用于测定道路硬度的方法和设备技术

一种用于压实道路材料的设备，包括用于在构建道路期间计算硬度的压实分析仪。所述设备生成每一层道路的动态模量，所述动态模量可用于计算整体有效模量。一种用于测定硬度的方法，包括生成每一层的动态模量以及使用每一层的模量来计算整体有效模量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于测定道路硬度的方法和设备 相关申请的交叉引用 要求 2012 年 4 月 6 日提交的标题为Method of Determining Stiffness (测定 硬度的方法）的序列号为61/621，259的美国临时申请的优先权。 专利技术背景 本公开涉及用于压实道路材料的方法和设备，且更具体来说，涉及用于校准压实 分析仪以及在构建期间测定硬度的方法和设备。 浙青经常用作路面。在浙青铺路过程中，使用各种等级的骨料（aggregate)。骨 料与浙青胶结料（焦油）和沙子混合并加热到大约150°C至169°C，且铺路机铺设热浙青 混合料，并且使用一系列钻孔机（auger)和铲土机将浙青混合料摊平。所述材料在铺设时 由于浙青混合料中的气隙而不够致密。因此，压路机在浙青材料层（本文中称为浙青面层 (asphalt mat))上来回驾驶通过多遍，或以不同方式产生充分压实以形成路面或个别路面 层所需的浙青强度。 在压实期间监控的关键工艺参数中的一者是浙青面层的压实密度。虽然有许多标 准和程序确保达到了所需密度，但是这些标准中的大多数仅需要3-5个密度读数每车道英 里。通常，密度读数将来自所提取的道路核芯（roadway core)。在压实过程期间浙青面层 的密度测量过程麻烦、耗时并且不代表达到了整体压实，除非测量值是通过大量以网格形 式分布的点取得的，因此仅由于成本考虑，这种方式便难以在本领域中实现。不满足目标密 度是不可接受的并且补救措施可导致显著的成本超支。由于不能直接测量密度，因此研究 人员尝试了不同的间接测量方法。这些方法中的一些在标题为Method and Apparatus for Compaction of Roadway Materials (用于压实道路材料的方法和设备）的第8, 190, 338号 美国专利中表示和说明。 硬度同样是直接影响道路路面的负荷承载能力的关键设计因素。路面因车辙、疲 劳裂纹和其他类型危害导致的早期损坏可归因于在压实过程中未达到足够硬度。路面的硬 度通常用术语模量表示。虽然路面性能对硬度的依赖性众所周知，但是在构建路面期间，在 现场很难测量或监控硬度。在路面冷却之后纠正未充分压实的补救措施费钱且耗时。由于 路面设计为具有足够强度和硬度来承载交通负载，因此知道完工路面层的硬度是期望的。 虽然浙青混合料的密度是其质量的一个量度，但是其并不直接提供路面在负载条件下的性 能信息。在另一方面，硬度直接影响路面在交通负载下的性能。因此需要提供用于在压实 过程中测量和监控硬度的设备和方法。 专利技术概述 本文中所公开的设备包括具有传感器的振动式压实机或压路机以及与其相关联 的压实分析仪。压实分析仪具有特征提取模块（feature extraction module)、神经网络模 块和分析仪模块。传感器可包括用于测量压路机的振动响应信号的加速计，且压实分析仪 利用振动响应信号的特性实时生成表示正被压实材料密度的模量信号。另外，压实分析仪 将生成表示路面动态模量的信号。一种使用压路机压实道路段（roadway section)的方法， 压路机具有与其可操作地相关联的压实分析仪，该方法包括将初始输入参数录入到压实分 析仪中以及使压路机在所述道路段的一部分的一层上进行多次通过。所述方法还可包括当 压路机在所述道路段的所述部分的所述层上移动时，通过压路机向所述道路段的所述部分 施加振动能量以及当压路机在所述道路段的层部分上移动时，重复收集压路机的响应振动 信号。附加步骤可包括基于压路机的响应振动信号和录入到压实分析仪中的初始输入参数 通过压实分析仪生成表示估算动态模量的估算模量信号以及在所述道路段的所述部分上 的多个位置处，测量所述道路段的所述层的模量。可将所述多个位置处的测量模量与估算 模量进行比较以确定测量模量与估算模量之间的差。接着，可基于测量模量与估算模量之 间的差调整录入到分析仪的初始输入参数中的选定参数。压实分析仪将生成调整模量输出 信号，所述调整模量输出信号将比估算模量信号更密切地接近于道路段的实际模量。滚压 所述道路段的所述层的剩余部分直到具有调整输入参数的压实分析仪生成所需的调整输 出模量信号为止。在多层道路段的每一层上执行所述方法并且使用每一层的模量来测定所 述多层道路段的有效模量。 另一方法可包括将初始输入参数录入到压实分析仪中以及在道路段的一部分的 一层上进行多次通过。在进行多次通过时可向所述道路段的层的一部分施加振动能量，收 集响应于施加的振动能量生成的压路机的响应振动信号。可将选定的响应振动信号指定为 对应于规定的压实水平，并且在压路机沿着所述道路段的所述部分移动时，将表示响应振 动信号的所述道路段的所述部分的压实水平实时递送到压实分析仪的分析仪模块中。在压 路机沿着所述道路的所述部分滚动时，基于递送的压实水平和初始输入参数，通过压实分 析仪实时生成估算模量。可在所述道路段的所述部分的每一层上的多个位置处对所述道路 段的所述部分进行模量测量以测定每一层上多个位置中的每一个位置处的测量模量。将由 压实分析仪生成的多个位置处的估算模量与所述多个位置处的测量模量进行比较，并且基 于估算模量与测量模量之间的差调整初始输入参数中的选定参数。基于递送的压实水平和 比估算模量更密切地接近于实际模量的调整输入参数实时生成层道路段的调整模量。基于 每一层的模量测定多层道路段的有效模量。 附图简述 图1是具有压实分析仪的压路机的示意图。 图2是压实分析仪组件的示意图。 图3是示例图且显示在一个时间瞬间的频谱特征。 图4是频谱图且显示压路机通过的五秒数据集。 图5显示图4中所表示的信号的功率量。 图6是显示多层道路的截面。 优选实施方式描述 本公开涉及用于压实道路以及用于使用和校准智能浙青压实分析仪（IACA)的方 法和设备。本公开还涉及测定道路的动态模量的方法，道路的动态模量是道路硬度的一个 量度。 图1示意性地显示了 IACA 5, IACA 5是可在路面构建期间在路面的整个长度上实 时连续测量浙青路面密度的装置。当前，本领域中所用的质量控制技术涉及在完工路面上 数个位置处密度的测量或道路核芯（roadway core)的提取。这些方法通常耗时且并未展 现构建的整体质量。并且，所有识别的压实问题在浙青面层冷却之后都不能容易地补救。 近年来，振动式压实机的制造商已引进了数种智能压实（IC)技术。通过机器参 数（振动的幅值和频率、推力的向量化等）的变化达到了土壤和骨料基底两者的均匀压实。 机器参数的动态控制允许仅向未压实区域施加振动能量且因此防止过度压实并确保土壤/ 骨料基底的均匀压实。虽然这些IC技术很有前景，但是仍不能充分评估其性能。另外，这 些IC产品需要购买配备有所述技术的新振动式压实机。 与当今市场上提供的IC技术形成对比，IACA 5是不控制机器行为的任何方面的 测量装置。另外，IACA 5是可在任何现有振动式压实机上改装的独立装置。IACA 5的主要 用途是提供在构建情况下路面上每一个位置处浙青面层密度的实时测量。压路机操作员可 利用该信息来确保均匀压实，处理未压实部分以及防止路面过度压实。 如图1中所示，IACA 5基于振动式压路机（例如振动式压路机10)和下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用压路机压实多层道路段的方法，所述压路机具有与其可操作地相关联的压实分析仪，所述方法包括：将所述道路段的第一层的初始输入参数录入所述压实分析仪中；使所述压路机在所述道路段的一部分的所述第一层上进行多次通过；当所述压路机在所述道路段的所述部分的所述第一层上移动时，通过所述压路机向所述道路段的所述部分的所述第一层施加振动能量；当所述压路机在所述道路段的所述第一层部分上移动时，重复收集所述压路机的响应振动信号；基于所述压路机的所述响应振动信号以及录入到所述压实分析仪中的所述初始输入参数，使用所述压实分析仪生成表示估算模量的估算动态模量信号；在所述道路段的所述部分上的多个位置处，测量所述道路段的所述第一层的动态模量；将所述多个位置处的测量模量与所述估算模量进行比较以确定所述测量模量与所述估算模量之间的差；基于所确定的模量与所述估算模量之间的差来调整录入至所述分析仪的所述初始输入参数中的选定参数，使得由所述压实分析仪生成的调整模量输出信号将比所述估算模量信号更密切地接近于所述道路段的实际模量；以及滚压所述道路段的剩余部分直到具有调整输入参数的所述压实分析仪生成需要的调整输出模量信号为止。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.06 US 61/621,2591. 一种使用压路机压实多层道路段的方法，所述压路机具有与其可操作地相关联的压 实分析仪，所述方法包括： 将所述道路段的第一层的初始输入参数录入所述压实分析仪中； 使所述压路机在所述道路段的一部分的所述第一层上进行多次通过； 当所述压路机在所述道路段的所述部分的所述第一层上移动时，通过所述压路机向所 述道路段的所述部分的所述第一层施加振动能量； 当所述压路机在所述道路段的所述第一层部分上移动时，重复收集所述压路机的响应 振动信号； 基于所述压路机的所述响应振动信号以及录入到所述压实分析仪中的所述初始输入 参数，使用所述压实分析仪生成表示估算模量的估算动态模量信号； 在所述道路段的所述部分上的多个位置处，测量所述道路段的所述第一层的动态模 量； 将所述多个位置处的测量模量与所述估算模量进行比较以确定所述测量模量与所述 估算模量之间的差； 基于所确定的模量与所述估算模量之间的差来调整录入至所述分析仪的所述初始输 入参数中的选定参数，使得由所述压实分析仪生成的调整模量输出信号将比所述估算模量 信号更密切地接近于所述道路段的实际模量；以及 滚压所述道路段的剩余部分直到具有调整输入参数的所述压实分析仪生成需要的调 整输出模量信号为止。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述初始输入参数包括道路材料的混合特性、所 述第一层的估算最小模量（Mld)和估算最大模量（Mt)。3. 根据权利要求1所述的方法，其中（Mld)是规定铺设密度的模量且Mt是达到所述第 一层中所用的所述道路材料的混合标准的目标密度的模量。4. 根据权利要求3所述的方法，还包括： 识别具有最1?功率、最低功率以及在所述最1?功率和所述最低功率之间的等间隔功率 水平的所述响应振动信号；以及 将规定的最小压实水平、最大压实水平和等间隔压实水平指定为对应于具有所述最高 功率、所述最低功率和所述等间隔功率的所述响应振动信号； 将所述压实水平递送到所述压实分析仪的分析仪模块；以及 根据公式Mest = M1JkiJ(C1)+Offin实时生成所述道路段的所述第一层部分的所述估算 模量（Mest)，其中kin是为初始输入参数的初始斜率参数，OfTin是从所述最小估算模量偏移 的估算偏移并且还是初始偏移参数，且C1是递送到所述分析仪模块的所述压实水平。5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述调整步骤包括调整所述初始斜率参数和所述 初始偏移参数，使得所述压实分析仪将根据公式Matu = Mld+ka(U (C1) +offset^生成调整密度 (Matu)，其中ka(U和OfTatu分别为调整斜率参数和调整偏移参数。6. 根据权利要求4所述的方法，其中使用方程动信号的功率，其中fi表示所述给定响应振动信号中包含的多个频率且Si是所述频率的幅 值的平方。7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述初始斜率参数kin由方程式kin = Mt-MwA^1-I 表示，其中1?是压实水平的总数，且其中估算初始偏移为零。8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述调整步骤包括调整所述初始斜率参数和所 述初始偏移参数，且根据公式Matu = M+ka(U (C1) +OfTsetatu生成调整密度（Matu)，其中kadJ和 Offatu分别为调整斜率参数和调整偏移参数。9. 根据权利要求8所述的方法，其中使用 偏移，其中n是测量密度的所述多个位置的数量，Mest是在所述多个位置处的估算模量，M_s是所述多个位置处的测量模量，且使用以下方程式来计算所述调整斜率：10. -种压实方法，包括在道路段的部分的每一附加层上执行权利要求1至5的步骤以 测定所述道路段的每一层的Madj。11. 根据权利要求10所述的方法，还包括基于所述道路段的每一层的Matu测定整体有 效模量Erff。12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述道路是三层道路段，并且使用以下方程式 测定Efiff :其中ELpEL2和EL3分别为层L1、L2和L3的动态模量，且hi、h2和h3为各自层的厚度 并且为校正因子。13. -种测定多层道路的硬度的方法，包括： (a) 使压路机在道路段的第一层上进行多次通过； (b) 使用所述压路机向所述道路段的所述部分的所述第一层施加振动能量； (c) 基于所述压路机的响应振动信号，使用与所述压路机可操作地相关联的压实分析 仪生成估算模量信号； (d) 独立测定所述第一层上的多个位置处的动态模量； (e) 基于所述估算模量与在所述多个位置处独立测定的模量之间的差来调整用于所述 压实分析仪的输入参数中的选定参数以达到比所述估算模量更密切地接近于实际模量的 调整模量； (f) 对所述道路段的每一层执行步骤（a)-(e);以及 (g) 对于所述道路的每一层，使用所述调整模量Matu计算整体模量Erff。14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述独立测定步骤包括： 用落锤式弯沉仪测定所述多个位置处的所述模量。15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述道路是三层道路，并且用下列方程式计算 Eeff :其中ELpEL2和EL3分别是层L1、L2和L3的动态模量，且hi、h2和h3是各自层的厚度， 且C1和C2是校正因子。16. 根据权利要求15所述的方法，其中所述初始输入参数包括道路材料的混合特性、 所述第一层的估算最小模量（Mld)和估算最大模量（Mt)。17. 根据权利要求16所述的方法，其中（Mld)是规定铺设密度的模量且Mt是达到所述 道路...

【专利技术属性】
技术研发人员：赛希·康姆里，穆沙拉夫·扎曼，
申请(专利权)人：俄克拉何马大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US