CN112878136B - 一种基于探地雷达的路口橡胶沥青抗车辙路面检测和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于探地雷达的路口橡胶沥青抗车辙路面检测和设计方法，第一步：根据动静荷载分离的原理，结合交叉口车流的分布特点，将左转车辆停驻区、直行车辆停驻区、及公交车停驻区划分为“动‑静荷载”区域；将右转车道划分为“动荷载”区域，第二步：在“动‑静荷载”区域”和“动荷载”区域的基层破坏处与面层破坏出，利用反射系数法测量破坏处的剩余路面厚度。本发明基于探地雷达计算路面厚度，克服了钻芯取样法样本数有限、对路面损坏严重且无法对整个破坏范围测量的问题，同时，根据不均匀系数范围，设置对应改造方案，克服了传统的交叉口改造，部分损坏，需要整体清除，工作量大且修复效果差的问题。

Description

一种基于探地雷达的路口橡胶沥青抗车辙路面检测和设计 方法

技术领域

本发明涉及道路工程路面结构技术领域，尤其涉及一种基于探地雷达的路口橡胶沥青抗车辙路面检测和设计方法。

背景技术

国省干线公路橡胶沥青路面交叉口数量众多，其路面耐久性能对于整个干线公路运营质量至关重要。车辆渠化行驶以及重载、超载问题的凸显，车辙已经成为我国橡胶沥青路面主要的损坏形式之一，同时也诱使路面进一步损坏。车辙的存在严重缩短了路面的使用寿命，降低了高速公路的服务水平，构成了雨天车辆侧滑的安全隐患。《评定标准》规定了高速公路和一级公路的路面车辙检测方法，它将路面车辙深度(RD)作为独立的检测指标，并据此计算路面车辙深度指标(RDI)。根据车辙深度指标进行交叉口改建方案设计。

根据车辙产生的原因和所处的位置，橡胶沥青路面的车辙一般分为以下几种类型：磨耗型车辙：此车辙主要由于橡胶沥青路面结构顶层材料在车轮的物理磨耗和自然环境因素的作用下不断损失造成的；结构型车辙：路面结构在交通荷载的反复作用下产生永久变形而形成，这种变形主要由路基变形传递到面层；压密型车辙：可能由于铺筑过程中压实不足引起的，也可能由于混合料设计不当引起的开放交通后轮迹带下的面层继续受到压实，产生压密变形；失稳型车辙；失稳型车辙也叫流动型车辙，是路面在高温条件下橡胶沥青混合料侧向流动变形引起的，在车辆荷载作用下方表现为下凹，而两侧表现为上凸，车辙断面表现为W形。

然而，现有的由车辙引起损伤的检测，通常是通过检测仪器测量车辙深度，对于交叉口道路改建方案，往往是根据作业者经验判断得出的。这会造成交叉口改建方案与交叉口道路损坏程度不匹配。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中耗费人力且效率低的问题，而提出的一种基于探地雷达的路口橡胶沥青抗车辙路面检测和设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于探地雷达的路口橡胶沥青抗车辙路面检测和设计方法，具体设计步骤如下：

步骤一、根据交叉口车流分布的特点，进行区域划分；

步骤二、分别再车辙处进行钻芯取样法和探地雷达法，得到介电常数修正系数；

步骤三、将得到的介电常数修正系数代入修正后的剩余路面厚度计算公式，并计算不均匀系数指标；

步骤四、根据不均匀系数范围，提供相应的橡胶沥青的交叉口改造方案；

步骤五、改造施工。

优选的，步骤一区域划分，根据交叉口车流分布的特点，将交叉口左转车辆停驻区、直行车辆停驻区、及公交车停驻区划分为“动-静荷载”区域，将右转车道划分为“动荷载”区域；

优选的，步骤二介电常数修正系数的计算方法如下：

(1)钻芯取样标定介电常数

A₁：利用车辙横断面尺在车辙较为严重处取一横断面；

A₂：将得到的横断面图形放入笛卡尔坐标系中，任意取三个位置进行钻芯取样，三个位置的横坐标分别为x₁、x₂和x₃，并测得三个芯样的实测厚度H₁、H₂和H₃，将其分别代入公式

H＝asinβx+b

求解出常数系数a、β和b，便可得到该处车辙断面的关于厚度与横向位置的函数表达式，通过公式

ε_r1＝c²Δt²/4(asinβx+b)²

式中：ε_r1—基于钻芯取样法的介电常数；c—电磁波在真空中的传播速度，为常数，约等于300mm/ns；Δt—雷达波在介质层中的双程走时，ns；

便可计算出该断面任一位置的介电常数；

(2)探地雷达标定介电常数

利用探地雷达对车辙某一点位处进行测厚，该点位处的介电常数可以通过公式

计算；

式中:ε_r2—基于探地雷达法的介电常数；

—振幅比；

(3)介电常数修正系数计算

基于下式得到相应的修正系数：

式中：t—介电常数修正系数。

优选的，区域划分为，将交叉口左转车辆停驻区、直行车辆停驻区、及公交车停驻区划分为“动-静荷载”区域，将右转车道划分为“动荷载”区域；

优选的，步骤三修正后的剩余路面厚度的计算公式为：

式中：s—修正后的剩余路面厚度，mm。

优选的，不均匀系数为最小修正剩余路面厚度与初始设计路面厚度的比值，通过如下公式计算：

式中：s_m—探地雷达探测的经过修正的最小修正剩余路面厚度，mm；s₀—初始设计路面厚度，mm。

优选的，交叉口改造方案为：

(1)“动—静荷载”区域破坏等级范围为三级破坏到一级破坏，当UCP≤0.2时，为一级破坏，改造方案为面层、基层均需处理，以橡胶沥青碎石封层替代原有基层，路面结构设计为从上往下依次为橡胶沥青面层、橡胶沥青粘结层、橡胶沥青碎石封层和橡胶沥青防水层，施工规格为先撒一遍橡胶沥青，再洒一遍嵌缝料，一共重复四遍，最后再铺一层橡胶沥青和一层橡胶沥青混合料面层；当0.2<UCP≤0.4时，为二级破坏，改造方案为面层、基层均需处理，以橡胶沥青碎石封层替代原有基层，路面结构设计为从上往下依次为橡胶沥青面层、橡胶沥青粘结层、橡胶沥青碎石封层和橡胶沥青防水层，施工规格为先撒一遍橡胶沥青，再洒一遍嵌缝料，一共重复三遍，最后再铺一层橡胶沥青和一层橡胶沥青混合料面层；当0.4<UCP≤0.6时，为三级破坏，改造方案为面层、基层均需处理，以橡胶沥青碎石封层替代原有基层，路面结构设计为从上往下依次为橡胶沥青面层、橡胶沥青粘结层、橡胶沥青碎石封层和橡胶沥青防水层，施工规格为先撒一遍橡胶沥青，再洒一遍嵌缝料，一共重复两遍，最后再铺一层橡胶沥青和一层橡胶沥青混合料面层；

(2)“动荷载”区域破坏等级范围为五级破坏到四级破坏，当0.6<UCP≤0.8时，为四级破坏，改造方案为仅处理面层，用橡胶沥青同步碎石封层和橡胶沥青混合料处理，路面结构设计从上往下依次为橡胶沥青混合料面层、橡胶沥青粘结层和橡胶沥青碎石封层，施工规格为铺撒一层橡胶沥青同步碎石封层，再洒一层橡胶沥青和一层橡胶沥青混合料面层；当0.8<UCP<1时，为五级破坏，改造方案为仅处理面层，用橡胶沥青混合料处理，路面结构设计从上往下依次为橡胶沥青混合料面层和橡胶沥青粘结层，施工规格为先洒一层橡胶沥青，再洒一层橡胶沥青混合料面层。

优选的，改造施工包括面层预处理、面层修复料计算、基层预处理、基层修复料计算和铺筑施工。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于探地雷达的路口橡胶沥青抗车辙路面检测和设计方法，具备以下有益效果：

1、传统的车辙引起的道路损坏，没有明确的指标去判断其损坏程度，进而造成后期路面结构加速损坏；本发明提供了一种基于探地雷达的橡胶沥青路面交叉口车辙改造方案，首先用修正的反射系数法来计算剩余路面厚度，并计算出不均匀系数，用不均匀系数对车辙引起的车辙损伤分级；

2、传统的交叉口改造方案全凭作业者经验拟定，这会造成改造方案与实际损坏程度和损坏类型不匹配，本发明根据计算出的路面不均匀系数的范围，给出专门针对交叉口车辙损伤的定制改造方案；

3、传统的道路交叉口施工时，对交叉口各组成部分采用统一施工，然而交叉口各部分所受到的车辆荷载的不同，造成各部分损坏的时间和程度均不同。传统的交叉口，某一部分发生车辙等损坏，需要将交叉口整体清除，进行修复，工作量大且修复效果不佳；本发明根据交叉口车流分布的特点，将交叉口划分为“动-静荷载”和“动荷载”区域，在结构上进行分类加铺改造，提高了整体的抗车辙性能，延长使用寿命并降低了工作量，加快了施工进程；

4、传统的路面厚度常常采用钻芯取样的方式进行检测，但该检测方式会对道路造成永久的破坏性损伤，无法进行高频率的检测，同时仅仅能够得到几个位置的路面厚度，过于耗费人力、物力，效率不高，且所获取的相关数据离散性过大，精确度不高，难以有效反映路面的厚度变化情况；本发明提供了一种基于探地雷达测量车辙剩余路面厚度，每次根据修正系数来减少甚至消除基于探地雷达计算得到的路面厚度误差，同时，测量范围包含了整个车辙区域；

5、传统的基层分为上基层、下基层的底基层，各层之间仅通过粘结剂粘结，各层之间的整体性粘结性较差，层间易滑动；本发明首次提出橡胶沥青大粒径碎石封层替代传统的水泥稳定碎石半刚性上、下基层，嵌挤碾压，多层铺筑，石料嵌锁形成后将构成结构性支撑性结构，可有效提高刚性上基层的结构强度，防止开裂断板和破碎等病害；

6、传统的基层分为上基层、下基层的底基层，各层之间仅通过粘结剂粘结，各层之间的整体性粘结性较差，层间易滑动；本发明首次提出橡胶沥青大粒径碎石封层替代传统的水泥稳定碎石半刚性上、下基层，嵌挤碾压，多层铺筑，石料嵌锁形成后将构成结构性支撑性结构，可有效提高刚性上基层的结构强度，防止开裂断板和破碎等病害。

本发明基于探地雷达计算路面厚度，克服了钻芯取样法样本数有限、对路面损坏严重且无法对整个破坏范围测量的问题，同时，根据不均匀系数范围，设置对应改造方案，克服了传统的交叉口改造，部分损坏，需要整体清除，工作量大且修复效果差的问题。

附图说明

图1为检测和设计流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

一种基于探地雷达的路口橡胶沥青抗车辙路面检测和设计方法，具体设计步骤如下：

步骤一、根据交叉口车流分布的特点，进行区域划分,因为左转车道、直行车道以及公交车道上的车辆会反复进行刹停和启动操作，对路面损害较大，而右转车道上的车辆很少会停车，对路面损害不大，所以将交叉口左转车辆停驻区、直行车辆停驻区、及公交车停驻区划分为“动-静荷载”区域，将右转车道划分为“动荷载”区域，基于此区域划分设计不同的改造方案，针对性强，可以减少资源浪费；；

步骤二、分别在车辙处进行钻芯取样法和探地雷达法，得到介电常数修正系数，具体计算方法如下：

(1)钻芯取样标定介电常数

A₁：利用车辙横断面尺在车辙较为严重处取一横断面；

A₂：将得到的横断面图形放入笛卡尔坐标系中，任意取三个位置进行钻芯取样，三个位置的横坐标分别为x₁、x₂和x₃，并测得三个芯样的实测厚度H₁、H₂和H₃，将其分别代入公式

H＝asinβx+b

求解出常数系数a、β和b，便可得到该处车辙断面的关于厚度与横向位置的函数表达式，通过公式

ε_r1＝c²Δt²/4(asinβx+b)²

式中：ε_r1—基于钻芯取样法的介电常数；c—电磁波在真空中的传播速度，为常数，约等于300mm/ns；Δt—雷达波在介质层中的双程走时，ns；

便可计算出该断面任一位置的介电常数；

(2)探地雷达标定介电常数

利用探地雷达对车辙某一点位处进行测厚，该点位处的介电常数可以通过公式

计算；

式中:ε_r2—基于探地雷达法的介电常数；

—振幅比；

(3)介电常数修正系数计算

基于下式得到相应的修正系数：

式中：t—介电常数修正系数；

步骤三、将得到的介电常数修正系数代入修正后的剩余路面厚度计算公式

式中：s—修正后的剩余路面厚度，mm；

并计算不均匀系数指标

式中：s_m—探地雷达探测的经过修正的最小修正剩余路面厚度，mm；s₀—初始设计路面厚度，mm；

步骤四、根据不均匀系数范围，提供相应的橡胶沥青抗车辙交叉口改造方案，具体改造方案为：

(1)“动—静荷载”区域破坏等级范围为三级破坏到一级破坏，当UCP≤0.2时，为一级破坏，改造方案为面层、基层均需处理，以橡胶沥青碎石封层替代原有基层，路面结构设计为从上往下依次为橡胶沥青面层、橡胶沥青粘结层、橡胶沥青碎石封层和橡胶沥青防水层，施工规格为先撒一遍橡胶沥青，再洒一遍嵌缝料，一共重复四遍，最后再铺一层橡胶沥青和一层橡胶沥青混合料面层；当0.2<UCP≤0.4时，为二级破坏，改造方案为面层、基层均需处理，以橡胶沥青碎石封层替代原有基层，路面结构设计为从上往下依次为橡胶沥青面层、橡胶沥青粘结层、橡胶沥青碎石封层和橡胶沥青防水层，施工规格为先撒一遍橡胶沥青，再洒一遍嵌缝料，一共重复三遍，最后再铺一层橡胶沥青和一层橡胶沥青混合料面层；当0.4<UCP≤0.6时，为三级破坏，改造方案为面层、基层均需处理，以橡胶沥青碎石封层替代原有基层，路面结构设计为从上往下依次为橡胶沥青面层、橡胶沥青粘结层、橡胶沥青碎石封层和橡胶沥青防水层，施工规格为先撒一遍橡胶沥青，再洒一遍嵌缝料，一共重复两遍，最后再铺一层橡胶沥青和一层橡胶沥青混合料面层；

(2)“动荷载”区域破坏等级范围为五级破坏到四级破坏，当0.6<UCP≤0.8时，为四级破坏，改造方案为仅处理面层，用橡胶沥青同步碎石封层和橡胶沥青混合料处理，路面结构设计从上往下依次为橡胶沥青混合料面层、橡胶沥青粘结层和橡胶沥青碎石封层，施工规格为铺撒一层橡胶沥青同步碎石封层，再洒一层橡胶沥青和一层橡胶沥青混合料面层；当0.8<UCP<1时，为五级破坏，改造方案为仅处理面层，用橡胶沥青混合料处理，路面结构设计从上往下依次为橡胶沥青混合料面层和橡胶沥青粘结层，施工规格为先洒一层橡胶沥青，再洒一层橡胶沥青混合料面层；

针对不同破坏提出不同的改造设计方案，进一步的加强针对性，合理利用资源，减少浪费；

步骤五、改造施工，包括面层预处理、面层修复料计算、基层预处理、基层修复料计算和铺筑施工。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于探地雷达的路口橡胶沥青抗车辙路面检测和设计方法，其特征在于，具体设计步骤如下：

步骤一、根据交叉口车流分布的特点，进行区域划分；

步骤二、分别再车辙处进行钻芯取样法和探地雷达法，得到介电常数修正系数；

步骤三、将得到的介电常数修正系数代入修正后的剩余路面厚度计算公式，并计算不均匀系数指标；

步骤四、根据不均匀系数范围，提供相应的橡胶沥青抗车辙交叉口改造方案；

步骤五、改造施工；

步骤一所述区域划分，根据交叉口车流分布的特点，将交叉口左转车辆停驻区、直行车辆停驻区、及公交车停驻区划分为“动-静荷载”区域，将右转车道划分为“动荷载”区域；

步骤二所述介电常数修正系数的计算方法如下：

(1)钻芯取样标定介电常数

A₁：利用车辙横断面尺在车辙较为严重处取一横断面；

A₂：将得到的横断面图形放入笛卡尔坐标系中，任意取三个位置进行钻芯取样，三个位置的横坐标分别为x₁、x₂和x₃，并测得三个芯样的实测厚度H₁、H₂和H₃，将其分别代入公式

H＝a sinβx+b

求解出常数系数a、β和b，便可得到该处车辙断面的关于厚度与横向位置的函数表达式，通过公式

ε_r1＝c²Δt²/4(a sinβx+b)²

式中：ε_r1-基于钻芯取样法的介电常数；c-电磁波在真空中的传播速度，为常数，约等于300mm/ns；Δt-雷达波在介质层中的双程走时，ns；

便可计算出该断面任一位置的介电常数；

(2)探地雷达标定介电常数

利用探地雷达对车辙某一点位处进行测厚，该点位处的介电常数可以通过公式

计算；

式中：ε_r2-基于探地雷达法的介电常数；

-振幅比；

(3)介电常数修正系数计算

基于下式得到相应的修正系数：

式中：t-介电常数修正系数；

步骤三所诉修正后的剩余路面厚度的计算公式为：

式中：s-修正后的剩余路面厚度，mm；

所述不均匀系数为最小修正剩余路面厚度与初始设计路面厚度的比值，通过如下公式计算：

式中：s_m—探地雷达探测的经过修正的最小修正剩余路面厚度，mm；s₀—初始设计路面厚度，mm；

所述交叉口改造方案为：

(1)“动—静荷载”区域破坏等级范围为三级破坏到一级破坏，当UCP≤0.2时，为一级破坏，改造方案为面层、基层均需处理，以橡胶沥青碎石封层替代原有基层，路面结构设计为从上往下依次为橡胶沥青面层、橡胶沥青粘结层、橡胶沥青碎石封层和橡胶沥青防水层，施工规格为先撒一遍橡胶沥青，再洒一遍嵌缝料，一共重复四遍，最后再铺一层橡胶沥青和一层橡胶沥青混合料面层；当0.2＜UCP≤0.4时，为二级破坏，改造方案为面层、基层均需处理，以橡胶沥青碎石封层替代原有基层，路面结构设计为从上往下依次为橡胶沥青面层、橡胶沥青粘结层、橡胶沥青碎石封层和橡胶沥青防水层，施工规格为先撒一遍橡胶沥青，再洒一遍嵌缝料，一共重复三遍，最后再铺一层橡胶沥青和一层橡胶沥青混合料面层；当0.4＜UCP≤0.6时，为三级破坏，改造方案为面层、基层均需处理，以橡胶沥青碎石封层替代原有基层，路面结构设计为从上往下依次为橡胶沥青面层、橡胶沥青粘结层、橡胶沥青碎石封层和橡胶沥青防水层，施工规格为先撒一遍橡胶沥青，再洒一遍嵌缝料，一共重复两遍，最后再铺一层橡胶沥青和一层橡胶沥青混合料面层；

(2)“动荷载”区域破坏等级范围为五级破坏到四级破坏，当0.6＜UCP≤0.8时，为四级破坏，改造方案为仅处理面层，用橡胶沥青同步碎石封层和橡胶沥青混合料处理，路面结构设计从上往下依次为橡胶沥青混合料面层、橡胶沥青粘结层和橡胶沥青碎石封层，施工规格为铺撒一层橡胶沥青同步碎石封层，再洒一层橡胶沥青和一层橡胶沥青混合料面层；当0.8＜UCP＜1时，为五级破坏，改造方案为仅处理面层，用橡胶沥青混合料处理，路面结构设计从上往下依次为橡胶沥青混合料面层和橡胶沥青粘结层，施工规格为先洒一层橡胶沥青，再洒一层橡胶沥青混合料面层。

2.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达的路口橡胶沥青抗车辙路面检测和设计方法，其特征在于，所述改造施工包括面层预处理、面层修复料计算、基层预处理、基层修复料计算和铺筑施工。

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