一种用于预测沥青路面车辙深度的智能系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于预测沥青路面车辙深度的智能系统，涉及道路工程技术领域，包括交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面数据处理装置。本发明专利技术还提供了一种预测沥青路面车辙深度的方法，制备实验试样，利用单轴压缩动态模量试验建立沥青混合料动态模量计算模型，确定各结构层的沥青混合料动态模量，再利用车辙试验确定各结构层沥青混合料的车辙深度，通过对沥青层内部分层计算各层的层顶竖向压应力，建立路面结构车辙深度计算模型，获取观测期内的车辙深度并与实测值标定后，建立路面结构车辙深度预测模型，预测路面结构的车辙深度。本发明专利技术实现了对路面结构车辙深度的预测，为路面结构的设计及养护提供了依据。养护提供了依据。养护提供了依据。

【技术实现步骤摘要】
一种用于预测沥青路面车辙深度的智能系统及方法


[0001]本专利技术涉及道路工程
，具体涉及一种用于预测沥青路面车辙深度的智能系统及方法。

技术介绍

[0002]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。车辙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。目前，对于沥青路面车辙服役性能的研究尚停留在数据采集阶段，即通过设置相关设备采集诸如车速、轴载、路面结构温度等沥青路面服役性能基础数据，尚未涉及利用采集到的沥青路面服役性能基础数据反映路面车辙服役性能以及预测路面车辙服役性能，从而导致海量的沥青路面服役性能基础数据处于闲置状态，无法为沥青路面的路面结构设计以及养护决策提供有力的科学依据。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在解决上述问题，提供了一种用于预测沥青路面车辙深度的智能系统及方法，利用路面数据处理装置实时接收交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置的测量数据，基于路面结构的车速、轴载、内部温度及车辙深度，预测路面结构的车辙服役性能，为沥青路面的路面结构设计及养护决策制定提供了依据。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于预测沥青路面车辙深度的智能系统，包括交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面数据处理装置；所述交通轴载测量装置埋设于路面结构顶部，用于采集路面结构上行驶车辆的车型、车速、轴载和轴重；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，监测路面结构表面；所述路面数据处理装置分别与交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置和路面车辙深度测量装置相连接，用于存储交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置和路面车辙深度测量装置的测量数据，预测路面结构的车辙深度。
[0005]优选地，所述路面结构温度测量装置为温度传感器。
[0006]优选地，所述路面车辙深度测量装置为高分辨率摄像机。
[0007]一种用于预测沥青路面车辙深度的方法，采用如上所述的用于预测沥青路面车辙深度的智能系统，具体包括以下步骤：步骤1，选取待预测的沥青路面，根据待预测沥青路面中沥青层的结构参数和材料参数，制备沥青混合料试样和车辙试验试样；
步骤2，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，测量在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，基于时温等效原理确定沥青混合料动态模量主曲线，并根据沥青混合料动态模量主曲线，建立沥青混合料动态模量计算模型，如式（1）所示：
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（1）其中，
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（2）
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（3）式中，为沥青混合料的动态模量，单位为MPa；为加载频率，单位为Hz；为沥青混合料的温度，单位为℃；为沥青混合料的最大限制模量，单位为MPa；、、、均为模型系数；为沥青混合料的矿料间隙率；为沥青混合料的沥青饱和度；步骤3，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、中面层中沥青混合料对应的车辙深度和下面层中沥青混合料对应的车辙深度；步骤4，分别对沥青层的上面层、中面层和下面层进行分层，将沥青层内部由上到下划分为m个分层，在待预测沥青路面中安装用于预测沥青路面车辙深度的智能系统，设置观测时长，利用路面结构温度测量装置测量观测期内路面结构中各结构层以及各分层的内部温度，利用交通轴载测量装置测量观测期内路面结构上的车速和轴载，利用车辙深度测量装置测量观测期内路面结构表面的车辙深度；步骤5，根据交通轴载测量装置测量的车速，确定车辆荷载对路面结构的加载频率，如式（4）所示：
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（4）式中，为加载频率，单位为Hz；为沥青路面中沥青层的厚度，单位为m；为沥青路面上车辆的车速，单位为；根据路面结构中各结构层的内部温度以及车辆荷载对路面结构的加载频率，基于沥青混合料动态模量计算模型，分别计算沥青层中上面层、中面层、下面层的沥青混合料动态模量；
再根据交通轴载测量装置测量的轴载，基于标准轴载作用次数与轴载之间的转换关系，将观测期内各次行车荷载通过时路面结构所受到的轴载转换为标准轴载作用次数，确定观测期内各次行车荷载通过时路面结构的标准轴载作用次数；标准轴载作用次数与轴载之间的关系为：
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（5）式中，为第次行车荷载通过时路面结构所受到的标准轴载作用次数；为第次行车荷载的轴重；为设计轴载；为车辆的轮组系数，当车辆为双轮组时，当车辆为单轮时；步骤6，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，结合观测期内各次行车荷载通过时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，建立路面结构车辙深度计算模型，如式（6）所示：
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（6）式中，为观测期内路面结构的车辙深度，单位为mm；为观测期内第次行车荷载作用在沥青层第分层中所产生的车辙深度，单位为mm；观测期内第次行车荷载作用在沥青层第分层中所产生的车辙深度的计算公式为：
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（7）其中，
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（8）
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（9）
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（10）式中，为路面结构所受到的行车荷载作用总次数；为沥青层中分层的总层数；为观测期内沥青层中第分层的内部温度，单位为℃；为观测期内沥青层中第分层的层顶竖向压应力，单位为MPa；为观测期内第次行车荷载通过时路面结构所受到的标准轴载作用次数；为观测期内沥青层中第分层的综合修正系数；为车辙试验试样的
厚度，单位为mm；为沥青层中第分层的厚度，单位为mm；为沥青路面中沥青层的厚度，单位为mm；为沥青层中第分层沥青混合料对应的车辙深度，单位为mm，若第分层位于沥青层的上面层中，则，若第分层位于沥青层的中面层中，则，若第分层位于沥青层的下面层中，则；为沥青层中第分层的深度，单位为mm；步骤7，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；步骤8，基于路面结构车辙深度计算模型，结合车辙深度标定系数，建立路面结构车辙深度预测模型，如式（11）所示：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于预测沥青路面车辙深度的智能系统，其特征在于，包括交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面数据处理装置；所述交通轴载测量装置埋设于路面结构顶部，用于采集路面结构上行驶车辆的车型、车速、轴载和轴重；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，监测路面结构表面；所述路面数据处理装置分别与交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置和路面车辙深度测量装置相连接，用于存储交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置和路面车辙深度测量装置的测量数据，预测路面结构的车辙深度。2.根据权利要求1所述的一种用于预测沥青路面车辙深度的智能系统，其特征在于，所述路面结构温度测量装置为温度传感器。3.根据权利要求1所述的一种用于预测沥青路面车辙深度的智能系统，其特征在于，所述路面车辙深度测量装置为高分辨率摄像机。4.一种用于预测沥青路面车辙深度的方法，采用如权利要求1所述的用于预测沥青路面车辙深度的智能系统，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，根据待预测沥青路面中沥青层的结构参数和材料参数，制备沥青混合料试样和车辙试验试样；步骤2，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，测量在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，基于时温等效原理确定沥青混合料动态模量主曲线，并根据沥青混合料动态模量主曲线，建立沥青混合料动态模量计算模型，如式（1）所示：
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（1）其中，
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（3）式中，为沥青混合料的动态模量，单位为MPa；为加载频率，单位为Hz；为沥青混合料的温度，单位为℃；为沥青混合料的最大限制模量，单位为MPa；、、、均为模型系数；为沥青混合料的矿料间隙率；为沥青混合料的沥青饱和度；步骤3，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、中面层中沥青混合料对应的车辙深度和下面层中沥青混合料对应的车辙深度；步骤4，分别对沥青层的上面层、中面层和下面层进行分层，将沥青层内部由上到下划分为m个分层，在待预测沥青路面中安装用于预测沥青路面车辙深度的智能系统，设置观测时长，利用路面结构温度测量装置测量观测期内路面结构中各结构层以及各分层的内部温度，利用交通轴载测量装置测量观测期内路面结构上的车速和轴载，利用车辙深度测量装置测量观测期内路面结构表面的车辙深度；步骤5，根据交通轴载测量装置测量的车速，确定车辆荷载对路面结构的加载频率，如式（4）所示：
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（4）式中，为加载频率，单位为Hz；为沥青路面中沥青层的厚度，单位为米；为沥青路面上车辆的车速，单位为；根据路面结构中各结构层的内部温度以及车辆荷载对路面结构的加载频率，基于沥青混合料动态模量计算模型，分别计算沥青层中上面层、中面层、下面层的沥青混合料动态模量；再根据交通轴载测量装置测量的轴载，基于标准轴载作用次数与轴载之间的转换关系，将观测期内各次行车荷载通过时路面结构所受到的轴载转换为标准轴载作用次数，确定观测期内各次行车荷载通过时路面结构的标准轴载作用次数；标准轴载作用次数与轴载之间的关系为：
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（5）式中，为第次行车荷载通过时路面结构所受到的标准轴载作用次数；为第次行车荷载的轴重；为设计轴载；为车辆的轮组系数，当车辆为双轮组时，当车辆为单轮时；步骤6，利用力学计算软件BISAR 3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王林，韩文扬，周勇，韦金城，马士杰，吕思忠，
申请(专利权)人：山东高速集团有限公司山东高速股份有限公司，
类型：发明
国别省市：