CN110704918B - 一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法，该方法先依据大量新疆地区不同条件下(例如温度、应力释放结构等)水泥稳定基层拱胀量观测结果建立RBFN模型；在此基础上预测待设计水泥稳定基层的拱胀量，当拱胀量大于控制要求时，利用RBFN模型设计合理的预切宽涨缝宽度和间距，保证该水泥稳定基层拱胀量小于控制值。在RBFN模型设计基础上，本发明提出了相应的预切宽涨缝施工方法。本发明可以依据现有数据预测不设置预切缝的水泥稳定基层拱胀。

Description

一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法

技术领域

本发明属于道路施工技术领域，尤其涉及一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法。

背景技术

新疆交通建设者经过多年的探索、实践、积累，水泥稳定基层由于其结构材料分布广泛、易于开采，并具有较好的强度、刚度及水稳性，很好的适应了新疆干旱少雨的气候特点，新疆地区绝大部分干线公路采用了这种半刚性路面基层结构。水泥稳定基层混合料属于温度敏感性材料，当温度变化时，水泥稳定基层会产生热胀冷缩现象，从而产生温度应力和胀缩变形，另外混合料级配、水泥性能、易溶盐含量、压实度等均对水泥稳定基层变形产生一定影响。近年来，随着经济社会持续快速发展，公路交通量迅速增加，水泥稳定基层结构厚度逐渐增厚，强度要求不断提高，水泥稳定基层拱胀开裂问题越发明显，由水泥稳定基层拱胀开裂带来的路面病害一直是一个亟侍解决的问题。近几年，南疆建成的几条高速公路通过几年的运营，在夏季高温天气状况下，水泥稳定基层产生巨大的温度应力和膨胀变形，致使部分路段基层出现了不同程度的拱胀开裂现象。

因此，通过探究新疆地区水泥稳定基层拱胀病害的规律及原因，解决新疆高速公路水泥稳定基层拱胀防治设计、施工及维护等方面的关键技术，提出合理而实用的改善措施。对最大限度的减少水泥稳定基层病害，延长道路使用寿命，并最终形成拱胀水泥稳定基层防治技术指南来指导新疆地区水泥稳定基层拱胀防治技术与推广。为高速公路水泥稳定基层设计、施工及养护等多方面提供技术支撑，推动公路交通科技事业的进步做出贡献。

发明内容

本发明的目的在于为新疆地区水泥稳定基层拱胀控制提供技术支持和指导，提供了一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法，该方法主要内容包括：RBFN模型的训练、RBFN模型的使用以及设计预切缝的施工方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：

一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法，包括以下步骤：

1)RBFN模型的训练，即依据已知新疆地区不同温度、应力释放结构条件下水泥稳定基层拱胀量，通过模型参数自动调节，建立不同条件和水泥稳定基层拱胀量之间的映射关系；RBFN的训练为依据大量新疆地区不同条件下水泥稳定基层拱胀量自动调整RBFN模型参数w_k和c_k，w_k和c_k分别为RBFN模型参数权重参数和核参数，k＝1,…,n，n为中心点个数，如图1所示；

2)RBFN模型的使用，即步骤1)建立的映射关系预测新疆地区未知条件下的水泥稳定基层拱胀量；依据步骤1)训练的RBFN模型预测不设置宽胀缝结构的水泥稳定基层拱胀量和设置不同宽胀缝结构的水泥稳定基层拱胀量，从而确定合理宽涨缝的宽度和间距；

3)设计预切缝的施工方法，即根据步骤2)预测的新疆地区未知条件下的水泥稳定基层拱胀量设计预切宽涨缝；依据步骤2)中确定的宽涨缝宽度和间距进行水泥稳定基层的施工，除预切宽涨缝施工工艺外，其余水泥稳定基层施工工艺与传统水泥稳定基层施工工艺相同。

本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法如下：

101)对RBFN参数w_k和c_k进行随机赋值，其赋值范围为[0,1]；

102)随机选择一组新疆地区不同条件下的水泥稳定基层拱胀量数据组，数据组包括两个部分：输入条件部分x＝(x₁,…,x₉)和目标输出值部分y；x₁—x₉分别为水泥稳定基层的施工温度、水泥用量、矿料级配、环境湿度、控制含盐率、压实方式、涨缝宽度和涨缝间距；目标输出值部分y为该组水泥稳定基层的实测拱胀量；

103)使用RBFN预测该组水泥稳定基层的拱胀量y’，过程如公式(1)—(3)所示；

式中，x＝(x₁,…,x₉)为输入条件，c_k＝(c^k ₁,…,c^k ₉)为RBFN中一个径向基函数的核参数；‖‖₂为2范数运算符；c^k _i为c_k向量的元素，i＝1,…,9；x_i为x向量的某一元素，即某一输入值，i＝1,…,9，分别对应水泥稳定基层的施工温度、水泥用量、矿料级配、环境湿度、控制含盐率、压实方式、涨缝宽度、涨缝间距；

104)计算预测误差并调整参数，过程如公式(4)—(8)所示；

E(x)＝y-y' (4)

式中，y为目标输出值部分，y’为式(3)计算结果；

为式(1)计算结果；E(x)为公式(4)计算结果；c_k＝(c^k ₁,…,c^k ₉)为RBFN中一个径向基函数的核参数；E(x)为公式(4)计算结果；x＝(x₁,…,x₉)为输入条件；α为学习率；

为迭代符号；

105)重复步骤101)、102)、103)和104)，直到预测误差小于0.1mm，保存RBFN模型参数。

本发明进一步的改进在于，α的取值为0.1。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法如下：

201)选择待设计水泥稳定基层的施工温度、水泥用量、矿料级配、环境湿度、控制含盐率、压实方式，并作为训练的RBFN模型输入参数x₁—x₇；

202)将训练的RBFN模型输入参数x₈和x₉设置为0；

203)依据输入参数x₁—x₉和训练的RBFN模型预测不设置宽涨缝情况下待设计水泥稳定基层的拱胀量；若预测拱胀量小于控制值，则不需要设置宽涨缝；若预测拱胀量大于等于控制值，则需要设置宽涨缝，控制值依据待设计水泥稳定基层设计要求来确定；

204)保持x₁—x₇不变，调整x₈和x₉取值，预测设置不同宽涨缝情况下的待设计水泥稳定基层的拱胀量，直到找到预测拱胀量小于控制值的情况。

本发明进一步的改进在于，x₈和x₉取值即为待设计水泥稳定基层的设计宽度和间距，x₈和x₉的取值范围分别为0—50mm、50m-150m。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法如下：

301)根据找到的拱胀量小于控制值的情况，确定待施工水泥稳定基层预切宽涨缝的位置；在确定设置胀缝条件的位置后，根据桥涵构造物进行调整，并保证相邻桥涵构造物间至少设置1道胀缝，胀缝结合水泥稳定基层施工缝位置合并设置；

302)根据预切宽涨缝的设计位置进行预切宽涨缝的切割，宽胀缝的深度为水泥稳定基层的厚度，或者在水泥稳定基层铺筑完成后切割成缝；

303)根据得到预切宽涨缝，对切割完成后对胀缝进行填充，胀缝材料依据实际情况选择；

304)在填充完成后的宽涨缝上方设置玻纤格栅。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法，该方法可以依据现有数据预测不设置预切缝的水泥稳定基层拱胀。依据预测结果，无需进行试验路的铺筑，可以确定待设计水泥稳定基层是否需要设置预切缝来缓减其拱胀发展；该方法可以依据现有数据预测设置不同尺寸预切缝的水泥稳定基层拱胀，依据预测结果，无需进行试验路的铺筑，可以确定待设计水泥稳定基层预切缝的尺寸；该方法可以依据确定的待设计水泥稳定基层预切缝尺寸进行预切缝施工，施工过程简单，设备要求要求，有利于在新疆地区大范围推广。

具体的，本发明通过新疆地区水泥稳定基层拱胀现有观测数据进行了RBFN模型的训练，从而获取了新疆地区无预切缝和不同尺寸预切缝水泥稳定基层的拱胀发展规律；从而用于预测不同情况下的待设计水泥稳定基层的拱胀量，进而确定待设计水泥稳定基层是否需要设置预切缝来缓减其拱胀发展以及预切缝的尺寸；通过训练完成的RBFN模型及其获取的拱胀发展规律预测不同尺寸预切缝水泥稳定基层的拱胀量，进而为待设计水泥稳定基层选择最合理的预切缝尺寸；在传统水泥稳定基层施工的基础上仅添加了预切缝施工工艺，保证了预切缝水泥稳定基层施工的简洁性。

进一步，本发明可以依据现有数据预测获取了新疆地区无预切缝和不同尺寸预切缝水泥稳定基层的拱胀发展规律，确保后续步骤的实现不需要试验路的铺筑；具体的，本发明通过新疆地区水泥稳定基层拱胀现有观测数据进行了RBFN模型的训练，从而获取了新疆地区无预切缝和不同尺寸预切缝水泥稳定基层的拱胀发展规律；从而用于预测不同情况下的待设计水泥稳定基层的拱胀量，进而确定待设计水泥稳定基层是否需要设置预切缝来缓减其拱胀发展以及预切缝的尺寸。

进一步，合理的学习率α取值可以加快RBFN模型训练速度和训练完成后的预测准确率。

进一步，本发明可以依据现有数据预测设置不同尺寸预切缝的水泥稳定基层拱胀，依据预测结果，无需进行试验路的铺筑，可以确定待设计水泥稳定基层预切缝的尺寸；具体的，本发明通过训练完成的RBFN模型及其获取的拱胀发展规律预测不同尺寸预切缝水泥稳定基层的拱胀量，进而为待设计水泥稳定基层选择最合理的预切缝尺寸。

进一步，将待设计水泥稳定基层的设计宽度和间距选择参数量化，便于RBFN模型预测不同尺寸预切缝水泥稳定基层的拱胀量。具体的，本发明可以依据确定的待设计水泥稳定基层预切缝尺寸进行预切缝施工，施工过程简单，设备要求要求，有利于在新疆地区大范围推广。

进一步，本发明在传统水泥稳定基层施工的基础上仅添加了预切缝施工工艺，保证了预切缝水泥稳定基层施工的简洁性。

附图说明

图1为径向基神经网络神经结构示意图。

图2为本发明一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法的示意图，其中，图2为(a)为俯视图，图2为(b)为剖视图。

图3为本发明实施例水泥稳定基层预切缝平面布置图(单位：cm)。

图4为本发明实施例水泥稳定基层预切缝纵面布置图(单位：cm)。

附图标记说明：

1-预切缝，2-玻纤格栅，3-热沥青，4-挤塑板，5-粗粒式沥青混凝土(AC-25)，6-路床。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明：

本发明提供的一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法，包括以下步骤：

(1)径向基神经网络(Radial basis function network，以下简称RBFN)模型的训练

RBFN的训练为依据大量新疆地区不同条件下(例如温度、应力释放结构等)水泥稳定基层拱胀量自动调整RBFN模型参数w_k和c_k，k＝1,…,n，n为中心点个数。训练基本流程请见发明内容步骤1)部分。RBFN模型结构参见图1。实际实施中本领域技术人员不需要进行相关操作，可以直接依据本申请发明内容部分后续步骤文字记载的内容直接实施后续操作。此步骤建立的RBFN模型及其训练获得的参数为本申请发明的权利要求，本领域技术人员可以在获得授权和模型后直接使用。本实施例的RBFN模型预测精度为0.1μm。

步骤1)的具体实现方法如下：

101)对RBFN参数w_k和c_k进行随机赋值，其赋值范围为[0,1]；

102)随机选择一组新疆地区不同条件下的水泥稳定基层拱胀量数据组，数据组包括两个部分：输入条件部分x＝(x₁,…,x₉)和目标输出值部分y，目标输出值部分y为该组水泥稳定基层的实测拱胀量；

103)使用RBFN预测该组水泥稳定基层的拱胀量y’，过程如公式(1)—(3)所示；

式中，x＝(x₁,…,x₉)为输入条件，c_k＝(c^k ₁,…,c^k ₉)为RBFN中一个径向基函数的核参数；‖‖₂为2范数运算符；c^k _i为c_k向量的元素，i＝1,…,9；x_i为x向量的某一元素，即某一输入值，i＝1,…,9，分别对应水泥稳定基层的施工温度、水泥用量、矿料级配、环境湿度、控制含盐率、压实方式、涨缝宽度、涨缝间距。

104)计算预测误差并调整参数，过程如公式(4)—(8)所示；

E(x)＝y-y' (4)

式中，y为目标输出值部分，y’为式(3)计算结果；

为式(1)计算结果；E(x)为公式(4)计算结果；c_k＝(c^k ₁,…,c^k ₉)为RBFN中一个径向基函数的核参数；E(x)为公式(4)计算结果；x＝(x₁,…,x₉)为输入条件；α为学习率；

为迭代符号。

105)重复步骤101)、102)、103)、104)直到预测误差小于0.1mm，保存RBFN模型参数。

(2)RBFN模型的使用

依据建立的RBFN模型预测不设置宽胀缝结构的水泥稳定基层拱胀量和设置不同宽胀缝结构的水泥稳定基层拱胀量，从而确定合理宽涨缝的宽度和间距。具体步骤如下：

(a)确定待设计水泥稳定基层的施工温度32℃、水泥用量4.0％、矿料级配C-B-1、环境湿度40％、控制含盐率0.2％、压实度98％，即附图“径向基神经网络神经结构”中的x₁—x₇。将x₈和x₉设置为0；

(b)使用RBFN模型预测得到待设计水泥稳定基层拱胀量为169.3μm，大于100μm，需要设置宽涨缝；

(c)举例选择三组x₈和x₉组合，分别为20mm(宽度)和50m(间距)、50mm(宽度)和50m(间距)、50mm(宽度)和150m(间距)。使用RBFN模型预测三种组合情况下的水泥稳定基层拱胀量，分别为54.6μm、113.4μm、143.7μm。故仅20mm(宽度)和50m(间距)的宽涨缝设计满足水泥稳定基层拱胀量控制要求，将其作为预切宽涨缝的设计值。

(3)设计预切缝的施工方法

依据步骤(2)中确定的宽涨缝宽度和间距在路床6进行水泥稳定基层的施工。除预切宽涨缝施工工艺外，其余水泥稳定基层施工工艺与传统水泥稳定基层施工工艺相同。预切宽涨缝施工工艺步骤如下：(a)依据预切宽涨缝间距50m，确定待施工水泥稳定基层预切宽涨缝的位置，参见图2，图2(a)为俯视图，图2(b)为剖视图。在确定设置胀缝条件的位置后，可根据桥涵等构造物进行适当调整，并保证相邻桥涵构造物间至少设置1道胀缝，胀缝可结合水泥稳定基层施工缝位置合并设置；

(b)预切宽涨缝的切割，宽胀缝的深度为水泥稳定基层的厚度，宽度为2mm，参见图3，也可在水泥稳定基层铺筑完成后切割成缝；

(c)切割完成后对胀缝进行填充，参见图4。预切宽涨缝材料可依据实际情况选择，本实施例中在预切缝1内填充了热沥青3，如图4所示；

(d)填充完成后在宽涨缝上方设置玻纤格栅2和挤塑板。铺设玻纤格栅2和挤塑板4完成后在水泥稳定基层上方铺设下面层材料——粗粒式沥青混凝土(AC-25)5，如图4所示。

Claims (6)

1.一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)RBFN模型的训练，即依据已知新疆地区不同温度、应力释放结构条件下水泥稳定基层拱胀量，通过模型参数自动调节，建立不同条件和水泥稳定基层拱胀量之间的映射关系；RBFN的训练为依据大量新疆地区不同条件下水泥稳定基层拱胀量自动调整RBFN模型参数w_k和c_k，w_k和c_k分别为RBFN模型参数权重参数和核参数，k＝1,…,n，n为中心点个数；

2)RBFN模型的使用，即步骤1)建立的映射关系预测新疆地区未知条件下的水泥稳定基层拱胀量；依据步骤1)训练的RBFN模型预测不设置宽胀缝结构的水泥稳定基层拱胀量和设置不同宽胀缝结构的水泥稳定基层拱胀量，从而确定合理宽涨缝的宽度和间距；

3)设计预切缝的施工方法，即根据步骤2)预测的新疆地区未知条件下的水泥稳定基层拱胀量设计预切宽涨缝；依据步骤2)中确定的宽涨缝宽度和间距进行水泥稳定基层的施工，除预切宽涨缝施工工艺外，其余水泥稳定基层施工工艺与传统水泥稳定基层施工工艺相同。

2.根据权利要求1所述的一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法如下：

101)对RBFN参数w_k和c_k进行随机赋值，其赋值范围为[0,1]；

102)随机选择一组新疆地区不同条件下的水泥稳定基层拱胀量数据组，数据组包括两个部分：输入条件部分x＝(x₁,…,x₉)和目标输出值部分y；x₁—x₉分别为水泥稳定基层的施工温度、水泥用量、矿料级配、环境湿度、控制含盐率、压实方式、涨缝宽度和涨缝间距；目标输出值部分y为该组水泥稳定基层的实测拱胀量；

103)使用RBFN预测该组水泥稳定基层的拱胀量y’，过程如公式(1)—(3)所示；

式中，x＝(x₁,…,x₉)为输入条件，c_k＝(c^k ₁,…,c^k ₉)为RBFN中一个径向基函数的核参数；‖ ‖₂为2范数运算符；c^k _i为c_k向量的元素，i＝1,…,9；x_i为x向量的某一元素，即某一输入值，i＝1,…,9，分别对应水泥稳定基层的施工温度、水泥用量、矿料级配、环境湿度、控制含盐率、压实方式、涨缝宽度、涨缝间距；

104)计算预测误差并调整参数，过程如公式(4)—(8)所示；

E(x)＝y-y' (4)

式中，y为目标输出值部分，y’为式(3)计算结果；

为式(1)计算结果；E(x)为公式(4)计算结果；c_k＝(c^k ₁,…,c^k ₉)为RBFN中一个径向基函数的核参数；E(x)为公式(4)计算结果；x＝(x₁,…,x₉)为输入条件；α为学习率；

为迭代符号；

105)重复步骤101)、102)、103)和104)，直到预测误差小于0.1mm，保存RBFN模型参数。

3.根据权利要求2所述的一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法，其特征在于，α的取值为0.1。

4.根据权利要求2所述的一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法如下：

201)选择待设计水泥稳定基层的施工温度、水泥用量、矿料级配、环境湿度、控制含盐率、压实方式，并作为训练的RBFN模型输入参数x₁—x₇；

202)将训练的RBFN模型输入参数x₈和x₉设置为0；

203)依据输入参数x₁—x₉和训练的RBFN模型预测不设置宽涨缝情况下待设计水泥稳定基层的拱胀量；若预测拱胀量小于控制值，则不需要设置宽涨缝；若预测拱胀量大于等于控制值，则需要设置宽涨缝，控制值依据待设计水泥稳定基层设计要求来确定；

204)保持x₁—x₇不变，调整x₈和x₉取值，预测设置不同宽涨缝情况下的待设计水泥稳定基层的拱胀量，直到找到预测拱胀量小于控制值的情况。

5.根据权利要求4所述的一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法，其特征在于，x₈和x₉取值即为待设计水泥稳定基层的设计宽度和间距，x₈和x₉的取值范围分别为0—50mm、50m-150m。

6.根据权利要求4所述的一种通过预切缝缓减水泥稳定基层发生拱胀的方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法如下：

301)根据找到的拱胀量小于控制值的情况，确定待施工水泥稳定基层预切宽涨缝的位置；在确定设置胀缝条件的位置后，根据桥涵构造物进行调整，并保证相邻桥涵构造物间至少设置1道胀缝，胀缝结合水泥稳定基层施工缝位置合并设置；

302)根据预切宽涨缝的设计位置进行预切宽涨缝的切割，宽胀缝的深度为水泥稳定基层的厚度，或者在水泥稳定基层铺筑完成后切割成缝；

303)根据得到预切宽涨缝，对切割完成后对胀缝进行填充，胀缝材料依据实际情况选择；

304)在填充完成后的宽涨缝上方设置玻纤格栅。

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