CN110205909A - 一种基于沥青层当量温度的路面结构弯沉系指标的温度修正方法 - Google Patents

一种基于沥青层当量温度的路面结构弯沉系指标的温度修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于沥青层当量温度的路面结构弯沉系指标的温度修正方法，该方法以FWD动态弯沉盆为修正对象，以测试时间段内路面结构沥青层平均年当量温度为标准温度，以测试时刻路面结构沥青层当量温度为修正参考温度，将路面结构实测弯沉系指标修正到标准温度下。通过本方法进行弯沉修正，不仅考虑了地域差异，更考虑了路面结构内部真实的温度状态，从而使得修正后的弯沉值更符合实际。

Description

一种基于沥青层当量温度的路面结构弯沉系指标的温度修正 方法
技术领域
本发明主要涉及路面工程技术领域，特别是涉及一种基于沥青层当量温度的路面结构弯沉系指标的温度修正方法。
背景技术
弯沉是评价沥青路面结构承载能力重要指标之一，弯沉的温度修正问题是弯沉用于路面设计和工程质量评定是的一个关键技术环节。目前，弯沉测试的方法主要有两种：一种是以贝克曼梁弯沉测试方法为代表的静态弯沉，另一种是以落锤式弯沉仪(fallingWeight Deflection，简称FWD)测试方法为代表的动态弯沉。与静态弯沉相比，FWD动态弯沉可以较好的模拟沥青路面在行车荷载作用下的回弹变形，不仅能够获得荷载作用位置路面结构的变形状态，而且可以得到距离荷载作用一定位置范围内的路面变形，即所谓的弯沉盆。国内外研究认为，通过对弯沉盆几何形状的分析比仅仅的单点弯沉值，能够获得更多的结构承载能力的信息。因此，对弯沉的温度修正也不能仅局限于对中心点弯沉的修正，而应考虑整个弯沉盆及其几何形状。
对于弯沉的温度修正，国内外对此进行了大量的研究，提出了不少针对弯沉的温度修正公式。弯沉的温度修正，确定基准温度和修正参考温度类型是首先考虑的问题，其次是修正模型的选择。
一般来说，用于评价沥青路面使用期间环境温度的指标有：路面结构(特别是沥青混凝土结构层)的温度、沥青路面表面温度和大气温度等，在实际工程中，在同一时段，这三个温度数值并不相等，有时相差20～30℃。对于基准温度，现行规范统一采用20℃的标准温度，无法体现不同地域温度差异，从而使修正后的弯沉值与实际产生偏差。
对于修正参考温度类型，现行规范及现有大多数研究采用一种较为粗略的方法进行估计，主要采用估算的而非实测的路表下25mm处温度与沥青层中间深度处温度及沥青面层底面温度三者的算术平均值。对于弯沉指标，弯沉是反映沥青路面整体结构承载能力的指标，因此，整体路面结构的温度状态，特别是具有显著黏弹特性的沥青混凝土的温度状态，对弯沉指标的显著影响是不言而喻的。而事实上，在弯沉检测过程中准确确定沥青路面结构的温度是困难的。首先这个温度应是结构内部的温度，而不是外部温度，这就需要有专门埋设于路面结构内部的传感器设备进行检测。其次，路面结构内部的温度并不是一个固定值，在同一断面上，随着深度的变化，温度呈梯度变化，如何选取有代表性的温度作为弯沉修正的参考温度是值得研究的问题。
对于修正模型的选择，现有研究多是采用简单的指数模型或二次方模型，无法准确表达沥青混合料在不同温度状态下的黏弹特性。
发明内容：
针对以上问题，本发明提出一种基于沥青层当量温度的路面结构弯沉系指标的温度修正方法，该方法以FWD动态弯沉盆为修正对象，以测试时间段内路面结构沥青层平均年当量温度为标准温度，以测试时刻路面结构沥青层当量温度为修正参考温度，将路面结构实测弯沉系指标修正到标准温度下。
一种基于沥青层当量温度的路面结构弯沉系指标的温度修正方法，包含如下步骤：
1、获取路面结构内部温度数据
选择一个尚未经过交通荷载加载的路面结构，在路面结构沥青层内部不同深度埋设温度传感器，采集路面结构内部不同深度位置温度数据，采集频率为N分钟一次，采集方式为24小时不间断连续采集，采集时限长为一年以上，所述路面结构沥青层为沥青路面自路表面往下所有连续的沥青层组成的一个整体；
2、获取路面结构弯沉系指标数据
选择步骤1的路面结构，采用落锤式弯沉仪加载采集该路面结构弯沉盆数据，通过获取的弯沉盆数据绘制的弯沉盆曲线，
其中弯沉系指标包括以下7个特征值，这些指标能够有效控制整个弯沉盆的形状和大小，1)中心点弯沉D0；
2)远端点弯沉均值3D；3D＝(D6+D7+D8)/3；
3)弯沉盆面积S；
4)不同测点及指标与中心点弯沉的比值：
(A)D1/D0
(B)D3/D0
(C)D5/D0
(D)3D/D0
3、计算步骤1中路面结构沥青层年当量温度T0，以此为弯沉温度修正的标准温度
a)所述路面结构沥青层年当量温度为路面结构弯沉测试年度全年沥青层代表温度，通过步骤1获取沥青层日温度数据，计算沥青层日当量温度，将全年分成若干个连续的时间区块，以同一时间区块内同一时刻同一热传感器测定的温度平均值作为该时刻该时间区块的平均温度，按采集频率绘24小时内各时刻与时间区块平均温度曲线，然后根据曲线与平均温度、各时刻围合的面积可得到沥青层不同深度的该时间区块的当量温度；
b)以该时间区块的当量温度与深度对应绘制曲线，该曲线与时间区块的当量温度、深度围合的面积按深度测点个数分割成多个梯形，分别计算各梯形的质点(xi，yi)再以各梯形的面积为加权值，计算曲线与时间区块的当量温度、深度围合的几何图形的质心坐标(x,y)，其中质心横坐标即为沥青层该时间区块的当量温度，纵坐标则代表该当量温度对应的结构层深度位置，其计算公式为：
c)将全年的各时间区块的当量温度按照n℃的温度间隔进行出现频率分析，按频率加权，计算得到路面结构沥青层年当量温度T0，n为2-10之间的正整数；
4、计算步骤2中路面结构弯沉检测时刻沥青层当量温度T
所述路面结构弯沉检测时刻沥青层当量温度为弯沉检测时刻路面沥青层的代表温度；通过步骤1获取弯沉检测时刻沥青层不同深度位置温度数据，将沥青层不同深度位置温度数据与深度对应绘制曲线，按步骤b)所述相同方法进行加权平均，可得到弯沉检测时刻路面沥青层当量温度T；
5、建立步骤2中实测路面结构弯沉系指标与步骤4中得到的沥青层当量温度T的关系模型
所述关系模型采用Boltzmann曲线模型，采用该模型建立的弯沉系指标与沥青层当量温度关系模型见式1，拟合关系曲线；
式中B为步骤2中弯沉系指标的通用符号；T为路面结构弯沉检测时刻沥青层当量温度；x0、dx、A1、A2为系数。
6、采用步骤3的标准温度T0，根据步骤5的关系模型，计算标准温度下的路面结构弯沉系指标值
7、将步骤2中实测的弯沉系指标与步骤6中标准温度下的路面结构弯沉系指标相比，得到两者的比值dl，该比值即为弯沉修正因子。
8、建立步骤7中dl与步骤4中得到的沥青层当量温度T的关系模型
所述关系模型采用Boltzmann曲线模型，采用该模型建立的弯沉系指标与沥青层当量温度关系模型见式2。
其中T路面结构弯沉检测时刻沥青层当量温度；A1′、A2′、x0′、dx′为系数。
9、将沥青层任意当量温度Tx下测得的弯沉系指标修正至标准温度T0下
按照步骤8的模型，温度Tx下测得的弯沉系指标B0x修正至标准温度T0下为：
式中Tx为某次弯沉检测时的沥青层当量温度；
B0x为温度Tx条件下实测弯沉系指标值；
dlx为温度Tx条件下的弯沉系指标修正系数，按照式2计算，即：
B0x′为采用修正系数修正得到的弯沉系指标值。
所述采集频率为5-20分钟一次。
优选采集频率为10分钟一次。
所述步骤a)中将全年分成若干个连续的时间区块为将每2-10天分成一个时间区块。
所述将全年分成若干个连续的时间区块为一年按12个月，每个月按3-6天分成一个时间区块。
所述将全年分成若干个连续的时间区块为一年按12个月，每个月分成6个时间区块。
所述步骤c)中n℃的温度间隔为5℃的温度间隔。
将全年划分为若干时间区块，可有效减少数据分析的繁琐性，提高数据分析效率，同时以每个时间区块内的平均温度来进行计算，可有效减小传感器采集误差的影响，提高模型拟合精度。
附图说明
图1路面层结构内部温度传感器布置示意图，
图2弯沉盆曲线示意图
1-沥青上面层；2-沥青下面层；3-温度传感器；4-其他非沥青结构层
图3 2018年5月1日～5月5日日(5)均温度变化曲线
图4沥青层随深度变化的日当量温度曲线图
图5 2018年沥青层日当量温度频度分布图
图6中心点弯沉与沥青层当量温度拟合结果图
图7比值dl与沥青层当量温度拟合结果图
具体实施方式：
以下结合足尺路面试验环道2018年某结构路面结构中心点弯沉温度修正实例，对一种基于沥青层当量温度的路面结构弯沉系指标的温度修正方法进行进一步说明，下述实例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。
1、温度数据采集
足尺路面试验环道路面结构内部温度通过不同深度温度传感器来检测，最浅测点在路表，最深测点距路表250cm。传感器采用PT100铂电阻温度传感器，测量范围：-50～100℃，精度：0.15℃，采集频率为10分钟。某结构路面结构型式及路面结构内部温度传感器埋设方式如图1所示，该结构沥青面层厚度为12cm，分为两层铺筑。
2、路面结构弯沉检测
弯沉检测采用落锤式弯沉仪进行测定。荷载级位为5t，FWD位移传感器的位置布置信息为0(荷载中心)-23-53-69-85-116-153-175-205(cm)。表1为选取的2018年15次FWD弯沉检测中心点弯沉的数据。弯沉盆曲线示意图见图2。
表1:2018年15次FWD弯沉检测弯沉盆数据
其中弯沉系指标包括以下7个特征值，这些指标能够有效控制整个弯沉盆的形状和大小，
1)中心点弯沉D0；
2)远端点弯沉均值3D；3D＝(D6+D7+D8)/3；
3)弯沉盆面积S；
4)不同测点及指标与中心点弯沉的比值：
(A)D1/D0
(B)D3/D0
(C)D5/D0
(D)3D/D0
所述7个弯沉系指标的温度修正方法相同，以下仅以中心点弯沉D0的温度修正方法步骤进行说明。表2为表1中15次FWD弯沉检测的中心点弯沉D0数据汇总表。
表2：中心点弯沉汇总表
3、路面结构沥青层年当量温度T0计算
为了便于分析，取每连续五天的温度平均值进行分析，即将每个月的温度数据划分为六个时间段，每五天一个单元，取五天相同时段的平均值代表这五天的温度变化情况，以下称为“日(5)均温度”。同时，为分析方便，横坐标单位统一为小时，横坐标1代表当天凌晨1点，24代表第二天的0点，25代表第二天凌晨1点，以此类推。图3为将2018年5月1日～5月5日路表温度数据按此规则绘制的日(5)均温度变化曲线图。
计算图5中曲线与时间轴围成的图形面积，以该面积除以24，得到该结构2018年5月1日～5月5日路表日当量温度为30.94℃。按照同样的方法，计算得到该结构2018年5月1日～5月5日路表面下4cm处日当量温度为25.68℃，路表面下12cm处日当量温度为25.05℃。由此，绘制沥青层随深度变化的日当量温度曲线如图4。
由图4可知，可将沥青层随深度变化的日当量温度曲线与坐标轴围成的几何图形分割为两个梯形，可分别计算两个梯形的质心坐标(x1,y1)和(x2,y2)，再以梯形的面积S1和S2为加权值，计算沥青层随深度变化的日当量温度曲线与坐标轴围成的几何图形的质心，从而得到沥青层的日当量温度。经计算得到该结构2018年5月1日～5月5日沥青层的日当量温度为25.27℃。
按照同样的方法，计算得到2018年全年沥青层的日当量温度见表3。
表3：2018年全年的日当量温度统计表
将表1中全年沥青层日当量温度按照5℃的温度间隔进行频度分析，见图5，然后根据频度进行加权平均，得到沥青层年当量温度T0为19.58℃，即弯沉温度修正的标准温度，见表4。
表4：2018年沥青层日当量温度频度分布表
4、FWD弯沉检测时刻沥青层当量温度T计算
FWD弯沉检测时刻沥青层当量温度根据检测时刻采集的沥青层不同深度位置温度数据加权平均得到，加权方法同沥青层日当量温度计算，经计算得到对应于表1中15次中心点弯沉检测时刻的沥青层当量温度如表5。
表5：FWD中心点弯沉及检测时刻对应的沥青层当量温度
5、建立FWD中心点弯沉D0与沥青层当量温度T关系模型。
采用origin软件，选择Boltzmann曲线模型，对表4中弯沉和温度数据进行拟合，拟合结果图见图6，拟合参数见表6。
表6：拟合参数
A<sub>1</sub> A<sub>2</sub> x<sub>0</sub> dx 样本量 R<sup>2</sup>
4.89 6.83 19.22 6.11 15 0.92
由此，建立FWD中心点弯沉D0与沥青层当量温度T关系模型如式4。
6、计算标准温度条件下的中心点弯沉值。
按照式4计算标准温度条件下中心点弯沉值
7、计算实测路面结构中心点弯沉D0与标准条件下的中心点弯沉的比值dl。
将实测路面结构中心点弯沉除以标准条件下的中心点弯沉值，得到两者的比值dl，见表7。
表7比值dl计算：
8、建立dl与沥青层当量温度T的关系模型。
采用origin软件，选择Boltzmann曲线模型，对表6中dl和表4中沥青层当量温度数据进行拟合，拟合结果图见图7，拟合参数见表8。
表8：拟合参数
由此，建立dl与沥青层当量温度关系模型如式5。
9、实测中心点弯沉温度修正
通过式5可将路面在实际加载状态下，任何温度条件下测定的路面结构中心点弯沉数据修正至标准温度下，以进行不同时期弯沉的比较。如某次弯沉检测测得中心点弯沉D0为6.29，测试时刻沥青层当量温度为10℃，按式5计算弯沉修正因子由此，修正后的中心点弯沉为：D0′＝6.29/0.89＝7.07。

Claims (7)

1.一种基于沥青层当量温度的路面结构弯沉系指标的温度修正方法，包含如下步骤：
(1)、获取路面结构内部温度数据
选择一个尚未经过交通荷载加载的路面结构，在路面结构沥青层内部不同深度埋设温度传感器，采集路面结构内部不同深度位置温度数据，采集频率为N分钟一次，采集方式为24小时不间断连续采集，采集时限长为一年以上，所述路面结构沥青层为沥青路面自路表面往下所有连续的沥青层组成的一个整体；
(2)、获取路面结构弯沉系指标数据
选择步骤1的路面结构，采用落锤式弯沉仪加载采集该路面结构弯沉盆数据，通过获取的弯沉盆数据绘制的弯沉盆曲线，
其中弯沉系指标包括以下7个特征值，这些指标能够有效控制整个弯沉盆的形状和大小，
1)中心点弯沉D0；
2)远端点弯沉均值3D；3D＝(D6+D7+D8)/3；
3)弯沉盆面积S；
4)不同测点及指标与中心点弯沉的比值：
(A)D1/D0
(B)D3/D0
(C)D5/D0
(D)3D/D0；
(3)、计算步骤1中路面结构沥青层年当量温度T0，以此为弯沉温度修正的标准温度
a)所述路面结构沥青层年当量温度为路面结构弯沉测试年度全年沥青层代表温度，通过步骤1获取沥青层日温度数据，计算沥青层日当量温度，将全年分成若干个连续的时间区块，以同一时间区块内同一时刻同一热传感器测定的温度平均值作为该时刻该时间区块的平均温度，按采集频率绘24小时内各时刻与时间区块平均温度曲线，然后根据曲线与平均温度、各时刻围合的面积可得到沥青层不同深度的该时间区块的当量温度；
b)以该时间区块的当量温度与深度对应绘制曲线，该曲线与时间区块的当量温度、深度围合的面积按深度测点个数分割成多个梯形，分别计算各梯形的质点(xi，yi)再以各梯形的面积为加权值，计算曲线与时间区块的当量温度、深度围合的几何图形的质心坐标(x,y)，其中质心横坐标即为沥青层该时间区块的当量温度，纵坐标则代表该当量温度对应的结构层深度位置，其计算公式为：
c)将全年的各时间区块的当量温度按照n℃的温度间隔进行出现频率分析，按频率加权，计算得到路面结构沥青层年当量温度T0，n为2-10之间的正整数；
(4)、计算步骤2中路面结构弯沉检测时刻沥青层当量温度T
所述路面结构弯沉检测时刻沥青层当量温度为弯沉检测时刻路面沥青层的代表温度；通过步骤1获取弯沉检测时刻沥青层不同深度位置温度数据，将沥青层不同深度位置温度数据与深度对应绘制曲线，按步骤b)所述相同方法进行加权平均，可得到弯沉检测时刻路面沥青层当量温度T；
(5)、建立步骤2中实测路面结构弯沉系指标与步骤4中得到的沥青层当量温度T的关系模型
所述关系模型采用Boltzmann曲线模型，采用该模型建立的弯沉系指标与沥青层当量温度关系模型见式1，拟合关系曲线；
式中B为步骤2中弯沉系指标的通用符号；T为路面结构弯沉检测时刻沥青层当量温度；x0、dx、A1、A2为系数；
(6)、采用步骤3的标准温度T0，根据步骤5的关系模型，计算标准温度下的路面结构弯沉系指标值
(7)、将步骤2中实测的弯沉系指标与步骤6中标准温度下的路面结构弯沉系指标相比，得到两者的比值dl：该比值即为弯沉修正因子；
(8)、建立步骤7中dl与步骤4中得到的沥青层当量温度T的关系模型
所述关系模型采用Boltzmann曲线模型，采用该模型建立的弯沉系指标与沥青层当量温度关系模型见式2；
其中T路面结构弯沉检测时刻沥青层当量温度；A1′、A2′、x0′、dx′为系数；
(9)、将沥青层任意当量温度Tx下测得的弯沉系指标修正至标准温度T0下
按照步骤8的模型，温度Tx下测得的弯沉系指标B0x修正至标准温度T0下为：
式中Tx为某次弯沉检测时的沥青层当量温度；
B0x为温度Tx条件下实测弯沉系指标值；
dlx为温度Tx条件下的弯沉系指标修正系数，按照式2计算，即：
B0x′为采用修正系数修正得到的弯沉系指标值。
2.根据权利要求1的温度修正方法，所述采集频率为5-20分钟一次。
3.根据权利要求2的温度修正方法，采集频率为10分钟一次。
4.根据权利要求1的温度修正方法，所述步骤a)中将全年分成若干个连续的时间区块为将每2-10天分成一个时间区块。
5.根据权利要求4的温度修正方法，所述将全年分成若干个连续的时间区块为一年按12个月，每个月按3-6天分成一个时间区块。
6.根据权利要求5的温度修正方法，所述将全年分成若干个连续的时间区块为一年按12个月，每个月分成6个时间区块。
7.根据权利要求6的温度修正方法，所述步骤c)中n℃的温度间隔为5℃的温度间隔。
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