路面结构疲劳损伤的系统，涉及道路工程技术领域。包括交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、裂缝测量装置和路面数据处理装置。本发明专利技术还提供了一种用于预测路面结构疲劳损伤的方法，通过获取路面参数和测量数据，利用力学计算软件计算沥青层层底应变，通过与测量的层底应变标定后，建立路面结构疲劳损伤模型确定沥青层总损伤，再利用路面结构裂缝计算模型计算路面结构中裂缝所占的面积百分比和长度百分比，通过与裂缝测量装置的实测数据标定后，建立路面结构裂缝发展预测模型，预测路面结构中裂缝的发展趋势。本发明专利技术实现了对路面结构疲劳损伤的预测，为路面结构的维修养护提供了依据。养护提供了依据。养护提供了依据。

【技术实现步骤摘要】
一种用于预测路面结构疲劳损伤的系统及方法


[0001]本专利技术涉及道路工程
，具体涉及一种用于预测路面结构疲劳损伤的系统及方法。

技术介绍

[0002]高速公路网对于社会的经济发展具有至关重要的作用，我国已经建成全球规模最大的高速公路网，以“智慧的车”和“聪明的路”为主要特征的智慧高速公路建设作为公路交通行业转型发展的重大需求，是我国从交通大国发展为交通强国的必由之路。路面服役性能监测作为智慧高速公路建设的关键环节，现阶段对于高速公路路面服役性能的监测尚停留在通过布设监测设备采集路面车速、轴载、温度等路面参数，并未利用路面参数对高速公路的路面疲劳损伤进行预测，实现对高速公路路面疲劳损伤情况的预警，致使海量路面监测数据闲置，无法发挥路面监测的作用以及对路面疲劳损伤情况的预测，从而无法为高速公路的路面养护提供科学依据。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在解决上述问题，提供了一种用于预测路面结构疲劳损伤的系统及方法，通过综合高速公路路面结构的交通轴载、内部温度和层底应变，建立路面结构裂缝发展预测模型，提前确定路面结构因疲劳损伤所产生裂缝的发展情况，实现了对路面结构疲劳损伤情况的预测，为路面结构的养护维修提供了依据。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于预测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、路面结构温度测量装置、裂缝测量装置和路面数据处理装置；所述交通轴载测量装置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埋设于路面结构的沥青层底部，用于测量路面结构各结构层的层底应变；所述路面结构温度测量装置埋设于路面结构各结构层中，用于测量路面结构各结构层的内部温度；所述裂缝测量装置设置于路面结构上方，用于测量路面结构中裂缝的长度和宽度；所述路面数据处理装置分别与交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、裂缝测量装置相连接，用于接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置和裂缝测量装置的测量数据，预测路面结构的疲劳损伤。
[0005]优选地，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。
[0006]优选地，所述路面结构温度测量装置设置为温度传感器，所述裂缝测量装置设置
为高分辨率摄像仪。
[0007]一种用于预测路面结构疲劳损伤的方法，采用如上所述的用于预测路面结构疲劳损伤的系统，具体包括如下步骤：步骤1，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2，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，测量在不同试验温度和加载频率条件下沥青混合料试样各结构层的动态模量，基于时温等效原理建立沥青混合料动态模量主曲线，确定沥青混合料动态模量计算模型，如式（1）所示：
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（1）其中，
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（2）
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（3）式中，为沥青混合料的动态模量，单位为MPa；为加载频率，单位为Hz；为沥青混合料的温度，单位为℃；为沥青混合料的最大限制模量，单位为MPa；、、、均为模型系数；为沥青混合料的矿料间隙率，单位为%；为沥青混合料的沥青饱和度，单位为%；步骤3，安装用于预测路面结构疲劳损伤的系统，设置观测期时长，在观测期内利用路面结构温度测量装置测量沥青层各结构层的内部温度，利用交通轴载测量装置测量车辆作用在路面结构上的车速和轴载，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，利用裂缝测量装置测量路面结构表面裂缝的长度和宽度；步骤4，交通轴载测量装置记录到观测期内路面结构上总计通过次行车荷载，针对各次行车荷载，根据行车荷载通过路面结构时的车速，计算路面结构上车辆的加载频率，如式（4）所示：
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（4）式中，为加载频率，单位为Hz；为沥青路面中沥青层的厚度，单位为m；为沥青路面上车辆的车速，单位为；再通过将路面结构上车辆的加载频率与沥青层中各结构层的内部温度相结合，
利用沥青混合料动态模量计算模型，确定行车荷载通过路面结构时沥青层中各结构层的沥青混合料动态模量，将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，基于弹性层状理论体系计算得到行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值，确定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计算值；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；步骤5，建立路面结构疲劳损伤模型，根据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计算值，利用路面结构疲劳损伤模型计算观测期内路面结构沥青层的总损伤，如式（5）所示：
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（5）其中，
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（6）
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（7）式中，为观测时间内路面结构沥青层的总损伤；为观测时间内行车荷载通过路面结构的次数；为第次行车荷载通过时路面结构沥青层的损伤；为第次行车荷载通过时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；为沥青层层底应变标定系数；为第次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值；为沥青层的层底应变标定系数；为温度调整系数；为沥青层的疲劳加载模式系数；为沥青层的厚度，单位为mm；步骤6，根据观测期内路面结构沥青层的总损伤，建立路面结构裂缝计算模型，路面结构裂缝计算模型包括由下至上裂缝计算模型和由上至下裂缝计算模型；由下至上发展裂缝计算模型为：
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（8）其中，
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（9）式中，为路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值；和均为模型系数；为观测时间内路面结构沥青层的总损伤；为沥青层的厚度，单位为mm；由上至下发展裂缝计算模型为：
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（10）式中，为路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值；根据观测期内路面结构沥青层的总损伤，利用路面结构裂缝计算模型，确定路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值和由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值；步骤7，根据观测期内裂缝测量装置测量的路面结构裂缝状态，确定观测期内路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的实测值和由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的实测值，利用路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的实测值对由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值进行拟合，得到裂缝面积标定系数，再利用由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的实测值对由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值进行拟合，得到裂缝长度标定系数；根据裂缝面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于预测路面结构疲劳损伤的系统，其特征在于，包括交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、裂缝测量装置和路面数据处理装置；所述交通轴载测量装置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埋设于路面结构的沥青层底部，用于测量路面结构各结构层的层底应变；所述路面结构温度测量装置埋设于路面结构各结构层中，用于测量路面结构各结构层的内部温度；所述裂缝测量装置设置于路面结构上方，用于测量路面结构中裂缝的长度和宽度；所述路面数据处理装置分别与交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、裂缝测量装置相连接，用于接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置和裂缝测量装置的测量数据，预测路面结构的疲劳损伤。2.根据权利要求1所述的一种用于预测路面结构疲劳损伤的系统，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种用于预测路面结构疲劳损伤的系统，其特征在于，所述路面结构温度测量装置设置为温度传感器，所述裂缝测量装置设置为高分辨率摄像仪。4.一种用于预测路面结构疲劳损伤的方法，采用如权利要求1中所述的用于预测路面结构疲劳损伤的系统，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1，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2，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，测量在不同试验温度和加载频率条件下沥青混合料试样各结构层的动态模量，基于时温等效原理建立沥青混合料动态模量主曲线，确定沥青混合料动态模量计算模型，如式（1）所示：
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（1）其中，
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（3）式中，为沥青混合料的动态模量，单位为MPa；为加载频率，单位为Hz；为沥青混合
料的温度，单位为℃；为沥青混合料的最大限制模量，单位为MPa；、、、均为模型系数；为沥青混合料的矿料间隙率，单位为%；为沥青混合料的沥青饱和度，单位为%；步骤3，安装用于预测路面结构疲劳损伤的系统，设置观测期时长，在观测期内利用路面结构温度测量装置测量沥青层各结构层的内部温度，利用交通轴载测量装置测量车辆作用在路面结构上的车速和轴载，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，利用裂缝测量装置测量路面结构表面裂缝的长度和宽度；步骤4，交通轴载测量装置记录到观测期内路面结构上总计通过次行车荷载，针对各次行车荷载，根据行车荷载通过路面结构时的车速，计算路面结构上车辆的加载频率，如式（4）所示：
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（4）式中，为加载频率，单位为Hz；为沥青路面中沥青层的厚度，单位为m；为沥青路面上车辆的车速，单位为；再通过将路面结构上车辆的加载频率与沥青层中各结构层的内部温度相结合，利用沥青混合料动态模量计算模型，确定行车荷载通过路面结构时沥青层中各结构层的沥青混合料动态模量，将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，基于弹性层状理论体系计算得到行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值，确定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计算值；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；步骤5，建立路面结构疲劳损伤模型，根据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计算值，利用路面结构疲劳损伤模型计算观测期内路面结构沥青层的总损伤，如式（5）所示：
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【专利技术属性】
技术研发人员：周勇，王林，韩文扬，吕思忠，韦金城，马士杰，
申请(专利权)人：山东省交通科学研究院山东高速股份有限公司，
类型：发明
国别省市：