CN110632175A - 路面层间结构脱空状态检测方法、系统及使用方法 - Google Patents

路面层间结构脱空状态检测方法、系统及使用方法 Download PDF

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CN110632175A CN201910925049.0A CN201910925049A CN110632175A CN 110632175 A CN110632175 A CN 110632175A CN 201910925049 A CN201910925049 A CN 201910925049A CN 110632175 A CN110632175 A CN 110632175A
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车爱兰
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Abstract

本发明提供了一种路面层间结构脱空状态检测方法、系统及使用方法，包括：震源激发步骤：通过激发震源敲击路面产生弹性波；阵列式数据采集步骤：利用阵列式布置的检波器采集激发震源在路面产生的弹性波数据；波形评估步骤：去除弹性波数据中的噪声影响，计算弹性波的冲击能量，通过冲击能量评价路面脱空状态；三维模型重构步骤：重构脱空状态的三维模型。本发明可以实现对脱空区域的快速检测与成像，直观表征脱空的位置与严重程度，一体化程度高，便于使用。

Description

路面层间结构脱空状态检测方法、系统及使用方法
技术领域
本发明涉及土木工程领域，具体地，涉及一种路面层间结构脱空状态检测方法、系统及使用方法。
背景技术
混凝土路面具有强度高、刚度大、耐久性强和整体性好等多个方面的优点，目前已经广泛应用在公路、桥梁等基础建设项目中。在混凝土路面的使用过程中，发现对于行车造成最大影响的病害就是路面脱空，造成脱空的主要原因是车轮荷载的重复作用使得板底基础发生了微小的塑性变形，路面板和基层之间出现微小的空隙，大量的路表水渗入空隙层内，在车辆荷载和环境因素的循环作用下，脱空区域逐渐扩大，从而降低路面的车辆通行质量，甚至威胁行车安全。
由于脱空区域位于路面板的下面，因此对于路面板是否脱空，人们无法从表面状态直接判定，修复时往往采用经验法，并没有针对性，而且对于未出现脱空的路面板强行注浆，会对原来接触良好的板体产生扰动，产生断板现象。因此，需要一种能够检测出路面板脱空与否以及脱空面积大小的方法，对于指导采取预防性、针对性的修复措施，以延长路面的使用寿命具有极为重要的意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种路面层间结构脱空状态检测方法、系统及使用方法。
根据本发明提供的一种路面层间结构脱空状态检测方法，包括：
震源激发步骤：通过激发震源敲击路面产生弹性波；
阵列式数据采集步骤：利用阵列式布置的检波器采集激发震源在路面产生的弹性波数据；
波形评估步骤：去除弹性波数据中的噪声影响，计算弹性波的冲击能量，通过冲击能量评价路面脱空状态；
三维模型重构步骤：重构脱空状态的三维模型。
优选地，所述震源激发步骤具体包括：
检波器接触子步骤：将呈阵列式布置的检波器与路面接触，将激发震源设置于每四个检波器对角线中心的正上方；
同时激发子步骤：将所有激发震源同时敲击路面产生弹性波，且每个激发震源的激发力度相同。
优选地，所述阵列式数据采集步骤具体包括：
对于任一个激发震源，计算周围四个检波器所接收弹性波的平均值作为对应激发震源位置的弹性波数据记录。
优选地，所述波形评估步骤具体包括：
波形去噪子步骤：通过路面无激发自然状态下的波形数据去除弹性波数据中噪声影响；
冲击能量计算子步骤：从去噪后的弹性波数据中提取能量信息，得到路面上每一个激发震源位置所对应的冲击能量值；
脱空厚度计算子步骤：根据试验或模拟录入脱空与冲击能量值的拟合关系，通过冲击能量值评价脱空厚度。
根据本发明提供的一种路面层间结构脱空状态检测系统，包括：
震源激发模块：通过激发震源敲击路面产生弹性波；
阵列式数据采集模块：利用阵列式布置的检波器采集激发震源在路面产生的弹性波数据；
波形评估模块：去除弹性波数据中的噪声影响，计算弹性波的冲击能量，通过冲击能量评价路面脱空状态；
三维模型重构模块：重构脱空状态的三维模型。
优选地，所述震源激发模块具体包括：
检波器接触子模块：将呈阵列式布置的检波器与路面接触，将激发震源设置于每四个检波器对角线中心的正上方；
同时激发子模块：将所有激发震源同时敲击路面产生弹性波，且每个激发震源的激发力度相同。
优选地，所述阵列式数据采集模块具体包括：
对于任一个激发震源，计算周围四个检波器所接收弹性波的平均值作为对应激发震源位置的弹性波数据记录。
优选地，所述波形评估模块具体包括：
波形去噪子模块：通过路面无激发自然状态下的波形数据去除弹性波数据中噪声影响；
冲击能量计算子模块：从去噪后的弹性波数据中提取能量信息，得到路面上每一个激发震源位置所对应的冲击能量值；
脱空厚度计算子模块：根据试验或模拟录入脱空与冲击能量值的拟合关系，通过冲击能量值评价脱空厚度。
优选地，所述路面层间结构脱空状态检测系统还包括：检测车辆和拖拽式升降耦合模块；
所述拖拽式升降耦合模包括耦合装置1、升降装置2、数据采集支架7和震源支架4；
所述耦合装置1连接所述检测车辆和所述升降装置2；
所述数据采集支架7连接在所述升降装置2的可升降部分，所述震源支架4连接在所述升降装置2的固定部分，且位于所述数据采集支架7的上方；
所述震源激发模块设置于所述震源支架4上，包括多个激发锤5；
所述阵列式数据采集模块设置于所述数据采集支架7上，包括阵列式布置的检波器6。
根据本发明提供的一种路面层间结构脱空状态检测系统的使用方法，利用上述的路面层间结构脱空状态检测系统，执行以下步骤：
S1、将路面层间结构脱空状态检测系统移动至路面的待测区域；
S2、将阵列式数据采集模块中阵列式布置的检波器采集与路面接触，采集路面无激发自然状态下的波形数据；
S3、控制震源激发模块中的激发震源同时以相同的激发力度敲击路面；
S4、通过阵列式数据采集模块中阵列式布置的检波器采集激发震源在路面产生的弹性波数据；
S5、通过波形评估模块根据路面无激发自然状态下的波形数据去除弹性波数据中的噪声影响，计算弹性波的冲击能量，通过冲击能量评价路面脱空状态；
S6、通过三维模型重构模块重构脱空状态的三维模型。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明可以实现对脱空区域的快速检测与成像，直观表征脱空的位置与严重程度，一体化程度高，便于使用。
2、本发明建立起对混凝土路面板的快速检测，其应用可以辐射到其他混凝土构件的安全性能检测中，可以显著提高工程安全性。
3、本发明检测效率高，系统可以安装在响应检测车辆上，实现对长距离道路桥梁的快速检测。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的工作流程图；
图2为四个检波器的波形图；
图3为检测区域的冲击能量图；
图4为冲击能量与脱空厚度之间关系拟合图；
图5为脱空状态的三维空间成像；
图6为本发明的硬件结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种路面层间结构脱空状态检测方法，包括：
震源激发步骤：通过激发震源敲击路面产生弹性波；
阵列式数据采集步骤：利用阵列式布置的检波器采集激发震源在路面产生的弹性波数据；
波形评估步骤：去除弹性波数据中的噪声影响，计算弹性波的冲击能量，通过冲击能量评价路面脱空状态；
三维模型重构步骤：重构脱空状态的三维模型。
具体的，震源激发步骤具体包括：
检波器接触子步骤：将呈阵列式布置的检波器与路面接触，将激发震源设置于每四个检波器对角线中心的正上方；
同时激发子步骤：将所有激发震源同时敲击路面产生弹性波，且每个激发震源的激发力度相同。
阵列式数据采集步骤具体包括：
对于任一个激发震源，计算周围四个检波器所接收弹性波的平均值作为对应激发震源位置的弹性波数据记录。
波形评估步骤具体包括：
波形去噪子步骤：通过路面无激发自然状态下的波形数据去除弹性波数据中噪声影响；
冲击能量计算子步骤：从去噪(如附近车辆的影响)后的弹性波数据中提取能量信息，得到路面上每一个激发震源位置所对应的冲击能量值；
脱空厚度计算子步骤：根据试验或模拟录入脱空与冲击能量值的拟合关系，通过冲击能量值评价脱空厚度。
其中，根据试验或模拟录入的历史数据通过数值模拟与不同脱空厚度模型试验获取，例如：对选定模型进行n种工况的检测，具体表现为控制路面板与基础之间为n种脱空状态，并根据精度要求调整工况个数n，分别计算对应工况的冲击能量，并拟合出冲击能量与脱空厚度之间的函数关系，并进行存储。在波形评估中，通过调用上述的函数关系可自动对测量提取获得的特征值进行脱空厚度数据的计算。
如图6所示，在上述一种路面层间结构脱空状态检测方法的基础上，本发明还提供一种路面层间结构脱空状态检测系统，包括：
震源激发模块：通过激发震源敲击路面产生弹性波；
阵列式数据采集模块：利用阵列式布置的检波器采集激发震源在路面产生的弹性波数据；
波形评估模块：去除弹性波数据中的噪声影响，计算弹性波的冲击能量，通过冲击能量评价路面脱空状态；
三维模型重构模块：重构脱空状态的三维模型。
具体的，震源激发模块具体包括：
检波器接触子模块：将呈阵列式布置的检波器与路面接触，将激发震源设置于每四个检波器对角线中心的正上方；
同时激发子模块：将所有激发震源同时敲击路面产生弹性波，且每个激发震源的激发力度相同。
阵列式数据采集模块具体包括：
对于任一个激发震源，计算周围四个检波器所接收弹性波的平均值作为对应激发震源位置的弹性波数据记录。
波形评估模块具体包括：
波形去噪子模块：通过路面无激发自然状态下的波形数据去除弹性波数据中噪声影响；
冲击能量计算子模块：从去噪(如附近车辆的影响)后的弹性波数据中提取能量信息，得到路面上每一个激发震源位置所对应的冲击能量值；
脱空厚度计算子模块：根据试验或模拟录入脱空与冲击能量值的拟合关系，通过冲击能量值评价脱空厚度。
路面层间结构脱空状态检测系统还包括：检测车辆和拖拽式升降耦合模块；
拖拽式升降耦合模包括耦合装置1、升降装置2、数据采集支架7和震源支架4；
耦合装置1连接检测车辆和升降装置2；
数据采集支架7连接在升降装置2的可升降部分，震源支架4连接在升降装置 2的固定部分，且位于数据采集支架7的上方；
震源激发模块设置于震源支架4上，包括多个激发锤5；
阵列式数据采集模块设置于数据采集支架7上，包括阵列式布置的检波器6。
其中，根据试验或模拟录入的历史数据通过数值模拟与不同脱空厚度模型试验获取，例如：对选定模型进行n种工况的检测，具体表现为控制路面板与基础之间为n种脱空状态，并根据精度要求调整工况个数n，分别计算对应工况的冲击能量，并拟合出冲击能量与脱空厚度之间的函数关系，并进行存储。在波形评估中，通过调用上述的函数关系可自动对测量提取获得的特征值进行脱空厚度数据的计算。
在实际应用中，阵列式检波器的布置形式可以根据现场具体情况按照不同网格尺寸进行布置，阵列形状同样可以变化以适应工况，各形状类型均在本发明的保护范围之内。在网格面的投影上，激发震源位于网格四个检波器对角检波器连线的中点上，在每一次检测过程中，升降装置降下检波器，使检波器与路面板接触，之后由控制器控制激发锤同时激发，取激发震源附近四个检波器的平均数据作为该激发点的波形数据，完成后由升降装置控制升起检波器，进行下一区域的检测。为保证各个激发震源上的激发时刻与激发力度相同，所有锤的大小质量均相同，并且均连接在同一个电动机上，通过电动机控制所有锤同时激发。
本发明还提供的一种路面层间结构脱空状态检测系统的使用方法，利用上述的路面层间结构脱空状态检测系统，执行以下步骤：
S1、将路面层间结构脱空状态检测系统移动至路面的待测区域；
S2、将阵列式数据采集模块中阵列式布置的检波器采集与路面接触，采集路面无激发自然状态下的波形数据；
S3、控制震源激发模块中的激发震源同时以相同的激发力度敲击路面；
S4、通过阵列式数据采集模块中阵列式布置的检波器采集激发震源在路面产生的弹性波数据；
S5、通过波形评估模块根据路面无激发自然状态下的波形数据去除弹性波数据中的噪声影响，计算弹性波的冲击能量，通过冲击能量评价路面脱空状态；
S6、通过三维模型重构模块重构脱空状态的三维模型。
实施例：
检波器与激发震源均为三维阵列组合结构，布置方式如图6所示，阵列大小可依据实际工况进行调节，在本例为70cm×70cm。本例中道路为标准车道，车道宽度 3.75m，每一排布置6个检波器，纵向布置11排检波器，一次可以检测的区域大小为3.5m×7m，可以划分为50个大小相同的组合结构组成，如图6所示。所需检波器为66个，激发锤为50个，检波器之间间距为70cm，激发锤布置在网格四个检波器对角检波器连线的中点上。检波器频率相同，均为速度型检波器，固有频率为 100Hz至400Hz之间，例如100Hz。激发锤为大小质量均相同的铁锤，质量为10g，激发锤由电动机控制。
公路路面层间结构脱空状态快速检测系统连接所有检波器，将检波器接收的信息与构件的位置信息的进行识别与存储，实现位置波形信息的分类储存。公路路面层间结构脱空状态快速检测系统中存储着冲击能量数据，通过数值模拟及不同脱空厚度模型试验，取五个工况包括控制路面与基础脱空厚度分别为0cm、0.2cm、0.4cm、 0.6cm、0.8cm和1cm，建立冲击能量与脱空厚度之间的函数关系，并存储在系统中，并将其与脱空厚度之间的函数关系统一化，如图4所示。
具体地：将检波器和激发震源网格化连接形成如图6阵列式组合装置，检波器位置固定。在采集系统一定高度处利用电动机控制铁锤下落作为激发震源，铁锤大小质量均相同，电动机控制所有的铁锤同时下落，所有检波器同时接收弹性波数据，取每个震源附近四个检波器的平均数据作为该激发点的波形数据，如图2所示。在完成一个组合区域数据的采集后，移动前进本发明到其他相同的组合结构，重复以上采集步骤，进而完成全部区域的数据采集，如图3所示，可将本发明安装于检测车辆或其他设备上以提高工作效率。
在采集数据后，进入数据处理阶段，将所有激发点的波形数据导入软件，以获取不同位置的冲击能量，再根据系统记录的位置信息，绘制整个区域的脱空状态图像。最后，自动实现脱空厚度的三维成像，如图5所示。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种路面层间结构脱空状态检测方法，其特征在于，包括：
震源激发步骤：通过激发震源敲击路面产生弹性波；
阵列式数据采集步骤：利用阵列式布置的检波器采集激发震源在路面产生的弹性波数据；
波形评估步骤：去除弹性波数据中的噪声影响，计算弹性波的冲击能量，通过冲击能量评价路面脱空状态；
三维模型重构步骤：重构脱空状态的三维模型。
2.根据权利要求1所述的路面层间结构脱空状态检测方法，其特征在于，所述震源激发步骤具体包括：
检波器接触子步骤：将呈阵列式布置的检波器与路面接触，将激发震源设置于每四个检波器对角线中心的正上方；
同时激发子步骤：将所有激发震源同时敲击路面产生弹性波，且每个激发震源的激发力度相同。
3.根据权利要求1所述的路面层间结构脱空状态检测方法，其特征在于，所述阵列式数据采集步骤具体包括：
对于任一个激发震源，计算周围四个检波器所接收弹性波的平均值作为对应激发震源位置的弹性波数据记录。
4.根据权利要求1所述的路面层间结构脱空状态检测方法，其特征在于，所述波形评估步骤具体包括：
波形去噪子步骤：通过路面无激发自然状态下的波形数据去除弹性波数据中噪声影响；
冲击能量计算子步骤：从去噪后的弹性波数据中提取能量信息，得到路面上每一个激发震源位置所对应的冲击能量值；
脱空厚度计算子步骤：根据试验或模拟录入脱空与冲击能量值的拟合关系，通过冲击能量值评价脱空厚度。
5.一种路面层间结构脱空状态检测系统，其特征在于，包括：
震源激发模块：通过激发震源敲击路面产生弹性波；
阵列式数据采集模块：利用阵列式布置的检波器采集激发震源在路面产生的弹性波数据；
波形评估模块：去除弹性波数据中的噪声影响，计算弹性波的冲击能量，通过冲击能量评价路面脱空状态；
三维模型重构模块：重构脱空状态的三维模型。
6.根据权利要求5所述的路面层间结构脱空状态检测系统，其特征在于，所述震源激发模块具体包括：
检波器接触子模块：将呈阵列式布置的检波器与路面接触，将激发震源设置于每四个检波器对角线中心的正上方；
同时激发子模块：将所有激发震源同时敲击路面产生弹性波，且每个激发震源的激发力度相同。
7.根据权利要求5所述的路面层间结构脱空状态检测系统，其特征在于，所述阵列式数据采集模块具体包括：
对于任一个激发震源，计算周围四个检波器所接收弹性波的平均值作为对应激发震源位置的弹性波数据记录。
8.根据权利要求5所述的路面层间结构脱空状态检测系统，其特征在于，所述波形评估模块具体包括：
波形去噪子模块：通过路面无激发自然状态下的波形数据去除弹性波数据中噪声影响；
冲击能量计算子模块：从去噪后的弹性波数据中提取能量信息，得到路面上每一个激发震源位置所对应的冲击能量值；
脱空厚度计算子模块：根据试验或模拟录入脱空与冲击能量值的拟合关系，通过冲击能量值评价脱空厚度。
9.根据权利要求5所述的路面层间结构脱空状态检测系统，其特征在于，所述路面层间结构脱空状态检测系统还包括：检测车辆和拖拽式升降耦合模块；
所述拖拽式升降耦合模包括耦合装置(1)、升降装置(2)、数据采集支架(7)和震源支架(4)；
所述耦合装置(1)连接所述检测车辆和所述升降装置(2)；
所述数据采集支架(7)连接在所述升降装置(2)的可升降部分，所述震源支架(4)连接在所述升降装置(2)的固定部分，且位于所述数据采集支架(7)的上方；
所述震源激发模块设置于所述震源支架(4)上，包括多个激发锤(5)；
所述阵列式数据采集模块设置于所述数据采集支架(7)上，包括阵列式布置的检波器(6)。
10.一种路面层间结构脱空状态检测系统的使用方法，其特征在于，利用权利要求5至9任意一项所述的路面层间结构脱空状态检测系统，执行以下步骤：
S1、将路面层间结构脱空状态检测系统移动至路面的待测区域；
S2、将阵列式数据采集模块中阵列式布置的检波器采集与路面接触，采集路面无激发自然状态下的波形数据；
S3、控制震源激发模块中的激发震源同时以相同的激发力度敲击路面；
S4、通过阵列式数据采集模块中阵列式布置的检波器采集激发震源在路面产生的弹性波数据；
S5、通过波形评估模块根据路面无激发自然状态下的波形数据去除弹性波数据中的噪声影响，计算弹性波的冲击能量，通过冲击能量评价路面脱空状态；
S6、通过三维模型重构模块重构脱空状态的三维模型。
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