CN112681179B - 一种基于智能颗粒结构的路面结构应力检测与养护预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能颗粒的路面结构应力检测与养护预警方法。首先对智能颗粒进行改进，使得智能颗粒能够满足单向受力的工作状态，与其标定试验的工况一致，同时增强其密封性能，使其对道路各结构层都具有适应能力。然后按照一定方法和规律在道路各结构层埋置智能颗粒，使用标准轴载车进行加载，采集数据后用平均化方法进行处理，即可得到结构层层底的竖向压应力。根据采集得到的竖向压应力数据，结合修正的布辛尼斯克公式，反算出各结构层的相对模量，对比运营期间的相对模量与交工时的初始模量，若结构层相对模量衰减至80%以下，则需及时采取针对性的养护措施。

Description

一种基于智能颗粒结构的路面结构应力检测与养护预警方法

技术领域

本发明属于道路工程智能检测技术领域，具体涉及一种基于智能颗粒的路面结构应力检测与养护预警方法。

背景技术

道路工程中，路面结构的力学响应检测一直是一个十分重要的技术难题。目前路面结构的力学响应检测主要停留在结构表面，想要深入结构内部十分困难，这主要有3个方面的原因：

(1)想要测量结构层内的力学响应，传感器必须埋入结构层内部，但现有传感器大都是有线传感器，埋置和使用过程中很难保证导线的适用寿命和连接状况。

(2)路面结构并不是连续均质体，其在本质上是由坚硬离散颗粒组成的体系，因此它的力学响应实际上是一种统计学上平均化的概念，这对传感器检测体系所覆盖的区域提出了很高的要求。

(3)路面结构内部传感器的工作条件很恶劣，因为路面结构的荷载是依靠集料之间的接触传递的，对传感器而言，它所受的是离散的点荷载，接触力分布复杂且接触压强偏大，而且长期受到水分等复杂环境因素的侵蚀，因此极易损坏。而传感器一旦埋入路面结构内部，就无法轻易取出，因此也无法对传感器进行维修。

综上所述，路面结构内部的力学响应检测十分困难，但是，它却具有极高的潜在价值和使用意义：

一方面，它可以对现有的路面结构设计方法进行验证和改进。现有的路面结构设计方法基于弹性层状体系理论计算结构响应，参数的选择也大都有一定的试验依据，并尽可能地贴合了实际的工作状态，看似合理，但实际上它的计算结果一直无法通过实际测量进行直接验证，因此人们实际上无法确保现有设计理论和参数确定方法的合理性，但因为路面结构内部力学响应真实值测量困难，故而也难以做出改进。

另一方面，它对路面结构养护的预警也有重要意义。现今，路面结构表面损伤的养护并不困难，因为易于发现，但深层的损伤一直难以观测，导致无法及时处理，影响了路面结构的使用寿命。如果能够对路面结构内部的力学响应进行观测，便能够确定结构的工作状态，一旦某些响应超出了正常阈值，便可分析原因并及时采取养护措施。

总而言之，当前阶段，路面结构力学响应检测的适用需求和技术水平方面存在矛盾，因此本发明基于智能颗粒提出了一种路面结构竖向应力的检测方法，并提出了相应的养护预警机制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于智能颗粒的路面结构应力检测方法，同时根据检测所得的各结构层层底竖向应力，可以反算出结构层模量，进而为路面结构的养护决策提供预警。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于路面应力检测的智能颗粒结构，包括智能颗粒本体，在其顶面安装有压力传感器，还包括：由高模量高强度材料制作的外壳，其高度与智能颗粒本体相同，包围在智能颗粒本体侧面，且不包含智能颗粒本体的顶面和底面；

所述外壳将智能颗粒本体包围后，外壳与智能颗粒本体之间留有间隙，所述间隙中填充有柔性粘结材料，以隔离并吸收侧向的变形；

外壳的外表面仿照集料的外表面进行设计。

所述柔性粘结材料为沥青或环氧树脂。

所述压力传感器为石英压力传感器

单个所述智能颗粒本体为边长是20～25mm的方形结构。

所述外壳材料为丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物。

一种路面结构竖向应力检测方法，采用所述的智能颗粒结构，包括如下步骤：

步骤1：智能颗粒的埋置，智能颗粒埋置在各结构层的层底，并依照结构层的施工顺序分层进行，在某一结构层压实完成后，将埋置点位处该层材料清除至层底，放置好智能颗粒，然后将该层材料回填至密实，并在埋置点处做好标记，确保所有结构层的智能颗粒在同一竖线上；而在水平方向上，设置多组智能颗粒；

步骤2：竖向压力的采集，采集前先唤醒智能颗粒，然后使用标准轴载车进行加载，驾驶车辆匀速直线行驶经过埋置区域，并确保车辆轮胎中心经过一排网格节点，然后采集竖向压力数据；

步骤3：数据处理，首先对数据进行分组，同一结构层的测量数据分为两组，一组为轮胎中心点下的竖向压力，另一组为轮隙中心点下的竖向压力，对同一组数据按三倍标准差原理剔除异常点，然后按照平均化方法计算应力：

式中，i代表结构层编号，j代表同一结构层的分组编号，k代表同一组智能颗粒的编号，F代表接触压力，S代表智能颗粒顶面面积，由此得不同结构层不同点位处的竖向应力。

步骤1所述的智能颗粒在水平方向上的布置，呈网格状分布，网格横向的节点间距为15cm，节点数量不少于3个，网格纵向与车辆行驶方向一致，纵向间距和节点数量根据智能颗粒的数量进行选择。

一种路面养护预警方法，首先，采用所述的路面结构竖向应力检测方法检测得到各结构层层底的竖向应力数据σ_i，同时层底深度h_i已知，然后根据有限元方法或布辛尼斯克理论，计算出连续均质弹性半无限空间体上作用一标准车轮荷载时，竖向压应力随深度的分布曲线，根据该曲线查询出σ_i所对应的深度h_i'，然后利用修正的布辛尼斯克公式反算模量：

······

式中，E₀表示路基顶面的综合回弹模量，E₁、E₂、···、E_i+1代表各结构层的模量，反算得到的是各层模量相对于路基模量的比值，是一种相对模量；

路面养护管理过程中，在交工完成后，先进行一次路面结构应力检测和模量反算，进而得到相对模量的初始值，之后的运营期间，每年夏季和冬季进行一次检测，将此时的模量反算结果与初始值进行对比，如某一层的模量衰减至80％以下，则需要对该层采取针对性的养护措施。

综上所述，本发明的有益效果：

(1)本发明对智能颗粒进行了改进，智能颗粒本身具有无线传感的优势，解决了导线使用寿命的难题，但智能颗粒不能直接用于路面结构应力检测，因为智能颗粒压力传感器的标定都是在单轴条件下进行的，而实际路面结构内部受力复杂，会影响测量方向上的压力检测结果。因此本发明通过增加外壳为智能颗粒营造了一种单向受力的状态，外壳的高刚度保证了其变形十分微小，空隙中填充的沥青或环氧树脂进一步限制了其变形向智能颗粒的传递，使得智能颗粒不再受到侧向接触力的干扰。同时填充的环氧树脂或沥青增强了智能颗粒的密封性，使得其对环境因素干扰的抵抗能力更强，原本智能颗粒无法在无机结合料稳定材料等含水率较高的层位使用，因为会受到水分的侵蚀，但改进后智能颗粒密水性大大增强，使其对各结构层都有了适应能力。

(2)本发明提供了一种路面结构竖向应力的检测方法，为路面结构内部的力学响应检测提供了一种有效手段。

(3)本发明提供了一种根据路面结构竖向应力反算相对模量的方法，如果能得到某一层的绝对模量，则可以得到所有层的绝对模量。同时根据运营过程中反算得到的相对模量的衰减，也可以及时为养护决策提供预警，有效地缓解了路面内部结构性损伤观测困难、养护不及时的问题。

附图说明

图1为本发明智能颗粒本体的结构示意图；

其中，1、外壳；2、柔性粘结材料；3、智能颗粒本体；

图2为本发明智能颗粒的水平布置示意图；

图3为连续均质弹性半无限空间体竖向压应力随深度分布曲线示意。

具体实施方案

下面结合具体实施方案和说明书附图进一步阐明本发明的内容。

智能颗粒本身是无线传感器的集成，解决了有线传感器导线使用寿命的难题，但智能颗粒不能直接用于路面结构压力检测，因为其压力检测的标定都是在单轴条件下进行，与路面实际工况不符，因此需要进行改进。

一种用于路面应力检测的智能颗粒结构，包括智能颗粒本体3，在其顶面安装有压力传感器，还包括：由高模量高强度材料制作的外壳1，外壳1基于3D打印技术打印，其高度与智能颗粒本体3相同，包围在智能颗粒本体3侧面，且不包含智能颗粒本体3的顶面和底面；

所述外壳1将智能颗粒本体3包围后，外壳与智能颗粒本体3之间留有间隙，所述间隙中填充有柔性粘结材料，以隔离并吸收侧向的变形；

外壳1的外表面仿照集料的外表面进行设计。增加这种外壳的主要目的是为智能颗粒营造一种单向受力状态，从而与智能颗粒的标定试验方式相对应。

作为本发明智能颗粒结构的优选，所述压力传感器为石英压力传感器

作为本发明智能颗粒结构的优选，单个所述智能颗粒本体为边长是20～25mm的方形结构。外壳内表面也为方形，但边长略大于智能颗粒，因此，可以将智能颗粒嵌套在外壳内，并在孔隙中填充沥青或环氧树脂。

作为本发明智能颗粒结构的优选，所述外壳材料为丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物。

一种路面结构竖向应力检测方法，采用所述的智能颗粒结构，包括如下步骤：

步骤1：智能颗粒的埋置，智能颗粒埋置在各结构层的层底，并依照结构层的施工顺序分层进行。在某一结构层压实完成后，将埋置点位处该层材料清除至层底，放置好智能颗粒，然后将该层材料回填至密实，并在埋置点处做好标记，确保所有结构层的智能颗粒在同一竖线上。而在水平方向上，宜设置多组智能颗粒，并呈网格状分布(图3给出了智能颗粒水平布置示意)。网格横向的节点间距为15cm，节点数量不少于3个，这样的布置是为了方便能够同时检测轮胎中心点位和轮隙中心点位的竖向压力，因为标准单轴双轮荷载单侧两轮胎中心点间距大约为30cm。网格纵向与车辆行驶方向一致，纵向间距和节点数量可根据智能颗粒的数量进行选择。

步骤,2：竖向压力的采集。采集前先唤醒智能颗粒，然后使用标准轴载车进行加载，驾驶车辆匀速直线行驶经过埋置区域，并确保车辆轮胎中心经过一排网格节点，然后采集竖向压力数据。

步骤3：数据处理。首先对数据进行分组，同一结构层的测量数据可分为两组，一组为轮胎中心点下的竖向压力，另一组为轮隙中心点下的竖向压力。对同一组数据按三倍标准差原理剔除异常点，然后按照平均化方法计算应力：

式中，i代表结构层编号，j代表同一结构层的分组编号，k代表同一组智能颗粒的编号，F代表接触压力，S代表智能颗粒顶面面积。由此可得不同结构层不同点位处的竖向应力。

一种路面养护预警方法，首先，采用所述的路面结构竖向应力检测方法检测得到各结构层层底的竖向应力数据σ_i，同时层底深度h_i已知，然后根据有限元方法或布辛尼斯克理论，计算出连续均质弹性半无限空间体上作用一标准车轮荷载时，竖向压应力随深度的分布曲线，根据该曲线查询出σ_i所对应的深度h_i'，然后利用修正的布辛尼斯克公式反算模量：

······

式中，E₀表示路基顶面的综合回弹模量，E₁、E₂、···、E_i+1代表各结构层的模量，反算得到的是各层模量相对于路基模量的比值，是一种相对模量；

路面养护管理过程中，在交工完成后，先进行一次路面结构应力检测和模量反算，进而得到相对模量的初始值，之后的运营期间，每年夏季和冬季进行一次检测，将此时的模量反算结果与初始值进行对比，如某一层的模量衰减至80％以下，则需要对该层采取针对性的养护措施。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种用于路面应力检测的智能颗粒结构，包括智能颗粒本体，智能颗粒本身是无线传感器的集成，在其顶面安装有压力传感器，其特征在于，还包括：由高模量高强度材料制作的外壳，其高度与智能颗粒本体相同，包围在智能颗粒本体侧面，且不包含智能颗粒本体的顶面和底面；

所述外壳将智能颗粒本体包围后，外壳与智能颗粒本体之间留有间隙，所述间隙中填充有柔性粘结材料，以隔离并吸收侧向的变形；

外壳的外表面仿照集料的外表面进行设计；

所述外壳材料为丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物，使智能颗粒处于单向受力状态，从而与智能颗粒的标定试验方式相对应；

单个所述智能颗粒本体为边长是20~25mm的方形结构。

2.根据权利要求1所述的用于路面应力检测的智能颗粒结构，其特征在于：所述柔性粘结材料为沥青或环氧树脂。

3.根据权利要求1所述的用于路面应力检测的智能颗粒结构，其特征在于：所述压力传感器为石英压力传感器。

4.一种路面结构竖向应力检测方法，采用如权利要求1~3中任一所述的智能颗粒结构，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：智能颗粒的埋置，智能颗粒埋置在各结构层的层底，并依照结构层的施工顺序分层进行，在某一结构层压实完成后，将埋置点位处该层材料清除至层底，放置好智能颗粒，然后将结构层材料回填至密实，并在埋置点处做好标记，确保所有结构层的智能颗粒在同一竖线上；而在水平方向上，设置多组智能颗粒；

步骤2：竖向压力的采集，采集前先唤醒智能颗粒，然后使用标准轴载车进行加载，驾驶车辆匀速直线行驶经过埋置区域，并确保车辆轮胎中心经过一排网格节点，然后采集竖向压力数据；

步骤3：数据处理，首先对数据进行分组，同一结构层的测量数据分为两组，一组为轮胎中心点下的竖向压力，另一组为轮隙中心点下的竖向压力，对同一组数据按三倍标准差原理剔除异常点，然后按照平均化方法计算应力：

式中，i代表结构层编号，j代表同一结构层的分组编号，k代表同一组智能颗粒的编号，F代表接触压力，S代表智能颗粒顶面面积，由此得不同结构层不同点位处的竖向应力。

5.根据权利要求4所述的路面结构竖向应力检测方法，其特征在于：步骤1所述的智能颗粒在水平方向上的布置，呈网格状分布，网格横向的节点间距为15cm，节点数量不少于3个，网格纵向与车辆行驶方向一致，纵向间距和节点数量根据智能颗粒的数量进行选择。

6.一种路面养护预警方法，其特征在于，

首先，采用如权利要求5所述的路面结构竖向应力检测方法检测得到各结构层层底的竖向应力数据

，同时层底深度

已知，然后根据有限元方法或布辛尼斯克理论，计算出连续均质弹性半无限空间体上作用一标准车轮荷载时，竖向压应力随深度的分布曲线，根据该曲线查询出

所对应的深度

，然后利用修正的布辛尼斯克公式反算模量：

······

式中，E ₀表示路基顶面的综合回弹模量，E ₁、E ₂、···、E _i+1代表各结构层的模量，反算得到的是各层模量相对于路基模量的比值，是一种相对模量；

路面养护管理过程中，在交工完成后，先进行一次路面结构应力检测和模量反算，进而得到相对模量的初始值，之后的运营期间，每年夏季和冬季进行一次检测，将此时的模量反算结果与初始值进行对比，如某一层的模量衰减至80%以下，则需要对该层采取针对性的养护措施。

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