CN114088933A - 一种用于预测路面结构服役性能的智能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于预测路面结构服役性能的智能系统，属于道路工程技术领域，包括交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置、路面裂缝测量装置和路面结构服役性能预测装置。本发明还提供了一种用于预测路面结构服役性能的方法，根据路面结构的交通轴载、内部温度、层底应变和裂缝情况，依次建立疲劳损伤裂缝发展预测模型、车辙深度预测模型和低温开裂裂缝长度计算模型，计算路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比、由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比、车辙深度和低温开裂裂缝长度的预测值，获取未来路面结构平整度，准确预测了路面结构服役性能的发展趋势。

Description

一种用于预测路面结构服役性能的智能系统及方法
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种用于预测路面结构服役性能的智能系统及方法。
背景技术
高速公路网对于社会经济发展具有至关重要的作用，我国已建成全球规模最大的高速公路网，以“智慧的车”和“聪明的路”为主要特征的智慧高速公路建设作为公路交通行业转型发展的重点，是我国从交通大国发展为交通强国的必经之路。
路面服役性能作为智慧高速公路建设的重要参数，现阶段对于高速公路路面服役性能的研究尚停留在通过布设监测设置实时采集车速、轴载和温度等高速公路路面结构基础监测参数，尚未涉及利用高速公路路面监测参数预测高速公路的路面结构服役性能，导致海量路面监测参数数据处于闲置状态，没有得到合理的应用，无法用于预测未来高速公路路面结构的服役性能，从而无法为高速公路路面结构的养护提供科学依据。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种用于预测路面结构服役性能的智能系统及方法，通过综合高速公路路面结构的交通轴载、内部温度、层底应变和裂缝情况，建立路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型、路面结构车辙深度预测模型和路面结构低温开裂裂缝深度计算模型和路面结构低温开裂裂缝长度计算模型，基于路面结构因疲劳损伤产生的由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比、由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测值、车辙深度和低温开裂裂缝长度的预测结果预测路面结构的平整度，利用路面结构平整度充分反映路面结构的服役性能，实现了对路面结构服役性能的预测，为高速公路路面结构的养护维修提供了依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于预测路面结构服役性能的智能系统，包括交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置、路面裂缝测量装置和路面结构服役性能预测装置；
所述交通轴载测量装置埋设于路面结构的沥青层顶部，用于采集高速公路上行驶车辆的车型、车速、轴载和轴重；
所述路面结构力学响应测量装置埋设于路面结构的沥青层底部，用于测量路面结构沥青层的层底应变；
所述路面结构温度测量装置埋设于路面结构沥青层的内部，用于测量路面结构沥青层的内部温度；
所述路面车辙深度测量装置设置于路面结构上方，用于测量路面结构的车辙深度；
所述路面裂缝测量装置设置于路面结构上方，用于测量路面结构中的疲劳损伤裂缝和温度开裂裂缝；
所述路面结构服役性能预测装置分别与交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置相连接，用于实时接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，预测路面结构的平整度。
优选地，所述路面结构力学响应测量装置为呈阵列分布的沥青应变计，路面结构温度测量装置为温度传感器，路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置均采用高分辨率摄像仪。
一种用于预测路面结构服役性能的方法，采用如上所述的用于预测路面结构服役性能的智能系统，具体包括如下步骤：
步骤1，选取待预测的高速公路，根据高速公路的路面结构参数，制备沥青混合料试样、车辙试验试样和间接拉伸试件；
步骤2，在待预测高速公路的路面结构上安装用于预测路面结构服役性能的智能 系统，设置观测期的总时长，将观测期划分为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
个观测时长为1小时的子观测期，利用路面 结构温度测量装置测量观测期内路面结构沥青层的内部温度，利用交通轴载测量装置测量 路面结构上行驶车辆的车速和轴载，利用路面结构力学响应测量装置测量车辆载荷作用下 路面结构沥青层的层底应变，利用路面车辙深度测量装置测量路面结构的车辙深度，利用 路面裂缝测量装置测量路面结构中的疲劳损伤裂缝和温度开裂裂缝，在观测期内路面结构 服役性能预测装置实时接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温 度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据；
步骤3，利用材料试验机对沥青混合料试样进行单轴压缩动态模量试验，测量不同试验温度和加载频率条件下沥青混合料试样各结构层的动态模量，基于时温等效原理建立沥青混合料动态模量主曲线，确定沥青混合料动态模量计算模型，如式（1）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
（2）
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
（3）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为沥青混合料的动态模量，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
为加载频率，单位为Hz；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
为沥 青混合料的温度，单位为℃；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
为沥青混合料的最大限制模量，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
均为沥青混合料动态模量计算模型的模型系数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
为沥青混合料的矿料间隙率；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
为沥青混合料的沥青饱和度；
交通轴载测量装置记录到观测期内路面结构上总计通过
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
次行车荷载，针对各次 行车荷载，根据行车荷载通过路面结构时的车速，计算路面结构上车辆的加载频率，如式 （4）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
（4）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
为加载频率，单位为Hz；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
为路面结构中沥青层的厚度，单位为m；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
为路 面结构上车辆的车速，单位为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
；
根据各行车荷载通过路面结构时车辆的加载频率和沥青层中各结构层的内部温度，利用沥青混合料动态模量计算模型，确定各行车荷载通过路面结构时沥青层的沥青混合料动态模量，沥青层的沥青混合料动态模型包括上面层的沥青混合料动态模量、中面层的沥青混合料动态模量和下面层的沥青混合料动态模量；
步骤4，根据观测期内交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，建立路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型；
步骤5，根据观测期内交通轴载测量装置、路面车辙深度测量装置和路面结构温度测量装置的测量数据，建立路面结构车辙深度预测模型；
步骤6，根据观测期内路面结构温度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，建立路面结构低温开裂裂缝深度计算模型和路面结构低温开裂裂缝长度计算模型；
步骤7，根据路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的预测值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
、路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
、 路面结构车辙深度的预测值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
和低温开裂裂缝长度的预测值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
，建立路面结构平整度预 测模型，如式（32）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
(32)
其中，Ⅱ=
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
（33）
Ⅲ=
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE027
（34）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
为路面结构的初始平整度，单位为m/Km，取值为0.75；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029
为路面结构 平整度的预测值，单位为m/Km；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
为路面结构的服役期限，单位为年；
步骤8，观测期结束后，根据交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置的测量数据，利用路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型、路面结构车辙深度预测模型和路面结构裂缝开裂长度预测模型，计算得到路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的预测值、路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测值和路面结构车辙深度的预测值，再根据路面结构平整度预测模型，计算得到路面结构的平整度预测值，预测路面结构的平整度。
优选地，所述步骤4中具体包括以下步骤：
步骤4.1，将观测期内各行车荷载通过路面结构时车辆的加载频率和沥青层的沥青混合料动态模量输入力学计算软件Bisar3.0中，基于弹性层状理论体系计算得到各行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值；
根据观测期内路面结构力学响应测量装置测量的各次行车荷载通过路面结构时 沥青层层底应变的实测值，利用观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的 实测值对计算值进行标定，确定沥青层的层底应变标定系数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031
；
步骤4.2，建立路面结构疲劳损伤模型，根据观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值，利用路面结构疲劳损伤模型计算观测期内路面结构沥青层的总损伤，如式（5）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
（5）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033
（6）
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
（ 7）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE035
为观测时间内路面结构沥青层的总损伤；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
为观测时间内行车荷载通过 路面结构的次数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE037
为第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
次行车荷载通过时路面结构沥青层的损伤；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE039
为第
Figure 51225DEST_PATH_IMAGE038
次行车 荷载通过时路面结构的疲劳寿命；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE040
为目标可靠度；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE041
为季节性冻土地区调整系数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE042
为 沥青层的疲劳加载模式系数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE043
为沥青层层底应变标定系数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE044
为第
Figure 658792DEST_PATH_IMAGE038
次行车荷载通过路 面结构时沥青层层底应变的计算值；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE045
为温度调整系数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE046
为沥青层的疲劳加载模式系 数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE047
为沥青层的厚度，单位为mm；
步骤4.3，根据观测期内路面结构沥青层的总损伤，建立路面结构疲劳损伤裂缝计算模型，路面结构疲劳损伤裂缝计算模型包括由下至上裂缝计算模型和由上至下裂缝计算模型；
由下至上发展裂缝计算模型为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE048
（8）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE049
（9）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE050
为路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的 计算值；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE052
均为由下至上发展裂缝计算模型的模型系数；
由上至下发展裂缝计算模型为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE053
（10）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE054
为路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计 算值；
根据观测期内路面结构沥青层的总损伤，利用路面结构疲劳损伤裂缝计算模型， 确定路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE055
和由上 至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE056
；
步骤4.4，根据观测期内路面裂缝测量装置测量的路面结构疲劳损伤裂缝，确定观 测期内路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的实测值和由上至下发展 裂缝占路面结构长度百分比的实测值，利用路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面 积百分比的实测值对由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值进行拟合，得到 疲劳损伤裂缝面积标定系数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE057
，再利用由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的实测值 对由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值进行拟合，得到疲劳损伤裂缝长度标 定系数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE058
；
步骤4.5，根据疲劳损伤裂缝面积标定系数
Figure 505263DEST_PATH_IMAGE057
和疲劳损伤裂缝长度标定系数
Figure 149871DEST_PATH_IMAGE058
，结 合路面结构疲劳损伤裂缝计算模型，建立路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型，路面结构 疲劳损伤裂缝发展预测模型包括由下至上发展裂缝预测模型和由上至下发展裂缝预测模 型；
由下至上发展裂缝预测模型为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE059
（11）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE060
（12）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE061
为路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的 预测值；
由上至下发展裂缝预测模型为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE062
（13）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE063
为路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预 测值。
优选地，所述步骤5中具体包括以下步骤：
步骤5.1，利用车辙试验机对车辙试验试样进行车辙试验，设置车辙试验的实验温 度为60℃、压强为0.7MPa、加载次数为2520次，测量在温度为60℃、压强为0.7MPa条件下加 载次数为2520次后车辙试验试样中各结构层沥青混合料所对应的车辙深度，确定车辙试验 试样上面层中沥青混合料对应的车辙深度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE064
、中面层中沥青混合料对应的车辙深度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE065
和 下面层中沥青混合料对应的车辙深度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE066
；
步骤5.2，根据《公路沥青路面设计规范》中的分层原则，将沥青层内部由上到下划分为m个分层，并在沥青层的各分层内部埋设路面结构温度测量装置，其中，上面层中各分层厚度为10~20mm，中面层中各分层厚度不超过25mm，下面层中各分层厚度不超过100m；
步骤5.3，根据观测期内交通轴载测量装置测量的各行车荷载通过路面结构时的轴载，基于标准轴载作用次数与轴载之间的转换关系，将观测期内各行车荷载通过路面结构时的轴载转换为标准轴载作用次数；
标准轴载作用次数与轴载之间的转换关系如式（14）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE067
（14）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE068
为第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE069
次行车荷载通过路面结构时的标准轴载作用次数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE070
为第
Figure 911985DEST_PATH_IMAGE069
次行 车荷载通过路面结构时的轴重；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE071
为设计轴载；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE072
为行车荷载的轮组系数，当车辆为双轮 组时
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE073
，当车辆为单轮时
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE074
；
利用力学计算软件BISAR 3.0，根据沥青层中各结构层的厚度、沥青混合料动态模量和泊松比，计算沥青层中各分层的层顶竖向压应力；
根据观测期内沥青层中各分层的内部温度和层顶竖向压应力，结合观测期内各行车荷载通过路面结构时的标准轴载作用次数以及车辙试验中各结构层沥青混合料所对应的车辙深度，建立路面结构车辙深度计算模型，如式（15）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE075
（15）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE076
为观测期内路面结构的车辙深度，单位为mm；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE077
为观测期内第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE078
次行 车荷载通过路面结构时沥青层第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE079
分层中的车辙深度，单位为mm；
观测期内第
Figure 182299DEST_PATH_IMAGE078
次行车荷载通过时沥青层第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE080
分层中的车辙深度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE081
的计算公式 为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE082
（16）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE083
（17）
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE084
（18）
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE085
（19）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE086
为观测期内通过路面结构的行车荷载总数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE087
为沥青层中分层的总层 数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE088
为观测期内沥青层中第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE089
分层的内部温度，单位为℃；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE090
为观测期内沥青层中第
Figure 758642DEST_PATH_IMAGE089
分层的层顶竖向压应力，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE091
为第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE092
次行车荷载通过路面结构时的标准轴载作 用次数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE093
为观测期内沥青层中第
Figure 636469DEST_PATH_IMAGE089
分层的综合修正系数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE094
为车辙试验试样的厚度，单 位为mm；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE095
为沥青层中第
Figure 913909DEST_PATH_IMAGE089
分层的厚度，单位为mm；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE096
为路面结构中沥青层的厚度，单位为 mm；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE097
为沥青层中第
Figure 738646DEST_PATH_IMAGE089
分层沥青混合料对应的车辙深度，单位为mm，若第
Figure 716966DEST_PATH_IMAGE089
分层位于沥青 层的上面层中，则
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE098
，若第
Figure 968956DEST_PATH_IMAGE089
分层位于沥青层的中面层中，则
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE099
，若第
Figure 134358DEST_PATH_IMAGE089
分层位 于沥青层的下面层中，则
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE100
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE101
为沥青层中第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE102
分层的深度，单位为mm；
步骤5.4，利用路面结构车辙深度计算模型计算观测期内路面结构的车辙深度，确 定观测期内车辙深度的计算值，再根据观测期内路面车辙深度测量装置测量的车辙深度， 确定观测期内车辙深度的实测值，利用观测期内车辙深度的实测值对车辙深度的计算值进 行标定，确定车辙深度标定系数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE103
；
步骤5.5，基于路面结构车辙深度计算模型，结合车辙深度标定系数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE104
，建立路面 结构车辙深度预测模型，如式（20）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE105
（20）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE106
（21）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE107
为路面结构车辙深度预测值；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE108
为第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE109
次行车荷载作用在沥青层第
Figure 277632DEST_PATH_IMAGE089
分层中所产生车辙深度的预测值；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE110
为沥青层中第
Figure 844880DEST_PATH_IMAGE089
分层的内部温度，单位为℃；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE111
为沥 青层中第
Figure 533350DEST_PATH_IMAGE102
分层的层顶竖向压应力，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE112
为第
Figure 186048DEST_PATH_IMAGE038
次行车荷载通过路面结构时的 标准轴载作用次数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE113
为沥青层中第
Figure 883746DEST_PATH_IMAGE089
分层的综合修正系数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE114
为车辙试验试样的厚度， 单位为mm；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE115
为沥青层中第
Figure 836658DEST_PATH_IMAGE089
分层的厚度，单位为mm；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE116
为沥青层中第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE117
分层沥青混合料 对应的车辙深度，单位为mm，若第
Figure 227188DEST_PATH_IMAGE089
分层位于沥青层的上面层中，则
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE118
，若第
Figure 101604DEST_PATH_IMAGE089
分层 位于沥青层的中面层中，则
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE119
，若第
Figure 620570DEST_PATH_IMAGE089
分层位于沥青层的下面层中，则
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE120
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE121
为沥青层中第
Figure 427989DEST_PATH_IMAGE089
分层的深度，单位为mm。
优选地，所述步骤6中具体包括以下步骤：
步骤6.1，利用万能材料试验机对间接拉伸试件进行间接拉伸试验，设置试验温度为-10℃，测量-10℃条件下间接拉伸试件中各结构层沥青混合料的间接拉伸强度，再将试验温度依次设置为-20℃、-10℃和0℃，分别针对各试验温度，测量不同加载时间下间接拉伸试件中各结构层所用沥青混合料的蠕变柔量，得到-20℃、-10℃和0℃条件下间接拉伸试件中各结构层的沥青混合料蠕变柔量曲线；
步骤6.2，以-20℃作为标准温度，针对间接拉伸试件的各结构层，以-20℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线作为标准曲线，基于时温等效原理，分别确定-20℃、-10℃和0℃条件下沥青混合料蠕变柔量曲线所对应的温度位移系数，并将-20℃、-10℃和0℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线平移至标准曲线处，得到标准温度条件下间接拉伸试件中各结构层沥青混合料的蠕变柔量主曲线；
利用广义开尔文模型对标准温度条件下间接拉伸试件中各结构层的沥青混合料蠕变柔量主曲线进行拟合，得到蠕变柔量计算模型，如式（22）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE122
(22)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE123
(23)
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE124
为蠕变柔量，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE125
为加载时间，单位为s；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE126
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE127
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE128
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE129
均为 延迟时间，单位为s；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE130
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE131
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE132
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE133
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE134
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE135
均为蠕变柔量计算模型的拟合系数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE136
为0 ℃条件下蠕变柔量曲线所对应的温度位移系数；
再基于指数函数对标准温度条件下间接拉伸试件中各结构层的沥青混合料蠕变柔量主曲线进行拟合，确定各结构层所用沥青混合料的蠕变速率；
利用指数函数拟合得到的沥青混合料蠕变柔量主曲线表达式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE137
(24)
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE138
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE139
均为指数函数拟合系数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE140
为沥青混合料的蠕变速率；
步骤6.3，重新对沥青层进行分层，将沥青层内部由上到下划分为w个分层，各分层的厚度为2cm，在各分层内部埋设路面结构温度测量装置，针对各子观测期，分别利用路面结构温度测量装置测量各子观测期内低温开裂裂缝尖端处的温度，利用路面裂缝测量装置测量各子观测期末路面结构中低温开裂裂缝的深度和裂缝尖端的位置；
针对各子观测期，根据观测期内沥青层中各分层的内部温度，结合路面结构参数和蠕变柔量计算模型，利用ABAQUS有限元软件计算路面结构中低温开裂裂缝尖端在各子观测期内受到的应力；
步骤6.4，设置第1子观测期末路面结构中低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE141
、第2 子观测期末路面结构中低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE142
；根据路面结构中低温开裂裂缝 尖端在各子观测期内受到的应力，结合低温开裂裂缝尖端所在结构层沥青混合料的间接拉 伸强度和蠕变速率，利用路面结构低温开裂裂缝深度计算模型预测观测期末路面结构中低 温开裂裂缝的深度，确定观测期末低温开裂裂缝的深度；
路面结构低温开裂裂缝深度计算模型如式（25）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE143
(25)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE144
(26)
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE145
(27)
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE146
(28)
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE147
为子观测期的序号，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE148
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE149
为观测期末低温开裂裂缝深度的预测值， 单位为m；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE150
为第
Figure 409327DEST_PATH_IMAGE147
子观测期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE151
为第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE152
子 观测期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE153
为第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE154
子观测期末低温开裂 裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE155
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE156
均为沥青混合料断裂参数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE157
为第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE158
子观测期内 应力强度因子的变化量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE159
为第
Figure 665646DEST_PATH_IMAGE158
子观测期的应力强度因子；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE160
为第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE161
子观测期 的应力强度因子；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE162
为路面结构中裂缝尖端在第
Figure 705146DEST_PATH_IMAGE158
子观测期内受到的应力，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE163
为路面结构中裂缝尖端在第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE164
子观测期内受到的应力，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE165
为野外标 定系数，取值为6.0；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE166
为路面结构中沥青混合料的劲度模量，取值为10000；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE167
为裂缝尖 端所在结构层沥青混合料的间接拉伸强度，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE168
为裂缝尖端所在结构层沥青混合 料的蠕变速率；
步骤6.5，根据预测的观测期末低温开裂裂缝的深度，利用路面结构低温开裂裂缝长度计算模型，计算观测期末路面结构中低温开裂裂缝的长度，如式（29）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE169
(29)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE170
(30)
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE171
为观测期末低温开裂裂缝长度的计算值，单位为m；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE172
为标准正态分布 在z处的值；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE173
为路面结构中沥青层的厚度，单位为m；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE174
为裂缝长度计算系数，取值为400；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE175
为路面结构中低温开裂裂缝深度的标准差参数，取值为0.769；
步骤6.6，利用路面裂缝观测装置测量观测期末路面结构中低温开裂裂缝的长度， 获取观测期末低温开裂裂缝长度的实测值，通过与路面结构低温开裂裂缝长度的计算值进 行标定，确定裂缝长度标定系数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE176
，建立路面结构低温裂缝开裂长度预测模型，如式（10） 所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE177
(31)
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE178
为观测期末路面结构中低温开裂裂缝长度的预测值，单位为m。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明提出了一种用于预测路面结构服役性能的智能系统，实现了对路面结构荷载情况、内部温度、力学响应和裂缝情况的实时监测，为预测高速公路路面结构服役性能提供了海量的基础数据，有利于提高高速公路路面结构服役性能预测的准确性。
本发明还提出了一种用于预测路面服役性能的方法，通过与用于预测高速公路路面结构服役性能的智能系统相配合，根据观测期内路面结构的荷载情况、内部温度、力学响应和裂缝情况，分别预测路面结构疲劳损伤裂缝发展情况、车辙深度和低温开裂裂缝长度，并通过路面结构平整度的预测值综合反映未来路面结构的服役性能，实现了对高速公路路面结构性能的准确预测，有利于为高速公路路面结构的维修养护提供依据，避免了高速公路路面功能的损坏，延长了高速公路的使用寿命。
本发明通过预测路面结构中疲劳损伤裂缝、低温开裂裂缝和车辙深度的发展，综合考虑了温度、表面行车和路面铺设材料对路面结构服役性能的影响，能够根据预测的路面结构服役性能进行预警，及时对高速公路路面进行维修，避免了高速公路路面结构的周期性重建，从而缓解了因高速公路维修或重建所造成的交通拥堵，保障了高速公路的运行顺畅和路面车辆的安全。
附图说明
图1为本发明实施例中路面结构的示意图。
图2为本发明实施例中的沥青混合料动态模量主曲线；图中，SMA13曲线为上面层的沥青混合料动态模量主曲线，AC20曲线为中面层的沥青混合料动态模量主曲线，AC25为下面层的沥青混合料动态模量主曲线。
图3为本发明实施例中间接拉伸试件上面层沥青混合料的蠕变柔量主曲线；图中，-20℃曲线为上面层沥青混合料在-20℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线，-10℃曲线为上面层沥青混合料在-10℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线，0℃曲线为上面层沥青混合料在0℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线。
图4为本发明实施例中间接拉伸试件中面层沥青混合料的蠕变柔量主曲线；图中，-20℃曲线为中面层沥青混合料在-20℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线，-10℃曲线为中面层沥青混合料在-10℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线，0℃曲线为中面层沥青混合料在0℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线。
图5为本发明实施例中间接拉伸试件下面层沥青混合料的蠕变柔量主曲线；图中，-20℃曲线为下面层沥青混合料在-20℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线，-10℃曲线为下面层沥青混合料在-10℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线，0℃曲线为下面层沥青混合料在0℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本实施例以山东济南地区高速公路为例，在高速公路上选取实验路段，实验路段为沥青路面，路面结构如图1所示，采用本发明提出的一种用于预测路面结构服役性能的方法预测实验路段高速公路路面结构的平整度，具体包括以下步骤：
步骤1，获取实验路段的路面结构参数，路面结构参数包括沥青层的厚度
Figure DEST_PATH_IMAGE179
、目标可 靠度
Figure DEST_PATH_IMAGE180
、温度调整系数
Figure DEST_PATH_IMAGE181
、季节性冻土地区调整系数
Figure 859747DEST_PATH_IMAGE041
以及沥青层中各结构层的厚度、泊 松比、沥青混合料的矿料间隙率
Figure 733025DEST_PATH_IMAGE013
和沥青混合料的沥青饱和度
Figure DEST_PATH_IMAGE182
。
本实施例中实验路面的路面结构由上到下依次设置为沥青层、粒料层和基层，沥 青层厚度
Figure DEST_PATH_IMAGE183
为180mm，基层设置为34cm级配碎石。沥青层由上到下依次设置为上面层、中面层 和下面层，其中，上面层厚度为40mm，采用SMA13铺设而成，沥青混合料的沥青饱和度为65%、 矿料间隙率为15.5%、泊松比为0.25；中面层厚度为60mm，采用AC20铺设而成，沥青混合料的 沥青饱和度为63%、矿料间隙率为15.3%、泊松比为0.25；下面层厚度为80mm，采用AC25铺设 而成，沥青混合料的沥青饱和度为67%、矿料间隙率为15.7%、泊松比为0.25；路面结构的目 标可靠度
Figure 175508DEST_PATH_IMAGE180
为1.65，温度调整系数
Figure 956382DEST_PATH_IMAGE181
为2.38，季节性冻土地区调整系数
Figure 676077DEST_PATH_IMAGE041
为0.85。
根据实验路段的路面结构参数，制备沥青混合料试样、车辙试验试样和间接拉伸试件，其中，车辙试验试样的长度设置为300mm、宽度设置为300mm、厚度设置为500mm。
步骤2，在实验路段的路面结构上安装用于预测路面结构服役性能的智能系统，包括交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置、路面裂缝测量装置和路面结构服役性能预测装置，其中，交通轴载测量装置埋设于路面结构的沥青层顶部，用于采集高速公路上行驶车辆的车型、车速、轴载和轴重；路面结构力学响应测量装置埋设于路面结构的沥青层底部，用于测量路面结构沥青层的层底应变；路面结构温度测量装置埋设于路面结构沥青层的内部，用于测量路面结构沥青层的内部温度；路面车辙深度测量装置设置于路面结构上方，用于测量路面结构的车辙深度；路面裂缝测量装置设置于路面结构上方，用于测量路面结构中的疲劳损伤裂缝和温度开裂裂缝；路面结构服役性能预测装置分别与交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置相连接，用于实时接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，预测路面结构的平整度。
本实施例中，路面结构力学响应测量装置为呈阵列分布的沥青应变计，路面结构温度测量装置为温度传感器，路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置均采用高分辨率摄像仪。
设置观测期的总时长为30天，将观测期划分为720个观测时长为1小时的子观测期，利用路面结构温度测量装置测量观测期内路面结构沥青层的内部温度，利用交通轴载测量装置测量路面结构上行驶车辆的车速和轴载，利用路面结构力学响应测量装置测量车辆载荷作用下路面结构沥青层的层底应变，利用路面车辙深度测量装置测量路面结构的车辙深度，利用路面裂缝测量装置测量路面结构中的疲劳损伤裂缝和温度开裂裂缝，在观测期内路面结构服役性能预测装置实时接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据。
步骤3，在实验室内利用材料试验机对沥青混合料试样进行单轴压缩动态模量试验，将试验温度分别设置为20℃、35℃和50℃，在各温度条件下依次将加载频率调整为0.1Hz、0.2Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz和25 Hz，分别测量加载频率为0.1Hz、0.2Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、25 Hz时沥青混合料试样的动态模量，测量结果如表1所示。
表1 单轴压缩动态模量试验测量结果
Figure DEST_PATH_IMAGE184
基于时温等效原理，通过对不同温度条件下沥青混合料试样的加载频率和动态模量进行拟合，得到沥青混合料动态模量主曲线，如图2所示。根据沥青混合料动态模量主曲线，分别得到沥青层中上面层、中面层和下面层的沥青混合料动态模量计算模型，如下所示：
沥青层中上面层的沥青混合料动态模量计算模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE185
（33）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE186
为上面层的沥青混合料动态模量，单位为Mpa；
Figure DEST_PATH_IMAGE187
为加载频率，单位为 Hz；
Figure DEST_PATH_IMAGE188
为上面层的温度，单位为℃；
沥青层中中面层的沥青混合料动态模量计算模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE189
（34）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE190
为中面层的沥青混合料动态模量，单位为Mpa；
Figure DEST_PATH_IMAGE191
为加载频率，单位为 Hz；
Figure DEST_PATH_IMAGE192
为中面层的温度，单位为℃；
沥青层中下面层的沥青混合料动态模量计算模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE193
（35）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE194
为下面层的沥青混合料动态模量，单位为Mpa；
Figure DEST_PATH_IMAGE195
为加载频率，单位为 Hz；
Figure DEST_PATH_IMAGE196
为下面层的温度，单位为℃。
由于实际沥青路面的加载频率由沥青路面上的车辆荷载所产生，因此利用沥青路面上行驶车辆的车速可以确定车辆荷载作用于沥青路面上的加载频率，从而仅需确定行驶于沥青路面上车辆的车速和沥青路面各结构层的内部温度，输入沥青路面各结构层的沥青混合料动态模量计算模型中，即可确定沥青路面各结构层的沥青混合料动态模量。
交通轴载测量装置记录到观测期内路面结构上总计通过
Figure DEST_PATH_IMAGE197
次行车荷载，针对 各次行车荷载，根据行车荷载通过路面结构时的车速，利用公式（4）计算路面结构上车辆的 加载频率。
路面结构温度测量装置测量得到沥青层中上面层的温度为25℃、中面层的温度为22℃、下面层的温度为20℃，根据各行车荷载通过路面结构时车辆的加载频率和沥青层中各结构层的内部温度，利用沥青混合料动态模量计算模型，确定各行车荷载通过路面结构时沥青层的沥青混合料动态模量，沥青层的沥青混合料动态模型包括上面层的沥青混合料动态模量、中面层的沥青混合料动态模量和下面层的沥青混合料动态模量。
步骤4，根据观测期内交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，建立路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型，具体包括以下步骤：
步骤4.1，将观测期内各行车荷载通过路面结构时车辆的加载频率和沥青层的沥青混合料动态模量输入力学计算软件Bisar3.0中，基于弹性层状理论体系计算得到各行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值。
以观测期内某一次行车荷载为例说明确定行车荷载通过路面结构时沥青层层底 应变计算值的过程：利用交通轴载测量装置实时测量得到实验路段上车辆的车速为80Km/ h，同时利用路面结构温度测量装置测量得到沥青层中上面层温度为51℃、中面层温度为48 ℃、下面层温度为41℃，利用沥青混合料动态模量计算模型计算，得到沥青层中上面层的沥 青混合料动态模量
Figure DEST_PATH_IMAGE198
为5939MPa、中面层的沥青混合料动态模量
Figure DEST_PATH_IMAGE199
为10053MPa、下面层的 沥青混合料动态模量
Figure DEST_PATH_IMAGE200
为13287MPa，通过将沥青层中各结构层的沥青混合料动态模量输 入力学计算软件Bisar3.0中，基于弹性层状理论体系，计算得到行车荷载通过路面结构时 沥青层层底应变的计算值为72.8με。
根据路面结构力学响应测量装置获取观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥 青层层底应变的实测值，利用观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的实 测值对计算值进行标定，以观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算 值作为横坐标，观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的实测值作为纵坐 标，绘制沥青层的层底应变关系曲线，沥青层的层底应变关系曲线的斜率即为沥青层的层 底应变标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE201
，本实施例中通过标定确定沥青层的层底应变标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE202
。
步骤4.2，建立路面结构疲劳损伤模型，根据观测期内各次行车荷载通过路面结构 时沥青层层底应变的计算值，利用路面结构疲劳损伤模型计算得到观测期内路面结构沥青 层的总损伤
Figure DEST_PATH_IMAGE203
为
Figure DEST_PATH_IMAGE204
。
步骤4.3，根据观测期内路面结构沥青层的总损伤，建立路面结构疲劳损伤裂缝计算模型，路面结构疲劳损伤裂缝计算模型包括由下至上裂缝计算模型和由上至下裂缝计算模型；
由下至上发展裂缝计算模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE205
（8）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE206
（9）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE207
为路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比 的计算值；本实施例中由下至上发展裂缝计算模型的模型系数
Figure DEST_PATH_IMAGE208
、
Figure DEST_PATH_IMAGE209
。
由上至下发展裂缝计算模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE210
（10）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE211
为路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计 算值；
根据观测期内路面结构沥青层的总损伤，利用路面结构疲劳损伤裂缝计算模型， 确定路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值
Figure 999217DEST_PATH_IMAGE055
和由上 至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值
Figure DEST_PATH_IMAGE212
。
步骤4.4，根据观测期内路面裂缝测量装置测量的路面结构疲劳损伤裂缝，确定观 测期内路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的实测值和由上至下发展 裂缝占路面结构长度百分比的实测值，利用路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面 积百分比的实测值对由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值进行拟合，得到 疲劳损伤裂缝面积标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE213
，再利用由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的 实测值对由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值进行拟合，得到疲劳损伤裂缝 长度标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE214
。
步骤4.5，根据疲劳损伤裂缝面积标定系数
Figure 403697DEST_PATH_IMAGE057
和疲劳损伤裂缝长度标定系数
Figure 988262DEST_PATH_IMAGE058
，结 合路面结构疲劳损伤裂缝计算模型，建立路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型，路面结构 疲劳损伤裂缝发展预测模型包括由下至上发展裂缝预测模型和由上至下发展裂缝预测模 型，其中，由下至上发展裂缝预测模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE215
（36）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE216
（37）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE217
为路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的预测 值；
由上至下发展裂缝预测模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE218
（38）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE219
为路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预 测值。
步骤5，根据观测期内交通轴载测量装置、路面车辙深度测量装置和路面结构温度测量装置的测量数据，建立路面结构车辙深度预测模型，具体包括以下步骤：
步骤5.1，在实验室内利用车辙试验机对车辙试验试样进行车辙试验，设置车辙试 验的实验温度为60℃、压强为0.7MPa、加载次数为2520次，分别测量该试验条件下车辙试验 试样中上面层沥青混合料、中面层沥青混合料和下面层沥青混合料的车辙深度，确定上面 层中沥青混合料对应的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE220
、中面层中沥青混合料对应的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE221
、下面层沥青混合料对应的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE222
。
步骤5.2，根据《公路沥青路面设计规范》中的分层原则，将沥青层内部由上到下划分为6个分层，并在沥青层的各分层内部埋设路面结构温度测量装置，其中，上面层中各分层厚度为20mm，中面层中各分层厚度为20mm，下面层中各分层厚度为80m。
步骤5.3，根据观测期内交通轴载测量装置测量的各行车荷载通过路面结构时的轴载，基于标准轴载作用次数与轴载之间的转换关系，将观测期内各行车荷载通过路面结构时的轴载转换为标准轴载作用次数。
本实施例中交通轴载测量装置实时测量得到实验路段上车辆的车速为80Km/h，同 时利用路面结构温度测量装置测量得到沥青层中上面层温度为51℃、中面层温度为48℃、 下面层温度为41℃，沥青层中上面层的沥青混合料动态模量
Figure DEST_PATH_IMAGE223
为5939MPa、中面层的沥青 混合料动态模量
Figure DEST_PATH_IMAGE224
为10053MPa、下面层的沥青混合料动态模量
Figure DEST_PATH_IMAGE225
为13287MPa。
利用力学计算软件BISAR 3.0，根据沥青层中各结构层的厚度、沥青混合料动态模量和泊松比，计算沥青层中各分层的层顶竖向压应力；由于沥青层中除了第一分层的深度设置为15mm，其余分层的深度均为分层中心位置到路面结构表面的距离，确定沥青层内各分层的深度，将沥青层中各分层的深度与车辙试验试样的厚度相结合，确定沥青层中各分层的综合系数。观测期内沥青层中各分层的车辙深度计算参数如表2所示。
表2 观测期内沥青层中各分层的相关参数
层序
Figure DEST_PATH_IMAGE226
 层厚
Figure DEST_PATH_IMAGE227
/mm		 层深
Figure DEST_PATH_IMAGE228
/mm		 沥青混合料对应的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE229
/mm		 内部温度
Figure DEST_PATH_IMAGE230
/℃		 层顶竖向压应力
Figure 795419DEST_PATH_IMAGE111
/MPa		 综合修正系数
Figure DEST_PATH_IMAGE231
1 20 15 3.0 51 0.7 4.56
2 20 30 3.0 51 0.68 7.39
3 20 50 2.5 48 0.49 7.65
4 20 70 2.5 48 0.16 6.39
5 20 90 2.5 48 0.06 4.83
6 80 170 2.5 41 0.03 1.06
根据观测期内沥青层中各分层的内部温度和层顶竖向压应力，结合观测期内路面 结构所受到的标准轴载作用次数以及车辙试验中各结构层沥青混合料所对应的车辙深度， 利用公式（7）计算得到此次行车荷载在沥青层中各分层产生的车辙深度，其中，在第一分层 产生的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE232
为
Figure DEST_PATH_IMAGE233
、第二分层产生的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE234
为
Figure DEST_PATH_IMAGE235
、第三分 层产生的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE236
为
Figure DEST_PATH_IMAGE237
、第四分层产生的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE238
为
Figure DEST_PATH_IMAGE239
、第五 分层产生的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE240
为
Figure DEST_PATH_IMAGE241
、第六分层产生的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE242
为
Figure DEST_PATH_IMAGE243
。
步骤5.4，利用路面结构车辙深度计算模型计算观测期内所有行车荷载在沥青层 中各分层产生的车辙深度，得到观测期内路面结构中车辙深度的计算值为0.31mm，观测期 内路面车辙深度测量装置测量的车辙深度为0.35mm，利用观测期内车辙深度的实测值对车 辙深度的计算值进行标定，确定车辙深度标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE244
。
步骤5.5，基于路面结构车辙深度计算模型，结合车辙深度标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE245
，建立路面 结构车辙深度预测模型，如式（39）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE246
（39）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE247
（40）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE248
为路面结构车辙深度预测值；
Figure DEST_PATH_IMAGE249
为第
Figure 182405DEST_PATH_IMAGE109
次行车荷载作用在沥青层第
Figure 6004DEST_PATH_IMAGE089
分层中所产生车辙深度的预测值；
Figure DEST_PATH_IMAGE250
为沥青层中第
Figure 925419DEST_PATH_IMAGE089
分层的内部温度，单位为℃；
Figure DEST_PATH_IMAGE251
为 沥青层中第
Figure 885285DEST_PATH_IMAGE089
分层的综合修正系数，本实施例中
Figure DEST_PATH_IMAGE252
、
Figure DEST_PATH_IMAGE253
、
Figure DEST_PATH_IMAGE254
、
Figure DEST_PATH_IMAGE255
、
Figure DEST_PATH_IMAGE256
、
Figure DEST_PATH_IMAGE257
；
Figure DEST_PATH_IMAGE258
为车辙试验试样的厚度，本实施例中
Figure DEST_PATH_IMAGE259
；
Figure DEST_PATH_IMAGE260
为沥青层中第
Figure 582851DEST_PATH_IMAGE089
分层的厚度，本实施例
Figure DEST_PATH_IMAGE261
、
Figure DEST_PATH_IMAGE262
、
Figure DEST_PATH_IMAGE263
、
Figure DEST_PATH_IMAGE264
、
Figure DEST_PATH_IMAGE265
、
Figure DEST_PATH_IMAGE266
；
Figure DEST_PATH_IMAGE267
为沥青层中第
Figure 549539DEST_PATH_IMAGE089
分层沥青混合料对应的车辙深度，本实施 例中
Figure DEST_PATH_IMAGE268
、
Figure DEST_PATH_IMAGE269
、
Figure DEST_PATH_IMAGE270
、
Figure DEST_PATH_IMAGE271
、
Figure DEST_PATH_IMAGE272
、
Figure DEST_PATH_IMAGE273
；
Figure DEST_PATH_IMAGE274
为沥青层中第
Figure 934296DEST_PATH_IMAGE089
分层的深度，本实施例中
Figure DEST_PATH_IMAGE275
、
Figure DEST_PATH_IMAGE276
、
Figure DEST_PATH_IMAGE277
、
Figure DEST_PATH_IMAGE278
、
Figure DEST_PATH_IMAGE279
、
Figure DEST_PATH_IMAGE280
。
步骤6，根据观测期内路面结构温度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，建立路面结构低温开裂裂缝深度计算模型和路面结构低温开裂裂缝长度计算模型，具体包括以下步骤：
步骤6.1，利用万能材料试验机对间接拉伸试件进行间接拉伸试验，设置试验温度为-10℃，测量-10℃条件下间接拉伸试件中各结构层沥青混合料的间接拉伸强度，再将试验温度依次设置为-20℃、-10℃和0℃，分别针对各试验温度，测量不同加载时间下间接拉伸试件中各结构层所用沥青混合料的蠕变柔量，得到-20℃、-10℃和0℃条件下间接拉伸试件中各结构层的沥青混合料蠕变柔量曲线。
步骤6.2，以-20℃作为标准温度，分别针对间接拉伸试件的上面层、中面层和下面层，以-20℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线作为标准曲线，基于时温等效原理，分别确定-20℃、-10℃和0℃条件下沥青混合料蠕变柔量曲线所对应的温度位移系数，并将-20℃、-10℃和0℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线平移至标准曲线处，得到标准温度条件下间接拉伸试件中各结构层沥青混合料的蠕变柔量主曲线，图2所示为间接拉伸试件上面层沥青混合料的蠕变柔量主曲线，图3所示为间接拉伸试件中面层沥青混合料的蠕变柔量主曲线，图4所示为间接拉伸试件下面层沥青混合料的蠕变柔量主曲线。
本实施例中路面结构的裂缝尖端位于沥青层的上面层中，因此仅需利用广义开尔文模型对标准温度条件下间接拉伸试件中上面层的沥青混合料蠕变柔量主曲线进行拟合，得到蠕变柔量计算模型，如式（41）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE281
(41)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE282
为蠕变柔量，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE283
为加载时间，单位为s。
再基于指数函数对标准温度条件下间接拉伸试件中各结构层的沥青混合料蠕变 柔量主曲线进行拟合，确定各结构层所用沥青混合料的蠕变速率
Figure DEST_PATH_IMAGE284
。
步骤6.3，重新对沥青层进行分层，将沥青层内部由上到下按照厚度每2cm划分为90个分层，将沥青层划分为多个分层，将路面结构温度测量装置埋设于各分层内，分别利用路面结构温度测量装置测量各子观测期内低温开裂裂缝尖端处的温度，利用路面裂缝测量装置测量各子观测期末路面结构中低温开裂裂缝的深度和裂缝尖端的位置；
根据路面数据处理装置实时获取路面结构温度测量装置和路面裂缝观测装置的测量数据。针对各子观测期，根据观测期内沥青层中各分层的内部温度，结合路面结构参数和蠕变柔量计算模型，设置沥青层的沥青混合料收缩系数为3.58×10-5/℃，利用ABAQUS有限元软件计算路面结构中裂缝尖端在各子观测期内受到的应力。
本实施例中计算得到第2子观测期内路面结构中裂缝尖端受到的应力为
Figure DEST_PATH_IMAGE285
为 0.84MPa，第3子观测期内路面结构中裂缝尖端受到的应力为
Figure DEST_PATH_IMAGE286
为1.58MPa，从而确定第3子 观测期内的应力强度因子
Figure DEST_PATH_IMAGE287
为203.2。
步骤6.4，设置第1子观测期末路面结构中低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure DEST_PATH_IMAGE288
、第2子观测期末路面结构中低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure DEST_PATH_IMAGE289
；根据路面结构中低温开裂裂缝尖端在各子观测期内受到的应力，结合 低温开裂裂缝尖端所在结构层沥青混合料的间接拉伸强度和蠕变速率，利用路面结构低温 开裂裂缝深度计算模型预测观测期末路面结构中低温开裂裂缝的深度，确定观测期末低温 开裂裂缝的深度
Figure 388149DEST_PATH_IMAGE149
为45mm。
本实施例中路面结构裂缝开裂深度计算模型如式（42）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE290
(42)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE291
(43)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE292
为子观测期的序号，
Figure DEST_PATH_IMAGE293
；
Figure 600824DEST_PATH_IMAGE149
为观测期末低温开裂裂缝深度的预测 值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE294
为第
Figure 133437DEST_PATH_IMAGE292
子观测期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure 863495DEST_PATH_IMAGE151
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE295
子观测期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE296
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE297
子观测期末 低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE298
、
Figure DEST_PATH_IMAGE299
均为沥青混合料断裂参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE300
为第
Figure 719325DEST_PATH_IMAGE292
子 观测期内应力强度因子的变化量；
Figure DEST_PATH_IMAGE301
为第
Figure 40585DEST_PATH_IMAGE292
子观测期的应力强度因子；
Figure DEST_PATH_IMAGE302
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE303
子观测期的应力强度因子；
Figure DEST_PATH_IMAGE304
为路面结构中裂缝尖端在第
Figure 388389DEST_PATH_IMAGE292
子观测期内受到的 应力，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE305
为路面结构中裂缝尖端在第
Figure DEST_PATH_IMAGE306
子观测期内受到的应力，单位 为MPa。
步骤6.5，将预测的观测期末低温开裂裂缝深度的预测值代入路面结构低温开裂 裂缝长度计算模型中，计算得到观测期末路面结构中低温开裂裂缝长度
Figure DEST_PATH_IMAGE307
为150.68m/Km。
步骤6.6，利用路面裂缝观测装置测量测量得到观测期末路面结构中低温开裂裂 缝长度的实测值为160.35m/Km，根据观测期末路面结构中低温开裂裂缝长度的实测值标定 计算值，确定裂缝长度标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE308
，建立路面结构低温开裂裂缝长度预测模型 如式（44）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE309
(44)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE310
(30)
式中，
Figure 509755DEST_PATH_IMAGE178
为观测期末路面结构中低温开裂裂缝长度的预测值，单位为m；
Figure 564299DEST_PATH_IMAGE172
为标 准正态分布在z处的值；
Figure DEST_PATH_IMAGE311
为路面结构中沥青层的厚度，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE312
为裂缝长度计算系 数，取值为400；
Figure 853197DEST_PATH_IMAGE175
为路面结构低温开裂裂缝深度的标准差参数，取值为0.769。
步骤7，根据路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE313
、路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE314
、路面结构车辙深度的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE315
和低温开裂裂缝长度的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE316
，建立路面结构平整度预 测模型，如式（32）所示：
Figure 688298DEST_PATH_IMAGE025
(32)
其中，Ⅱ=
Figure 25739DEST_PATH_IMAGE026
（33）
Ⅲ=
Figure 200368DEST_PATH_IMAGE027
（34）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE317
为路面结构的初始平整度，单位为m/Km，取值为0.75；
Figure DEST_PATH_IMAGE318
为路面结 构平整度的预测值，单位为m/Km；
Figure DEST_PATH_IMAGE319
为路面结构的服役期限，单位为年；
步骤8，观测期结束后，根据交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置的测量数据，利用路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型、路面结构车辙深度预测模型和路面结构裂缝开裂长度预测模型，预测一个月后路面结构的平整度，具体包括以下步骤：
步骤8.1，利用交通轴载测量装置实时获取路面结构上行驶车辆的车型、车速、轴载和轴重，利用路面结构温度测量装置实时获取路面结构沥青层内部各结构层及各分层的内部温度。
步骤8.2，根据路面结构上行驶车辆的车速和沥青层中各结构层的温度，利用沥青混合料动态模量计算模型，计算得到沥青层中各结构层的沥青混合料动态模量。
步骤8.3，利用力学计算软件Bisar3.0计算得到行车荷载通过路面结构时沥青层 的层底应变，结合路面结构疲劳损伤模型计算得到路面结构沥青层的总损伤，再基于路面 结构疲劳损伤裂缝发展预测模型进行计算，得到路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构 表面积百分比的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE320
为6.84以及路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构 长度百分比的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE321
为0.56.
步骤8.4，将路面结构上行驶车辆的轴载转换为标准轴载作用次数，利用力学计算 软件Bisar3.0计算沥青层中各分层的层顶竖向压应力，结合沥青层中分层的内部温度，利 用路面结构车辙深度预测模型计算得到路面结构车辙深度的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE322
为2.7mm。
步骤8.5，利用路面结构温度测量装置测量低温开裂裂缝尖端处的温度，利用 ABAQUS有限元软件计算路面结构中低温开裂裂缝尖端受到的应力，结合低温开裂裂缝尖端 所在结构层沥青混合料的间接拉伸强度和蠕变速率，利用路面结构低温开裂裂缝深度计算 模型计算得到低温开裂裂缝的深度，再基于路面结构低温开裂裂缝长度计算模型，计算得 到路面结构中低温开裂裂缝长度的预测值
Figure 722485DEST_PATH_IMAGE178
为150.68m/Km。
步骤8.6，分别将路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的预测 值
Figure DEST_PATH_IMAGE323
、路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE324
、路面结构车辙深度的预测值
Figure 248144DEST_PATH_IMAGE322
和低温开裂裂缝长度的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE325
代入路面结 构平整度预测模型中，计算得到路面结构平整度IRI的预测值为1.0999。
一个月后通过获取路面结构的平整度，发现采用本发明方法预测的路面结构平整度与实际情况相吻合，验证了本发明方法预测路面结构平整度的准确性，由于高速公路路面结构的平整度综合了车辙深度、疲劳损伤裂缝发展趋势以及低温开裂裂缝发展趋势，能够充分反映路面结构上车辆荷载、疲劳损伤、铺设材料和温度对高速公路路面服役性能的影响，有利于高速公路维修养护方案的制定。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于预测路面结构服役性能的智能系统，其特征在于，包括交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置、路面裂缝测量装置和路面结构服役性能预测装置；
所述交通轴载测量装置埋设于路面结构的沥青层顶部，用于采集高速公路上行驶车辆的车型、车速、轴载和轴重；
所述路面结构力学响应测量装置埋设于路面结构的沥青层底部，用于测量路面结构沥青层的层底应变；
所述路面结构温度测量装置埋设于路面结构沥青层的内部，用于测量路面结构沥青层的内部温度；
所述路面车辙深度测量装置设置于路面结构上方，用于测量路面结构的车辙深度；
所述路面裂缝测量装置设置于路面结构上方，用于测量路面结构中的疲劳损伤裂缝和温度开裂裂缝；
所述路面结构服役性能预测装置分别与交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置相连接，用于实时接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，预测路面结构的平整度。
2.根据权利要求1所述的一种用于预测路面结构服役性能的智能系统，其特征在于，所述路面结构力学响应测量装置为呈阵列分布的沥青应变计，路面结构温度测量装置为温度传感器，路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置均采用高分辨率摄像仪。
3.一种用于预测路面结构服役性能的方法，采用如权利要求1中所述的用于预测路面结构服役性能的智能系统，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1，选取待预测的高速公路，根据高速公路的路面结构参数，制备沥青混合料试样、车辙试验试样和间接拉伸试件；
步骤2，在待预测高速公路的路面结构上安装用于预测路面结构服役性能的智能系统， 设置观测期的总时长，将观测期划分为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
个观测时长为1小时的子观测期，利用路面结构 温度测量装置测量观测期内路面结构沥青层的内部温度，利用交通轴载测量装置测量路面 结构上行驶车辆的车速和轴载，利用路面结构力学响应测量装置测量车辆载荷作用下路面 结构沥青层的层底应变，利用路面车辙深度测量装置测量路面结构的车辙深度，利用路面 裂缝测量装置测量路面结构中的疲劳损伤裂缝和温度开裂裂缝，在观测期内路面结构服役 性能预测装置实时接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测 量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据；
步骤3，利用材料试验机对沥青混合料试样进行单轴压缩动态模量试验，测量不同试验温度和加载频率条件下沥青混合料试样各结构层的动态模量，基于时温等效原理建立沥青混合料动态模量主曲线，确定沥青混合料动态模量计算模型，如式（1）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（3）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为沥青混合料的动态模量，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为加载频率，单位为Hz；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为沥青混 合料的温度，单位为℃；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为沥青混合料的最大限制模量，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure DEST_PATH_IMAGE012
均为沥青混合料动态模量计算模型的模型系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为沥青混合料的矿料间隙率；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为 沥青混合料的沥青饱和度；
交通轴载测量装置记录到观测期内路面结构上总计通过
Figure DEST_PATH_IMAGE015
次行车荷载，针对各次行车 荷载，根据行车荷载通过路面结构时的车速，计算路面结构上车辆的加载频率，如式（4）所 示：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
（4）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为加载频率，单位为Hz；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为路面结构中沥青层的厚度，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为路面结构 上车辆的车速，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；
根据各行车荷载通过路面结构时车辆的加载频率和沥青层中各结构层的内部温度，利用沥青混合料动态模量计算模型，确定各行车荷载通过路面结构时沥青层的沥青混合料动态模量，沥青层的沥青混合料动态模型包括上面层的沥青混合料动态模量、中面层的沥青混合料动态模量和下面层的沥青混合料动态模量；
步骤4，根据观测期内交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，建立路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型；
步骤5，根据观测期内交通轴载测量装置、路面车辙深度测量装置和路面结构温度测量装置的测量数据，建立路面结构车辙深度预测模型；
步骤6，根据观测期内路面结构温度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，建立路面结构低温开裂裂缝深度计算模型和路面结构低温开裂裂缝长度计算模型；
步骤7，根据路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE021
、路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE022
、 路面结构车辙深度的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE023
和低温开裂裂缝长度的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，建立路面结构平整度预 测模型，如式（32）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
(32)
其中，Ⅱ=
Figure DEST_PATH_IMAGE026
（33）
Ⅲ=
Figure DEST_PATH_IMAGE027
（34）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为路面结构的初始平整度，单位为m/Km，取值为0.75；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为路面结构平整 度的预测值，单位为m/Km；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为路面结构的服役期限，单位为年；
步骤8，观测期结束后，根据交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置的测量数据，利用路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型、路面结构车辙深度预测模型和路面结构裂缝开裂长度预测模型，计算得到路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的预测值、路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测值和路面结构车辙深度的预测值，再根据路面结构平整度预测模型，计算得到路面结构的平整度预测值，预测路面结构的平整度。
4.根据权利要求3所述的一种用于预测路面结构服役性能的方法，其特征在于，所述步骤4中具体包括以下步骤：
步骤4.1，将观测期内各行车荷载通过路面结构时车辆的加载频率和沥青层的沥青混合料动态模量输入力学计算软件Bisar3.0中，基于弹性层状理论体系计算得到各行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值；
根据观测期内路面结构力学响应测量装置测量的各次行车荷载通过路面结构时沥青 层层底应变的实测值，利用观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的实测 值对计算值进行标定，确定沥青层的层底应变标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE031
；
步骤4.2，建立路面结构疲劳损伤模型，根据观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值，利用路面结构疲劳损伤模型计算观测期内路面结构沥青层的总损伤，如式（5）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
（5）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
（6）
Figure DEST_PATH_IMAGE034
（7）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为观测时间内路面结构沥青层的总损伤；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为观测时间内行车荷载通过路面 结构的次数；
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE038
次行车荷载通过时路面结构沥青层的损伤；
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为第
Figure 563626DEST_PATH_IMAGE038
次行车荷载 通过时路面结构的疲劳寿命；
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为目标可靠度；
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为季节性冻土地区调整系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为沥青 层的疲劳加载模式系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为沥青层层底应变标定系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为第
Figure 136558DEST_PATH_IMAGE038
次行车荷载通过路面结 构时沥青层层底应变的计算值；
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为温度调整系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为沥青层的疲劳加载模式系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为沥青层的厚度，单位为mm；
步骤4.3，根据观测期内路面结构沥青层的总损伤，建立路面结构疲劳损伤裂缝计算模型，路面结构疲劳损伤裂缝计算模型包括由下至上裂缝计算模型和由上至下裂缝计算模型；
由下至上发展裂缝计算模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
（8）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
（9）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算 值；
Figure DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure DEST_PATH_IMAGE052
均为由下至上发展裂缝计算模型的模型系数；
由上至下发展裂缝计算模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
（10）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值；
根据观测期内路面结构沥青层的总损伤，利用路面结构疲劳损伤裂缝计算模型，确定 路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值
Figure DEST_PATH_IMAGE055
和由上至下 发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值
Figure DEST_PATH_IMAGE056
；
步骤4.4，根据观测期内路面裂缝测量装置测量的路面结构疲劳损伤裂缝，确定观测期 内路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的实测值和由上至下发展裂缝 占路面结构长度百分比的实测值，利用路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百 分比的实测值对由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值进行拟合，得到疲劳 损伤裂缝面积标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE057
，再利用由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的实测值对由 上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值进行拟合，得到疲劳损伤裂缝长度标定系 数
Figure DEST_PATH_IMAGE058
；
步骤4.5，根据疲劳损伤裂缝面积标定系数
Figure 352514DEST_PATH_IMAGE057
和疲劳损伤裂缝长度标定系数
Figure 13302DEST_PATH_IMAGE058
，结合路 面结构疲劳损伤裂缝计算模型，建立路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型，路面结构疲劳 损伤裂缝发展预测模型包括由下至上发展裂缝预测模型和由上至下发展裂缝预测模型；
由下至上发展裂缝预测模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE059
（11）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
（12）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的预测 值；
由上至下发展裂缝预测模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE062
（13）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测值。
5.根据权利要求3所述的一种用于预测路面结构服役性能的方法，其特征在于，所述步骤5中具体包括以下步骤：
步骤5.1，利用车辙试验机对车辙试验试样进行车辙试验，设置车辙试验的实验温度为 60℃、压强为0.7MPa、加载次数为2520次，测量在温度为60℃、压强为0.7MPa条件下加载次 数为2520次后车辙试验试样中各结构层沥青混合料所对应的车辙深度，确定车辙试验试样 上面层中沥青混合料对应的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE064
、中面层中沥青混合料对应的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE065
和下面 层中沥青混合料对应的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE066
；
步骤5.2，根据《公路沥青路面设计规范》中的分层原则，将沥青层内部由上到下划分为m个分层，并在沥青层的各分层内部埋设路面结构温度测量装置，其中，上面层中各分层厚度为10~20mm，中面层中各分层厚度不超过25mm，下面层中各分层厚度不超过100m；
步骤5.3，根据观测期内交通轴载测量装置测量的各行车荷载通过路面结构时的轴载，基于标准轴载作用次数与轴载之间的转换关系，将观测期内各行车荷载通过路面结构时的轴载转换为标准轴载作用次数；
标准轴载作用次数与轴载之间的转换关系如式（14）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE067
（14）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE069
次行车荷载通过路面结构时的标准轴载作用次数；
Figure DEST_PATH_IMAGE070
为第
Figure 676277DEST_PATH_IMAGE069
次行车荷 载通过路面结构时的轴重；
Figure DEST_PATH_IMAGE071
为设计轴载；
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为行车荷载的轮组系数，当车辆为双轮组时
Figure DEST_PATH_IMAGE073
，当车辆为单轮时
Figure DEST_PATH_IMAGE074
；
利用力学计算软件BISAR 3.0，根据沥青层中各结构层的厚度、沥青混合料动态模量和泊松比，计算沥青层中各分层的层顶竖向压应力；
根据观测期内沥青层中各分层的内部温度和层顶竖向压应力，结合观测期内各行车荷载通过路面结构时的标准轴载作用次数以及车辙试验中各结构层沥青混合料所对应的车辙深度，建立路面结构车辙深度计算模型，如式（15）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE075
（15）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE076
为观测期内路面结构的车辙深度，单位为mm；
Figure DEST_PATH_IMAGE077
为观测期内第
Figure DEST_PATH_IMAGE078
次行车荷 载通过路面结构时沥青层第
Figure DEST_PATH_IMAGE079
分层中的车辙深度，单位为mm；
观测期内第
Figure 279165DEST_PATH_IMAGE078
次行车荷载通过时沥青层第
Figure DEST_PATH_IMAGE080
分层中的车辙深度
Figure DEST_PATH_IMAGE081
的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE082
（16）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE083
（17）
Figure DEST_PATH_IMAGE084
（18）
Figure DEST_PATH_IMAGE085
（19）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE086
为观测期内通过路面结构的行车荷载总数；
Figure DEST_PATH_IMAGE087
为沥青层中分层的总层数；
Figure DEST_PATH_IMAGE088
为观测期内沥青层中第
Figure DEST_PATH_IMAGE089
分层的内部温度，单位为℃；
Figure DEST_PATH_IMAGE090
为观测期内沥青层中第
Figure 592204DEST_PATH_IMAGE089
分层的 层顶竖向压应力，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE091
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE092
次行车荷载通过路面结构时的标准轴载作用次 数；
Figure DEST_PATH_IMAGE093
为观测期内沥青层中第
Figure 650158DEST_PATH_IMAGE089
分层的综合修正系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE094
为车辙试验试样的厚度，单位为 mm；
Figure DEST_PATH_IMAGE095
为沥青层中第
Figure 646933DEST_PATH_IMAGE089
分层的厚度，单位为mm；
Figure DEST_PATH_IMAGE096
为路面结构中沥青层的厚度，单位为mm；
Figure DEST_PATH_IMAGE097
为沥青层中第
Figure 233772DEST_PATH_IMAGE089
分层沥青混合料对应的车辙深度，单位为mm，若第
Figure DEST_PATH_IMAGE098
分层位于沥青层 的上面层中，则
Figure DEST_PATH_IMAGE099
，若第
Figure 599155DEST_PATH_IMAGE089
分层位于沥青层的中面层中，则
Figure DEST_PATH_IMAGE100
，若第
Figure 132905DEST_PATH_IMAGE089
分层位于 沥青层的下面层中，则
Figure DEST_PATH_IMAGE101
；
Figure DEST_PATH_IMAGE102
为沥青层中第
Figure 984186DEST_PATH_IMAGE089
分层的深度，单位为mm；
步骤5.4，利用路面结构车辙深度计算模型计算观测期内路面结构的车辙深度，确定观 测期内车辙深度的计算值，再根据观测期内路面车辙深度测量装置测量的车辙深度，确定 观测期内车辙深度的实测值，利用观测期内车辙深度的实测值对车辙深度的计算值进行标 定，确定车辙深度标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE103
；
步骤5.5，基于路面结构车辙深度计算模型，结合车辙深度标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE104
，建立路面结构 车辙深度预测模型，如式（20）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE105
（20）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE106
（21）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE107
为路面结构车辙深度预测值；
Figure DEST_PATH_IMAGE108
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE109
次行车荷载作用在沥青层第
Figure 600981DEST_PATH_IMAGE089
分层 中所产生车辙深度的预测值；
Figure DEST_PATH_IMAGE110
为沥青层中第
Figure 639344DEST_PATH_IMAGE089
分层的内部温度，单位为℃；
Figure DEST_PATH_IMAGE111
为沥青层 中第
Figure DEST_PATH_IMAGE112
分层的层顶竖向压应力，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE113
为第
Figure 507943DEST_PATH_IMAGE038
次行车荷载通过路面结构时的标准 轴载作用次数；
Figure DEST_PATH_IMAGE114
为沥青层中第
Figure 213731DEST_PATH_IMAGE089
分层的综合修正系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE115
为车辙试验试样的厚度，单位 为mm；
Figure DEST_PATH_IMAGE116
为沥青层中第
Figure 611214DEST_PATH_IMAGE089
分层的厚度，单位为mm；
Figure DEST_PATH_IMAGE117
为沥青层中第
Figure 136874DEST_PATH_IMAGE089
分层沥青混合料对应 的车辙深度，单位为mm，若第
Figure 746846DEST_PATH_IMAGE089
分层位于沥青层的上面层中，则
Figure DEST_PATH_IMAGE118
，若第
Figure 41562DEST_PATH_IMAGE089
分层位于 沥青层的中面层中，则
Figure DEST_PATH_IMAGE119
，若第
Figure 609946DEST_PATH_IMAGE089
分层位于沥青层的下面层中，则
Figure DEST_PATH_IMAGE120
；
Figure DEST_PATH_IMAGE121
为沥 青层中第
Figure 888481DEST_PATH_IMAGE089
分层的深度，单位为mm。
6.根据权利要求3所述的一种用于预测高速公路路面结构服役性能的方法，其特征在于，所述步骤6中具体包括以下步骤：
步骤6.1，利用万能材料试验机对间接拉伸试件进行间接拉伸试验，设置试验温度为-10℃，测量-10℃条件下间接拉伸试件中各结构层沥青混合料的间接拉伸强度，再将试验温度依次设置为-20℃、-10℃和0℃，分别针对各试验温度，测量不同加载时间下间接拉伸试件中各结构层所用沥青混合料的蠕变柔量，得到-20℃、-10℃和0℃条件下间接拉伸试件中各结构层的沥青混合料蠕变柔量曲线；
步骤6.2，以-20℃作为标准温度，针对间接拉伸试件的各结构层，以-20℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线作为标准曲线，基于时温等效原理，分别确定-20℃、-10℃和0℃条件下沥青混合料蠕变柔量曲线所对应的温度位移系数，并将-20℃、-10℃和0℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线平移至标准曲线处，得到标准温度条件下间接拉伸试件中各结构层沥青混合料的蠕变柔量主曲线；
利用广义开尔文模型对标准温度条件下间接拉伸试件中各结构层的沥青混合料蠕变柔量主曲线进行拟合，得到蠕变柔量计算模型，如式（22）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE122
(22)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE123
(23)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE124
为蠕变柔量，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE125
为加载时间，单位为s；
Figure DEST_PATH_IMAGE126
、
Figure DEST_PATH_IMAGE127
、
Figure DEST_PATH_IMAGE128
、
Figure DEST_PATH_IMAGE129
均为延迟 时间，单位为s；
Figure DEST_PATH_IMAGE130
、
Figure DEST_PATH_IMAGE131
、
Figure DEST_PATH_IMAGE132
、
Figure DEST_PATH_IMAGE133
、
Figure DEST_PATH_IMAGE134
、
Figure DEST_PATH_IMAGE135
均为蠕变柔量计算模型的拟合系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE136
为0℃条 件下蠕变柔量曲线所对应的温度位移系数；
再基于指数函数对标准温度条件下间接拉伸试件中各结构层的沥青混合料蠕变柔量主曲线进行拟合，确定各结构层所用沥青混合料的蠕变速率；
利用指数函数拟合得到的沥青混合料蠕变柔量主曲线表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE137
(24)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE138
、
Figure DEST_PATH_IMAGE139
均为指数函数拟合系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE140
为沥青混合料的蠕变速率；
步骤6.3，重新对沥青层进行分层，将沥青层内部由上到下划分为w个分层，各分层的厚度为2cm，在各分层内部埋设路面结构温度测量装置，针对各子观测期，分别利用路面结构温度测量装置测量各子观测期内低温开裂裂缝尖端处的温度，利用路面裂缝测量装置测量各子观测期末路面结构中低温开裂裂缝的深度和裂缝尖端的位置；
针对各子观测期，根据观测期内沥青层中各分层的内部温度，结合路面结构参数和蠕变柔量计算模型，利用ABAQUS有限元软件计算路面结构中低温开裂裂缝尖端在各子观测期内受到的应力；
步骤6.4，设置第1子观测期末路面结构中低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure DEST_PATH_IMAGE141
、第2子观测 期末路面结构中低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure DEST_PATH_IMAGE142
；根据路面结构中低温开裂裂缝尖端在 各子观测期内受到的应力，结合低温开裂裂缝尖端所在结构层沥青混合料的间接拉伸强度 和蠕变速率，利用路面结构低温开裂裂缝深度计算模型预测观测期末路面结构中低温开裂 裂缝的深度，确定观测期末低温开裂裂缝的深度；
路面结构低温开裂裂缝深度计算模型如式（25）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE143
(25)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE144
(26)
Figure DEST_PATH_IMAGE145
(27)
Figure DEST_PATH_IMAGE146
(28)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE147
为子观测期的序号，
Figure DEST_PATH_IMAGE148
；
Figure DEST_PATH_IMAGE149
为观测期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位 为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE150
为第
Figure 524648DEST_PATH_IMAGE147
子观测期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE151
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE152
子观测 期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE153
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE154
子观测期末低温开裂裂缝 深度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE155
、
Figure DEST_PATH_IMAGE156
均为沥青混合料断裂参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE157
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE158
子观测期内应力 强度因子的变化量；
Figure DEST_PATH_IMAGE159
为第
Figure 126400DEST_PATH_IMAGE158
子观测期的应力强度因子；
Figure DEST_PATH_IMAGE160
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE161
子观测期的应 力强度因子；
Figure DEST_PATH_IMAGE162
为路面结构中裂缝尖端在第
Figure 662423DEST_PATH_IMAGE158
子观测期内受到的应力，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE163
为路面结构中裂缝尖端在第
Figure DEST_PATH_IMAGE164
子观测期内受到的应力，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE165
为野外标定系 数，取值为6.0；
Figure DEST_PATH_IMAGE166
为路面结构中沥青混合料的劲度模量，取值为10000；
Figure DEST_PATH_IMAGE167
为裂缝尖端所 在结构层沥青混合料的间接拉伸强度，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE168
为裂缝尖端所在结构层沥青混合料的 蠕变速率；
步骤6.5，根据预测的观测期末低温开裂裂缝的深度，利用路面结构低温开裂裂缝长度计算模型，计算观测期末路面结构中低温开裂裂缝的长度，如式（29）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE169
(29)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE170
(30)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE171
为观测期末低温开裂裂缝长度的计算值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE172
为标准正态分布在z 处的值；
Figure DEST_PATH_IMAGE173
为路面结构中沥青层的厚度，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE174
为裂缝长度计算系数，取值为400；
Figure DEST_PATH_IMAGE175
为路面结构中低温开裂裂缝深度的标准差参数，取值为0.769；
步骤6.6，利用路面裂缝观测装置测量观测期末路面结构中低温开裂裂缝的长度，获取 观测期末低温开裂裂缝长度的实测值，通过与路面结构低温开裂裂缝长度的计算值进行标 定，确定裂缝长度标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE176
，建立路面结构低温裂缝开裂长度预测模型，如式（10）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE177
(31)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE178
为观测期末路面结构中低温开裂裂缝长度的预测值，单位为m。
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