CN114091313B - 一种用于预测路面低温开裂裂缝长度的方法 - Google Patents

一种用于预测路面低温开裂裂缝长度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于预测路面低温开裂的智能系统，属于道路工程技术领域，包括路面结构温度测量装置、路面裂缝观测装置和路面数据处理装置。本发明还提供了一种用于预测路面低温开裂裂缝长度的方法，通过制备实验试样，利用间接拉伸试验确定各结构层中沥青混合料的蠕变柔量和蠕变速率，设置观测期并对沥青层分层，根据各分层的内部温度和路面结构参数，利用有限元软件计算各子观测期内裂缝尖端所受应力后，基于路面结构低温开裂裂缝深度计算模型确定低温裂缝深度的预测值，再结合路面结构低温开裂裂缝长度预测模型，预测低温开裂裂缝的长度，实现了对路面结构低温开裂情况的预测，能够对路面结构的低温开裂提前预警，保障了路面行车的安全。

Description

一种用于预测路面低温开裂裂缝长度的方法
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低温开裂的智能系统及方法。
背景技术
路面服役性能的预测作为智慧高速公路建设的关键环节，现场需求迫切。路面低温开裂作为损坏沥青路面的主要因素之一，严重影响沥青路面的路面服役性能。路面低温开裂的裂缝长度作为描述路面低温开裂程度的重要参数，是用来预测路面低温开裂情况的重要依据，但是，现阶段关于路面低温开裂的研究尚停留在路面服役性能基础数据采集阶段，鲜有涉及利用采集到的路面服役性能基础数据预测路面低温开裂情况，导致海量的路面服役性能基础数据处于闲置状态，无法定量预测寒潮等低温天气情况下路面结构的低温开裂情况，从而无法保障路面车辆的行车安全。
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低温开裂的智能系统及方法，利用路面数据处理装置实时接收路面结构温度测量装置和路面裂缝观测装置的测量数据，结合间接拉伸试验确定沥青层中各结构层的蠕变柔量主曲线和蠕变速率，根据路面结构低温开裂裂缝深度计算模型预测路面结构低温开裂裂缝深度后，再基于路面结构低温开裂裂缝长度预测模型预测未来路面结构中低温开裂裂缝的长度，综合路面结构低温开裂裂缝深度和长度的预测值，确定未来路面结构中低温开裂裂缝的发展情况。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于预测路面低温开裂的智能系统，包括路面结构温度测量装置、路面裂缝观测装置和路面数据处理装置；
所述路面结构温度测量装置埋设于路面结构内部，用于测量路面结构的内部温度；
所述路面裂缝观测装置设置于路面结构上方，用于监测路面结构的裂缝情况；
所述路面数据处理装置分别与路面结构温度测量装置和路面裂缝观测装置相连接，用于存储路面结构温度测量装置和路面裂缝观测装置的测量数据，预测路面结构开裂的裂缝长度。
优选地，所述路面结构温度测量装置设置为温度传感器。
优选地，所述路面裂缝观测装置设置为高分辨率摄像机。
一种用于预测路面低温开裂裂缝长度的方法，采用如上所述的用于预测路面低温开裂的智能系统，具体包括以下步骤：
步骤1，选取待预测的沥青路面，待预测沥青路面的沥青层中由上到下设置有三个结构层，分别为上面层、中面层和下面层，根据待预测沥青路面的路面结构参数和材料参数，制备间接拉伸试件；
步骤2，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3，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（1）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中，
Figure 723889DEST_PATH_IMAGE002
(2)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为蠕变柔量，单位为MPa；
Figure 375450DEST_PATH_IMAGE004
为加载时间，单位为s；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 951925DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 691342DEST_PATH_IMAGE008
均为延迟时间，单位为s；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 568031DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 859335DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 939417DEST_PATH_IMAGE014
均为拟合系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
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 997372DEST_PATH_IMAGE016
(3)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 213721DEST_PATH_IMAGE018
均为指数函数拟合系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为沥青混合料的蠕变速率；
步骤4，将待预测沥青路面的沥青层由上到下划分为多个分层，将路面结构温度测量装置埋设于各分层内，将路面裂缝观测装置安装于路面结构上方，设置观测期的总时长，并将观测期划分为
Figure 941506DEST_PATH_IMAGE020
个观测时长为1小时的子观测期，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沥青层中低温开裂裂缝尖端处的温度，利用路面裂缝观测装置监测各子观测期末路面结构中低温开裂裂缝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，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5，设置第1子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
、第2子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure 492573DEST_PATH_IMAGE022
；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的低温开裂裂缝深度，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（4）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
(4)
其中，
Figure 36774DEST_PATH_IMAGE024
(5)
Figure DEST_PATH_IMAGE025
(6)
Figure 153635DEST_PATH_IMAGE026
(7)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为子观测期的序号，
Figure 317900DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure 106996DEST_PATH_IMAGE030
为第
Figure 975595DEST_PATH_IMAGE027
子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为第
Figure 87907DEST_PATH_IMAGE032
子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为第
Figure 32860DEST_PATH_IMAGE034
子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 558520DEST_PATH_IMAGE036
均为沥青混合料断裂参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为第
Figure 371755DEST_PATH_IMAGE027
子观测期内应力强度因子的变化量；
Figure 948361DEST_PATH_IMAGE038
为第
Figure 188849DEST_PATH_IMAGE027
子观测期的应力强度因子；
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为第
Figure 998542DEST_PATH_IMAGE040
子观测期的应力强度因子；
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为路面结构中低温开裂裂缝尖端在第
Figure 428518DEST_PATH_IMAGE027
子观测期内受到的应力，单位为MPa；
Figure 249843DEST_PATH_IMAGE042
为路面结构中低温开裂裂缝尖端在第
Figure DEST_PATH_IMAGE043
子观测期内受到的应力，单位为MPa；
Figure 51446DEST_PATH_IMAGE044
为野外标定系数，取值为6.0；
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为路面结构中沥青混合料的劲度模量，取值为10000；
Figure 36851DEST_PATH_IMAGE046
为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，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为低温开裂裂缝尖端所在结构层沥青混合料的蠕变速率；
步骤6，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低温开裂裂缝的长度，如式（8）所示：
Figure 519785DEST_PATH_IMAGE048
(8)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
(9)
式中，
Figure 726775DEST_PATH_IMAGE050
为观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的计算值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为标准正态分布在z处的值；
Figure 387695DEST_PATH_IMAGE052
为路面结构中沥青层的厚度，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE053
为低温开裂裂缝长度计算系数，取值为400；
Figure 906401DEST_PATH_IMAGE054
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，利用路面裂缝观测装置测量观测期末路面结构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，确定低温开裂裂缝长度标定系数，建立路面结构低温开裂裂缝长度预测模型，如式（10）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE055
(10)
式中，
Figure 943758DEST_PATH_IMAGE056
为观测期末路面结构低温开裂裂缝长度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE057
为低温开裂裂缝长度标定系数；
步骤8，观测结束后，利用路面数据处理装置实时获取路面结构温度测量装置的测量数据，基于路面结构低温开裂裂缝深度计算模型预测路面结构的深度，再结合路面结构低温开裂裂缝长度预测模型，预测路面结构中低温开裂裂缝的长度。
优选地，所述路面结构参数包括沥青层厚度、上面层的厚度和泊松比、中面层的厚度和泊松比、下面层的厚度和泊松比，材料参数包括上面层所用沥青混合料的矿料间隙率和沥青饱和度、中面层所用沥青混合料的矿料间隙率和沥青饱和度、下面层所用沥青混合料的矿料间隙率和沥青饱和度。
优选地，所述步骤4中，沥青层中各分层的厚度为2cm。
优选地，所述步骤5中，设置观测期内第1子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure 474096DEST_PATH_IMAGE058
、第2子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure DEST_PATH_IMAGE059
。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明提出一种用于预测路面低温开裂的智能系统，能够实时监测路面结构的内部温度和路面结构中低温开裂裂缝的状态，为预测路面结构中低温开裂裂缝的发展提供了基础数据，实现了对路面结构裂缝开裂深度和长度的实时监测和精确预测。
本发明还提出了一种用于预测路面低温开裂裂缝长度的方法，配合用于预测路面低温开裂的智能系统，有利于预测低温等极端环境下路面结构的低温开裂情况，为提前制定路面低温开裂预警方案提供了依据，保障了路面车辆的行车安全，同时，本发明方法通过准确预测未来路面结构中低温开裂裂缝的深度和长度，为路面结构维修养护方案的制定提供了依据，避免了路面结构中结构性损坏的发生，提高了路面结构的使用效率，延长了路面结构的使用寿命，降低了路面结构的周期性重建及维修次数，极大程度的缓解了因路面维修所造成的交通拥堵，提高了路面结构的通行效率和服务能力，保障了路面结构的顺畅运行。
附图说明
图1为本发明实施例中沥青路面的路面结构。
图2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3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4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。
本发明提出了一种用于预测路面低温开裂的智能系统，包括路面结构温度测量装置、路面裂缝观测装置和路面数据处理装置。
路面结构温度测量装置埋设于路面结构内部，用于测量路面结构的内部温度。路面裂缝观测装置设置于路面结构上方，用于监测路面结构中低温开裂裂缝情况，包括路面结构中低温开裂裂缝的数量和长度。路面数据处理装置分别与路面结构温度测量装置和路面裂缝观测装置相连接，用于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，预测路面结构开裂的裂缝长度。
本发明还提出了一种用于预测路面低温开裂裂缝长度的方法，采用如上所述的用于预测路面开裂的智能系统，具体包括以下步骤：
步骤1，选取待预测的沥青路面，待预测沥青路面的沥青层中由上到下设置有三个结构层，分别为上面层、中面层和下面层，根据待预测沥青路面的路面结构参数和材料参数，制备间接拉伸试件；
步骤2，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3，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（1）所示：
Figure 617502DEST_PATH_IMAGE060
(1)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
(2)
式中，
Figure 571639DEST_PATH_IMAGE062
为蠕变柔量，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为加载时间，单位为s；
Figure 334059DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure DEST_PATH_IMAGE065
、
Figure 312379DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure DEST_PATH_IMAGE067
均为延迟时间，单位为s；
Figure 846260DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 214924DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 46614DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 941758DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 505594DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 158293DEST_PATH_IMAGE014
均为拟合系数；
Figure 872302DEST_PATH_IMAGE068
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_IMAGE069
(3)
式中，
Figure 559635DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure DEST_PATH_IMAGE071
均为指数函数拟合系数；
Figure 91111DEST_PATH_IMAGE019
为沥青混合料的蠕变速率；
步骤4，将待预测沥青路面的沥青层由上到下划分为多个分层，将路面结构温度测量装置埋设于各分层内，将路面裂缝观测装置安装于路面结构上方，设置观测期的总时长，并将观测期划分为
Figure 778575DEST_PATH_IMAGE072
个观测时长为1小时的子观测期，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沥青层中低温开裂裂缝尖端处的温度，利用路面裂缝观测装置监测各子观测期末路面结构中低温开裂裂缝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，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5，设置第1子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure DEST_PATH_IMAGE073
、第2子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure 686488DEST_PATH_IMAGE022
；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的低温开裂裂缝深度，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（4）所示：
Figure 25066DEST_PATH_IMAGE074
(4)
其中，
Figure 461863DEST_PATH_IMAGE075
(5)
Figure DEST_PATH_IMAGE076
(6)
Figure 167782DEST_PATH_IMAGE077
(7)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE078
为子观测期的序号，
Figure 348228DEST_PATH_IMAGE079
；
Figure DEST_PATH_IMAGE080
为观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure 10153DEST_PATH_IMAGE081
为第
Figure 493218DEST_PATH_IMAGE078
子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE082
为第
Figure 545488DEST_PATH_IMAGE083
子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，m；
Figure DEST_PATH_IMAGE084
为第
Figure 654258DEST_PATH_IMAGE085
子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，m；
Figure DEST_PATH_IMAGE086
、
Figure 187002DEST_PATH_IMAGE087
均为沥青混合料断裂参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE088
为第
Figure 965602DEST_PATH_IMAGE078
子观测期内应力强度因子的变化量；
Figure 629802DEST_PATH_IMAGE089
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE090
子观测期的应力强度因子；
Figure 417629DEST_PATH_IMAGE091
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE092
子观测期的应力强度因子；
Figure 601617DEST_PATH_IMAGE093
为路面结构中低温开裂裂缝尖端在第
Figure 551118DEST_PATH_IMAGE078
子观测期内受到的应力，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE094
为路面结构中低温开裂裂缝尖端在第
Figure 437035DEST_PATH_IMAGE083
子观测期内受到的应力，单位为MPa；
Figure 762974DEST_PATH_IMAGE095
为野外标定系数，取值为6.0；
Figure DEST_PATH_IMAGE096
为路面结构中沥青混合料的劲度模量，取值为10000；
Figure 592346DEST_PATH_IMAGE097
为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，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE098
为低温开裂裂缝尖端所在结构层沥青混合料的蠕变速率；
步骤6，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低温开裂裂缝的长度，如式（8）所示：
Figure 978328DEST_PATH_IMAGE099
(8)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE100
(9)
式中，
Figure 367853DEST_PATH_IMAGE101
为观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的计算值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE102
为标准正态分布在z处的值；
Figure 825379DEST_PATH_IMAGE103
为路面结构中沥青层的厚度，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE104
为低温开裂裂缝长度计算系数，取值为400；
Figure 843013DEST_PATH_IMAGE105
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，利用路面裂缝观测装置测量观测期末路面结构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，确定低温开裂裂缝长度标定系数，建立路面结构低温开裂裂缝长度预测模型，如式（10）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE106
(10)
式中，
Figure 478525DEST_PATH_IMAGE107
为观测期末路面结构低温开裂裂缝长度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE108
为低温开裂裂缝长度标定系数；
步骤8，观测结束后，利用路面数据处理装置实时获取路面结构温度测量装置的测量数据，基于路面结构低温开裂裂缝深度计算模型预测路面结构的深度，再结合路面结构低温开裂裂缝长度预测模型，预测路面结构中低温开裂裂缝的长度。
实施例1
本实施例以山东济南地区高速公路沥青路面为例，在高速公路上选取实验路段，采用本发明提出的一种用于预测路面低温开裂裂缝长度的方法预测实验路段的裂缝长度，具体包括以下步骤：
步骤1，选取待预测的沥青路面，实验路段的路面结构如图1所示，路面结构由上到下依次设置有沥青层、粒料层和路基，沥青层总厚度
Figure 807875DEST_PATH_IMAGE109
为180mm，粒料层厚度为34cm，采用34cm级配碎石铺设而成。
路面结构的沥青层中由上到下依次设置有三个结构层，分别为上面层、中面层和下面层，其中，上面层厚度为40mm，泊松比为0.25，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%；中面层厚度为60mm，泊松比为0.25，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%；下面层厚度为80mm，泊松比为0.25，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%。
根据待预测沥青路面的路面结构参数和材料参数，制备间接拉伸试件，用于替代实际路面结构在实验室中进行间接拉伸试验。
步骤2，利用万能材料试验机对间接拉伸试件进行间接拉伸试验，将试验温度设置为-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，得到-10℃条件下上面层沥青混合料的间接拉伸强度为2.54MPa、中面层沥青混合料的间接拉伸强度为2.67MPa、下面层沥青混合料的间接拉伸强度为2.39MPa。再将试验温度依次设置为-20℃、-10℃和0℃，分别针对试验温度为-20℃、-10℃和0℃时，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3，以-20℃作为标准温度，分别针对间接拉伸试件中沥青层的上面层、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（11）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE110
(11)
式中，
Figure 350983DEST_PATH_IMAGE111
为蠕变柔量，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE112
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上面层的沥青混合料蠕变柔量主曲线进行拟合，得到本实施例沥青层中沥青混合料的蠕变速率
Figure 816600DEST_PATH_IMAGE113
。
步骤4，将待预测沥青路面的沥青层由上到下按照厚度每2cm划分为一分层，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，将路面裂缝观测装置安装于路面结构上方，本实施例中路面结构温度测量装置为温度传感器，路面裂缝观测装置为高分辨率摄像机。
设置观测期的总时长为30天，观测期内包含720个子观测期，各子观测期的观测时长为1小时。利用各温度传感器针对各子观测期测量沥青层中低温开裂裂缝尖端处的温度，利用高分辨率摄像机测量确定各子观测期末路面结构中低温开裂裂缝尖端的位置，测量各子观测期末路面结构中低温开裂裂缝的深度。
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低温开裂裂缝尖端在各子观测期内受到的应力，其中，本实施例中计算得到第2子观测期内路面结构中低温开裂裂缝尖端受到的应力为
Figure DEST_PATH_IMAGE114
为0.84MPa，第3子观测期内路面结构中低温开裂裂缝尖端受到的应力为
Figure 809963DEST_PATH_IMAGE115
为1.58MPa，从而确定第3子观测期内的应力强度因子
Figure DEST_PATH_IMAGE116
为203.2。
步骤5，设置第1子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure 111763DEST_PATH_IMAGE117
、第2子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure DEST_PATH_IMAGE118
，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，确定观测期末路面结构中裂缝深度
Figure 707829DEST_PATH_IMAGE119
为45mm。
本实施例中路面结构低温开裂裂缝深度计算模型如式（12）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE120
(12)
其中，
Figure 778685DEST_PATH_IMAGE121
(13)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE122
为自观测期的序号，
Figure 942950DEST_PATH_IMAGE123
；
Figure 715734DEST_PATH_IMAGE119
为观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE124
时，
Figure 600644DEST_PATH_IMAGE125
m，
Figure DEST_PATH_IMAGE126
时，
Figure 978536DEST_PATH_IMAGE127
m，即第1子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值
Figure DEST_PATH_IMAGE128
m，第2子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值
Figure 110440DEST_PATH_IMAGE129
m,
Figure DEST_PATH_IMAGE130
为第
Figure 449148DEST_PATH_IMAGE131
子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE132
为第
Figure 324701DEST_PATH_IMAGE131
子观测期内应力强度因子的变化量；
Figure 88257DEST_PATH_IMAGE089
为第
Figure 63166DEST_PATH_IMAGE131
子观测期的应力强度因子；
Figure 375591DEST_PATH_IMAGE133
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE134
子观测期的应力强度因子；
Figure 54834DEST_PATH_IMAGE135
为路面结构中裂缝尖端在第
Figure 751526DEST_PATH_IMAGE136
子观测期内受到的应力，单位为MPa。
步骤6，将预测的观测期末低温开裂裂缝深度
Figure 897336DEST_PATH_IMAGE119
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 928746DEST_PATH_IMAGE050
为150.68m/Km。
步骤7，利用高分辨率摄像机测量得到观测期末路面结构中低温开裂裂缝长度为160.35m/Km，根据观测期末路面结构的低温开裂裂缝长度的实测值标定路面结构低温开裂裂缝长度的计算值，确定低温开裂裂缝长度标定系数
Figure DEST_PATH_IMAGE137
，建立路面结构低温开裂裂缝长度预测模型。
本实施例中的路面结构低温开裂裂缝长度预测模型如式（14）所示：
Figure 83784DEST_PATH_IMAGE138
(14)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE139
(15)
式中，
Figure 369403DEST_PATH_IMAGE140
为观测期末路面结构低温开裂裂缝长度的预测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE141
为标准正态分布在z处的值；
Figure 14011DEST_PATH_IMAGE142
为路面结构中沥青层的厚度，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE143
为低温开裂裂缝长度计算系数，取值为400；
Figure 549028DEST_PATH_IMAGE144
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8，观测结束后，选取下一观测期，利用路面数据处理装置实时获取路面结构温度测量装置的测量数据， 基于路面结构低温开裂裂缝长度预测模型确定路面结构中裂缝长度的预测值为190.32m/Km，为了验证本方法预测路面结构低温开裂裂缝长度的准确性，在下一观测期末利用路面裂缝观测装置测量路面结构低温开裂裂缝的长度，得到下一观测期末路面结构低温开裂裂缝长度的实测值为193.49m/Km，通过对比路面结构低温开裂裂缝长度的预测值与实测值，发现采用本发明方法预测的路面结构低温开裂裂缝长度的预测值与实测值之间误差较小，本发明方法能够准确预测路面结构低温开裂裂缝的长度，为路面结构低温开裂情况预测提供依据。
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 (4)

1.一种用于预测路面低温开裂裂缝长度的方法，采用一种用于预测路面低温开裂的智能系统，包括路面结构温度测量装置、路面裂缝观测装置和路面数据处理装置；
所述路面结构温度测量装置埋设于路面结构内部，用于测量路面结构的内部温度；
所述路面裂缝观测装置设置于路面结构上方，用于监测路面结构的裂缝情况；
所述路面数据处理装置分别与路面结构温度测量装置和路面裂缝观测装置相连接，用于存储路面结构温度测量装置和路面裂缝观测装置的测量数据，预测路面结构开裂的裂缝长度；
所述路面结构温度测量装置设置为温度传感器，所述路面裂缝观测装置设置为高分辨率摄像机；
其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，选取待预测的沥青路面，待预测沥青路面的沥青层中由上到下设置有三个结构层，分别为上面层、中面层和下面层，根据待预测沥青路面的路面结构参数和材料参数，制备间接拉伸试件；
步骤2，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3，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（1）所示：
Figure 310116DEST_PATH_IMAGE002
(1)
其中，
Figure 758415DEST_PATH_IMAGE004
(2)
式中，
Figure 210256DEST_PATH_IMAGE005
为蠕变柔量，单位为MPa；
Figure 871044DEST_PATH_IMAGE007
为加载时间，单位为s；
Figure 91941DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 179983DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 853541DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 583600DEST_PATH_IMAGE011
均为延迟时 间，单位为s；
Figure 659003DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 917946DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 203434DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 346970DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 401514DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 237883DEST_PATH_IMAGE017
均为拟合系数；
Figure 10667DEST_PATH_IMAGE018
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 426736DEST_PATH_IMAGE019
(3)
式中，
Figure 601365DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 343056DEST_PATH_IMAGE021
均为指数函数拟合系数；
Figure 603136DEST_PATH_IMAGE022
为沥青混合料的蠕变速率；
步骤4，将待预测沥青路面的沥青层由上到下划分为多个分层，将路面结构温度测量装 置埋设于各分层内，将路面裂缝观测装置安装于路面结构上方，设置观测期的总时长，并将 观测期划分为
Figure 947530DEST_PATH_IMAGE023
个观测时长为1小时的子观测期，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沥青层中低温开裂裂缝尖端处的温度，利用路面裂缝观测装置 监测各子观测期末路面结构中低温开裂裂缝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，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5，设置第1子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure 852032DEST_PATH_IMAGE024
、第2子观测期末 路面结构低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure 154837DEST_PATH_IMAGE025
；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，利用观测期末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的低温开裂 裂缝深度，确定观测期末低温开裂裂缝的深度；
观测期末路面结构低温开裂裂缝深度计算模型如式（4）所示：
Figure 246421DEST_PATH_IMAGE026
(4)
其中，
Figure 660085DEST_PATH_IMAGE027
(5)
Figure 413234DEST_PATH_IMAGE028
(6)
Figure 886941DEST_PATH_IMAGE029
(7)
式中，
Figure 590455DEST_PATH_IMAGE030
为子观测期的序号，
Figure 417597DEST_PATH_IMAGE031
；
Figure 421325DEST_PATH_IMAGE032
为观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测 值，单位为m；
Figure 675720DEST_PATH_IMAGE033
为第
Figure 132109DEST_PATH_IMAGE030
子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure 762941DEST_PATH_IMAGE034
为 第
Figure 355597DEST_PATH_IMAGE035
子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure 905527DEST_PATH_IMAGE036
为第
Figure 724578DEST_PATH_IMAGE037
子观 测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m；
Figure 283736DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 871843DEST_PATH_IMAGE039
均为沥青混合料断裂参数；
Figure 592674DEST_PATH_IMAGE040
为第
Figure 633442DEST_PATH_IMAGE030
子观测期内应力强度因子的变化量；
Figure 730711DEST_PATH_IMAGE041
为第
Figure 438904DEST_PATH_IMAGE030
子观测期的应力强度因子；
Figure 330637DEST_PATH_IMAGE042
为 第
Figure 124281DEST_PATH_IMAGE043
子观测期的应力强度因子；
Figure 25241DEST_PATH_IMAGE044
为路面结构中低温开裂裂缝尖端在第
Figure 322361DEST_PATH_IMAGE030
子观测期内 受到的应力，单位为MPa；
Figure 650574DEST_PATH_IMAGE045
为路面结构中低温开裂裂缝尖端在第
Figure 665935DEST_PATH_IMAGE046
子观测期内受到 的应力，单位为MPa；
Figure 370585DEST_PATH_IMAGE047
为野外标定系数，取值为6.0；
Figure 787791DEST_PATH_IMAGE048
为路面结构中沥青混合料的劲度 模量，取值为10000；
Figure 286906DEST_PATH_IMAGE049
为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，单 位为MPa；
Figure 648617DEST_PATH_IMAGE050
为沥青混合料的蠕变速率；
步骤6，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低温开裂裂缝的长度，如式（8）所示：
Figure 766746DEST_PATH_IMAGE051
(8)
其中，
Figure 163092DEST_PATH_IMAGE052
(9)
式中，
Figure 708474DEST_PATH_IMAGE053
为观测期末路面结构低温开裂裂缝长度的计算值，单位为m；
Figure 823061DEST_PATH_IMAGE054
为标准正 态分布在z处的值；
Figure 213722DEST_PATH_IMAGE055
为路面结构中沥青层的厚度，单位为m；
Figure 730154DEST_PATH_IMAGE056
为低温开裂裂缝长度计算 系数，取值为400；
Figure 446437DEST_PATH_IMAGE057
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，利用路面裂缝观测装置测量观测期末路面结构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，确定低温开裂裂缝长度标定系数，建立观测期末路面结构低温开裂裂缝长度预测模型，如式（10）所示：
Figure 48320DEST_PATH_IMAGE058
(10)
式中，
Figure 367306DEST_PATH_IMAGE059
为观测期末路面结构低温开裂裂缝长度的预测值，单位为m；
Figure 607751DEST_PATH_IMAGE060
为低温开裂裂缝 长度标定系数；
步骤8，观测结束后，利用路面数据处理装置实时获取路面结构温度测量装置的测量数据，基于路面结构低温开裂裂缝深度计算模型预测路面结构的深度，再结合路面结构低温开裂裂缝长度预测模型，预测路面结构中低温开裂裂缝的长度。
2.根据权利要求1所述的一种用于预测路面低温开裂裂缝长度的方法，其特征在于，所述路面结构参数包括沥青层厚度、上面层的厚度和泊松比、中面层的厚度和泊松比、下面层的厚度和泊松比，材料参数包括上面层所用沥青混合料的矿料间隙率和沥青饱和度、中面层所用沥青混合料的矿料间隙率和沥青饱和度、下面层所用沥青混合料的矿料间隙率和沥青饱和度。
3.根据权利要求1所述的一种用于预测路面低温开裂裂缝长度的方法，其特征在于，所述步骤4中，沥青层中各分层的厚度为2cm。
4.根据权利要求1所述的一种用于预测路面低温开裂裂缝长度的方法，其特征在于，所 述步骤5中，设置观测期内第1子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure 619569DEST_PATH_IMAGE061
、第2子观测期末路面结构低温开裂裂缝深度的预测值为
Figure 52956DEST_PATH_IMAGE062
。
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