CN107761528A - 一种基于实时高温天气和交通量的沥青路面车辙预报方法 - Google Patents

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    • E01C23/01—Devices or auxiliary means for setting-out or checking the configuration of new surfacing, e.g. templates, screed or reference line supports; Applications of apparatus for measuring, indicating, or recording the surface configuration of existing surfacing, e.g. profilographs
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    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]

Abstract

本发明公开了一种基于实时高温天气和交通量的沥青路面车辙预报方法，所述的方法首先查询本地区在预测时间内的气象资料，包括天气状况、小时太阳辐射度和每小时的气温变化；再统计交通量状况，计算一个车道内每小时的当量轴载作用次数；然后建立车辙预估模型，输入气象资料和交通量数据，计算车辙发展情况。本发明充分利用了天气条件和交通量状况两个决定沥青路面车辙发展规律的重要因素，模型参数简单，预测结果准确；可以为交通部门管理决策提供科学依据，对于延长路面使用寿命和降低路面维修成本具有重要意义。

Description

一种基于实时高温天气和交通量的沥青路面车辙预报方法
技术领域
本发明属于沥青路面养护和使用性能评价，具体涉及一种基于实时高温天气和交通量的沥青路面车辙预报方法。
背景技术
车辙作为沥青混凝土路面特有的一种破坏形式，表现为沿道路纵向在轮迹带位置处路面产生的带状凹槽。车辙的出现不仅影响行车舒适性，而且威胁行车安全性。我国的高速公路当中，车辙的产生有两方面不可忽视的原因；一方面由于交通量增长迅速，远远超过了设计预期的增长速度；另一方面，重车比例不断提高，车辆超载现象比较普遍，这种交通条件对路面的破坏作用非常严重。
国内外建立了大量的车辙预估模型，主要分为以下三种预估方法：经验法、理论法、半经验—半理论法。经验法是从试验路或者室内试验测定数据，采用统计方法建立沥青混凝土层永久变形与沥青材料参数、荷载作用次数的经验关系。但经验法建立的经验模型没有考虑路面结构的整体效应，且预估车辙的公式外延性差，适用面窄，所以经验法只能用于特定的环境。理论法通过试验测得沥青材料的性质参数，利用弹性或者粘弹性层状体系理论计算路面内部的应力、应变，然后根据路面材料的永久变形同应力之间的关系，建立沥青混凝土层的永久变形预估模型，但结果与实际观测值存在一定的差异。半经验—半理论法采用弹性层状体系理论或粘弹性层状体系理论计算路面的应力、应变，并结合室内外实验，统计得出沥青混凝土路面的车辙与材料特性、路面结构及荷载作用次数之间的经验关系式。该方法同时具有理论法和经验法的优点。
但现有的车辙预估模型通常只关注路面在设计使用期内的车辙总量，不能对短期内的路面车辙进行精确的预测，而且没有考虑天气、气温和交通量的实时变化对路面车辙的影响。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提供一种考虑实时天气和交通量变化的沥青路面车辙预报方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种基于实时高温天气和交通量的沥青路面车辙预报方法，包括如下步骤：
(1)气象数据信息采集：所述的气象数据信息包括天气状况、单位小时内太阳辐射度和单位小时内的平均气温；
(2)交通量数据的采集：所述的数据包括统计该路段的车辆通行量和计算单个车道内每小时的当量轴载作用次数；
(3)建立路面结构的车辙模型：所述的模型根据步骤(1)和步骤(2)得到的气象数据和交通量数据通过有限元软件建立车辙模型，根据计算结果分析路面结构在预测时间内的车辙发展情况。
进一步的，步骤(3)所述车辙模型的建立包括以下步骤：首先建立路面结构模型，将太阳辐射和气温作为外部热环境，进行路面结构温度场的模拟分析，得到路面内温度的分布状况；然后定义路面材料随温度变化的力学和蠕变参数，施加等效车轮荷载，计算路面车辙随时间的变化情况。
进一步的，步骤(1)首先采集本地区实时温度和太阳辐射强度数据，然后分别计算每小时内的温度变化量和太阳辐射度的变化量。
进一步的，步骤(2)所述交通量采用上一年的日平均交通量。
更进一步的，步骤(3)所述沥青路面材料蠕变模型采用Bailey-Norton蠕变规律，其中蠕变应变率为应力q和时间t的函数：
式中，为蠕变应变率，q为应力，t为时间，A、m、n为随温度变化的模型参数。
有益效果：与现有的车辙预估模型相比，本发明基于高温季节天气预报的车辙预报方法采用气象数据和交通量状况作为车辙预估的基本参数，模型参数简单且易于获取，预测结果准确，考虑了天气、气温的实时变化对车辙发展的影响，能够体现车辙随时间的发展情况。本模型可以为交通部门在高温季节调整交通流或收取高温通行费提供重要的依据；有助于道路工作者研究路面车辙产生的机理，提出车辙的防治措施；另外，对路面车辙的精确预估有利于养护部门提前制定路面养护计划，从而提高路面使用寿命、节约路面养护费用。
附图说明
图1为车辙深度随时间变化曲线。
具体实施方式
为了进一步的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例做进一步的阐述。
针对环境因素和交通量对沥青路面的影响，方便相关部分对道路的养护和损伤分析，本发明公开了一种沥青路面车辙预报方法，同时也实现准确预测高温季节高温天气下的沥青路面车辙发展情况，本发明所述的方法利用气象部门提供的气象预报资料，结合统计的交通量数据进行路面车辙的模拟计算。本发明优选基于高温天气和交通量的沥青路面进行车辙的预报，下面以高温天气环境下沥青路面的车辙预报做详细的阐述。
本发明首先根据高温天气持续时间确定预测周期，查询预测周期内的气象资料，包括天气状况、小时太阳辐射度和每小时的气温变化情况。然后查询最近一个月内的交通量状况，计算一个车道内每小时的当量轴载作用次数，作为预测时间内的交通量数据。最后，建立路面结构的车辙模型，输入气象和交通量数据，进行车辙模型的计算，得到路面结构在预测时间内的车辙发展情况。本实例提出的车辙预报模型自路面竣工或通车之日起，以天为单位进行连续计算，路面模型为实际沥青路面采用的路面结构，路面材料参数可采用经验值。主要的步骤如下：
(1)查询预测时间内的气象资料，包括天气状况、小时太阳辐射度和小时气温变：
(2)查询交通量状况，计算一个车道内每小时的当量轴载作用次数；
(3)建立路面结构的车辙模型，输入气象和交通量数据，进行车辙模型的计算，得到路面结构在预测时间内的车辙发展情况；
(4)对比该路段历史车辙深度实测数据，对上述车辙预估值进行修正，得到最终的车辙预估结果。
下面以浙江省208省道为例，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
省道208桐千线于2008年建设完成，是连接桐庐、临安和安徽的重要通道。S208原路面结构为20cm水泥稳定碎石基层+6cmAC-16沥青混凝土+4cmAC-13沥青混凝土面层，建设完成后经过多次大中修和预防性养护；在2013年大中修之后，现有的路面结构为20cm水泥稳定碎石基层+8cmSUP-25沥青稳定碎石+6cmSUP-20改性沥青混凝土+4cmAC-13C沥青混凝土面层。
为了模拟高温季节沥青路面的车辙发展情况，选择2016年7月1日至7月31日作为高温车辙的预测时间。自2013年大修完成后，省道208路面车辙持续发展；至2016年6月，经过现场实测，此路段的平均车辙深度为1.10cm。
查询桐庐县2016年7月气象预报资料，以7月1日为例，一天内每小时的太阳辐射强度和每小时的气温变化如下表所示：
表1桐庐县2016年7月1日小时太阳辐射度
表2桐庐县2016年7月1日24小时气温变化
时刻(小时) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
气温(℃) 24.7 23.7 23.1 22.8 23.1 24 25.4 27.2 29.2 31.2 33 34.4
时刻(小时) 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
气温(℃) 35.3 35.6 35.3 34.7 33.7 32.6 31.5 30.3 29.2 28.1 27.5 25.8
实地调查208省道2015年的交通量，通过轴载换算，本路段2015年平均每日当量轴载作用次数为4000次，一天内每小时的当量轴载作用次数如下表：
表3 S208桐千线2015年平均每日小时当量轴载作用次数
建立本路段的车辙预估模型，其中路面结构沥青混合料随温度变化的蠕变参数如下表所示：
表4沥青混合料蠕变参数
采用2015年的平均交通量作为预测时间内的日平均交通量，将查询得到的气象资料和交通量数据输入所述模型，计算结果表明2016年7月本路段的车辙将继续发展，车辙深度增大至1.31cm；经过实地测量，模型预估值与实测结果基本吻合。

Claims (5)

1.一种基于实时高温天气和交通量的沥青路面车辙预报方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)气象数据信息采集：所述的气象数据信息包括天气状况、单位小时内太阳辐射度和单位小时内的平均气温；
(2)交通量数据的采集：所述的数据包括统计该路段的车辆通行量和计算单个车道内每小时的当量轴载作用次数；
(3)建立路面结构的车辙模型：所述的模型根据步骤(1)和步骤(2)得到的气象数据和交通量数据通过有限元软件建立车辙模型，根据计算结果分析路面结构在预测时间内的车辙发展情况。
2.根据权利要求1所述的一种基于实时高温天气和交通量的沥青路面车辙预报方法，其特征在于，步骤(3)所述车辙模型的建立包括以下步骤：首先建立路面结构模型，将太阳辐射和气温作为外部热环境，进行路面结构温度场的模拟分析，得到路面内温度的分布状况；然后定义路面材料随温度变化的力学和蠕变参数，施加等效车轮荷载，计算路面车辙随时间的变化情况。
3.根据权利要求1所述的一种基于实时高温天气和交通量的沥青路面车辙预报方法，其特征在于，步骤(1)首先采集本地区实时温度和太阳辐射强度数据，然后分别计算每小时内的温度变化量和太阳辐射度的变化量。
4.根据权利要求1所述的一种基于实时高温天气和交通量的沥青路面车辙预报方法，其特征在于，步骤(2)所述交通量采用上一年的日平均交通量。
5.根据权利要求2所述的一种基于实时高温天气和交通量的沥青路面车辙预报方法，其特征在于，所述沥青路面材料蠕变模型采用Bailey-Norton蠕变规律，其中蠕变应变率为应力q和时间t的函数：
<mrow> <msub> <mover> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>c</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mi>Aq</mi> <mi>n</mi> </msup> <msup> <mi>t</mi> <mi>m</mi> </msup> <mo>,</mo> </mrow>
式中，为蠕变应变率，q为应力，t为时间，A、m、n为随温度变化的模型参数。
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