专利名称：路面结构力学特性系统识别技术的制作方法
技术领域：
本发明属于路基路面无损检测评价技术，尤其涉及一种路面结构力学特性系统识别技术。
背景技术：
20世纪80年代以来，特别是随着举世瞩目的美国战略性公路研究计划(SHRP)的实施，公路无损检测技术的研发与应用在国际上受到日益广泛的重视。但总体上应用理论研究和配套软件开发始终滞后于高科技检测设备的研制，其中路基路面材料特性反演问题一直阻碍着落锤式弯沉仪等无损检测技术的发展。
由于我国高速公路建设起步较晚，路基路面检测评价技术发展缓慢。路基路面承载力检测一直沿用五十年代引进的以人工操作为主的传统方法。虽然不少单位先后引进了落锤式弯沉仪等公路无损检测设备，但由于缺乏配套技术和软件，造成大量设备不能充分发挥作用。
路面弯沉是路面施工质量检测、承载能力评价及补强设计中的重要技术指标之一。至今，路面弯沉检测技术已经从静力弯沉检测发展到模拟行车荷载作用的动力弯沉检测阶段，从单点弯沉检测发展到路面弯沉盆检测，相应地，路面结构性能评价也从路面整体强度评价发展到路面结构层力学特性反算和应力应变状态分析，并将过去仅局限于沥青混凝土路面结构的弯沉指标，应用于水泥混凝土路面结构的分析评价之中。
因此，深入研究路基路面材料特性反演理论对公路无损检测技术的发展与应用具有重大推动作用，不仅意义重大，而且符合我国高速公路建设与养护的迫切需要。
根据落锤式弯沉仪检测结果反算路面结构层模量在国际上已开展了二十多年的研究。现有研究成果大致可分为两类数据库法和迭代法。
(1)数据库法数据库法基本原理首先根据路面结构层厚度和模量大致范围建立一个弯沉盆数据库，然后利用Lagrange插值和模式搜索数据拟合方法确定一组模量，目标是使计算弯沉盆与落锤式弯沉仪实测结果之间的误差达到最小。
数据库法以数据拟合为目标，求解比较稳定，但理论上没有反映反问题的本质，在应用上也有一定的局限性。一方面数据库不具有通用性，另一方面不适用于动力反分析和非线性反分析。
(2)迭代法迭代法的研究成果较为丰富，目前国际上常见的较有影响的模量反算软件大都采用迭代法。迭代法的关键在于如何保证计算过程的稳定性。现有成果对初始值的选取要求苛刻。初值选取不当可能导致反演过程不收敛或反演结果不唯一，其根本原因在于未能解决反演过程存在的“病态”问题。
可以看出，国际上围绕路面结构力学特性反演问题的研究虽已取得了较为丰富的成果，但至今仍有不少问题没有得到很好解决，严重影响着落锤式弯沉仪应用技术的发展。现存主要问题有(1)反演方法现有路面结构反演方法存在的主要问题是没有考虑反演方程的“病态”问题，造成反演过程不稳定或反演结果不唯一。迭代法反算软件通常对初始值的选取比较敏感，初始值选取不当，有可能使反演过程不收敛，或反演结果与初始值有关，其根本原因在于未能有效地处理反演方程的“病态”问题。
(2)水泥混凝土路面反演目前关于路面结构力学特性反演方面的研究成果主要针对沥青混凝土路面，普遍采用层状弹性体理论。由于水泥混凝土路面力学模型方面的困难，关于水泥混凝土路面力学特性反演方面的研究成果较少，特别是多层体系上多块板的动力反演问题目前尚未见到相关成果。
(3)动力反演现有的路面结构力学特性反算软件大多以层状弹性体理论为正演模型，采用落锤式弯沉仪测试的路面弯沉盆数据进行拟静力反演。如何考虑路面结构的动力特性和路面材料的粘弹特性，利用落锤式弯沉仪采集的时程信息来反演路面结构层动态参数是一个尚未解决的课题。
(4)非线性反演目前关于路面结构层模量反演问题的研究一般都假定路基路面材料符合线弹性模型，没有考虑材料的非线性特性。如何建立合理的路面结构非线性模型，目前的研究还不够深入。特别是动力非线性反演方面的研究成果更为少见。
发明内容
本发明针对路面结构力学特性反演存在的上述问题，创建了路面结构力学特性系统识别技术，研究了多层地基上多块板水泥混凝土路面模型、粘弹性动力模型和非线性模型，建立了基于多块板相互作用的水泥混凝土路面力学特性系统识别技术、路面粘弹动力特性系统识别技术和应力非线性特性系统识别技术。
本发明的解决方案是一种路面结构力学特性系统识别技术，(1)利用落锤式弯沉仪检测系统对路面进行现场试验，观测路面结构在已知荷载作用下的弯沉盆信息；(2)建立了反映路面结构材料特性的力学模型，计算在相同荷载作用下相应于落锤式弯沉仪传感器位置处的弯沉；(3)建立了基于灵敏度分析的路面结构反演方程，利用奇异值分解技术解决了反演方程的“病态”问题；实现方法如下设路面结构力学模型可表示为Wc＝f(E1，E2，……En；x) (1)其中x为空间变量，这里用来表示传感器距荷载中心处的距离，Wc表示计算弯沉向量，E1……En表示n个需反算的力学特性参数；第k个传感器的弯沉值Wk可表示为Wk＝fk(E) (2)式中E表示向量{E1…En}T将上式用泰勒级数展开，并取其一阶近似量，则有fk(E+ΔE)＝fk(E)+fkΔE (3)上式可写为
ek=fk(E+ΔE)-fk(E)]]>=▿fk·ΔE=∂fk∂E1ΔE1+∂fk∂E2ΔE2+······+∂fk∂EnΔEn]]>(4)如果用fk(E)代表实测弯沉，fk(E+ΔE)代表调整力学特性参数后的计算弯沉，ΔE表示力学特性参数的调整量，则ek表示力学特性参数调整后计算弯沉与实测弯沉之间的误差量；对不同传感器处建立上述方程，则有e1=∂f1∂E1ΔE1+∂f1∂E2ΔE2+······∂f1∂EnΔEn]]>e2=∂f2∂E1ΔE1+∂f2∂E2ΔE2+······∂f2∂EnΔEn---(5)]]>………………em=∂fm∂E1ΔE1+∂fm∂E2ΔE2+······∂fm∂EnΔEn]]>将上述方程组两边除以fk，使方程变成无量纲的方程组，则有e1f1=∂f1∂E1·E1f1·ΔE1E1+∂f1∂E2·E2f1·ΔE2E2+······+∂f1∂En·Enf1·ΔEnEn]]>e2f2=∂f2∂E1·E1f2·ΔE1E1+∂f2∂E2·E2f2·ΔE2E2+······+∂f2∂En·Enf2·ΔEnEn---(6)]]>………………emfm=∂fm∂E1·E1fm·ΔE1E1+∂fm∂E2·E2fm·ΔE2E2+······+∂fm∂En·Enfm·ΔEEn]]>将上式表示为矩阵或向量形式，即r=[e1f1,e2f2,e3f3······emfm]T]]>F＝[Fki]Fki=∂fk∂Ei·Eifk]]>k＝1，2……m；i＝1，2……n
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建立了基于多块板相互作用的水泥混凝土路面力学特性系统识别技术，所述建立的路面结构力学模型为多块板的力学模型，假定板与板之间的联系通过接缝处的剪力来实现，以传荷效率e＝w′/w表示接缝传递形式，建立了不同形式地基上多块板相互作用的水泥路面计算模型；在粘弹性层状地基模型中，引入复阻尼理论，求解了粘弹性地基的动力刚度矩阵，并将其耦合到板的动力方程中；应用该模型和落锤式弯沉仪时程信息分别在频域和时域反演了水泥混凝土路面的动力特性参数。
建立了沥青混凝土路面粘弹动力特性系统识别技术，所述建立的路面力学模型为沥青面层采用双参数蠕变柔量模型E(t)＝E1t-m，基层和路基采用复阻尼模型E*(ω)＝E(1+i2β)；在频域内，将单频响应曲线作为拟合目标，完成了粘弹特性动力反演；在时域内，采用Rayleigh阻尼模型，将弯沉动力时程曲线作为拟合目标，完成了粘弹特性动力反演。
建立了路面结构层应力非线性特性系统识别技术，所述建立的路面结构力学模型是针对路面材料非线性的实际特点，分别选用体应力模型和双线性模型进行反演分析，即体应力模型Er=k1(θ)k2]]>其中Er——回弹模量θ——体应力θ＝(σ1+σ2+σ3)k1、k2——参数，均为正值双线性模型当σd＜k2Er＝k1+k3(k2-σd)当σd＞k2Er＝k1-k4(σd-k2)其中k1、k2、k3、k4为参数；利用某实际基层测试弯沉盆，将基层设为体应力非线性、地基层设为线弹性、路基设为双线性模型。
本发明通过以上技术方案解决了路面结构力学特性反演存在的问题，创建了路面结构力学特性系统识别技术。本发明在学术上丰富和发展了路面结构反演理论，在应用上对于检测和控制路基路面施工质量、科学评价路面结构承载能力具有重大实用价值，对于落锤式弯沉仪无损检测技术的发展将起有力的推动作用。当前，我国高等级公路建设正处于迅速发展阶段，公路建设质量受到各级政府的高度重视和全社会的广泛关注。现行的路基路面检测与评价技术水平总体还比较落后，难以满足公路建设与养护管理的实际需要。因此，本发明对于提高我国公路检测与评价技术水平具有重要作用，在保障工程质量、制定养护决策等方面具有显著的经济社会效益。
图1是路面结构力学特性系统识别技术流程图；图2是多块板的力学模型图。
具体实施例方式
实施例本发明的具体实施方式
包括以下具体内容1、路面结构力学特性系统识别技术本发明以系统识别原理和灵敏度分析理论为基础，创建了路面结构力学特性系统识别技术，利用奇异值分解技术解决了反演方程的“病态”问题。该技术基本实施过程如图1所示。
(1)利用落锤式弯沉仪检测系统对路面进行现场试验，观测路面结构在已知荷载作用下的弯沉盆信息；(2)建立了反映路面结构材料特性的力学模型，计算在相同荷载作用下相应于落锤式弯沉仪传感器位置处的弯沉；(3)建立了基于灵敏度分析的路面结构反演方程，利用奇异值分解技术解决了反演方程的“病态”问题；实现方法如下设路面结构力学模型可表示为Wc＝f(E1，E2，……En；x) (1)其中x为空间变量，这里用来表示传感器距荷载中心处的距离，Wc表示计算弯沉向量，E1……En表示n个需反算的力学特性参数；第k个传感器的弯沉值Wk可表示为Wk＝fk(E) (2)式中E表示向量{E1…En}T将上式用泰勒级数展开，并取其一阶近似量，则有fk(E+ΔE)＝fk(E)+fkΔE (3)上式可写为ek=fk(E+ΔE)-fk(E)]]>=▿fk·ΔE=∂fk∂E1ΔE1+∂fk∂E2ΔE2+······+∂fk∂EnΔEn---(4)]]>如果用fk(E)代表实测弯沉，fk(E+ΔE)代表调整力学特性参数后的计算弯沉，ΔE表示力学特性参数的调整量，则ek表示力学特性参数调整后计算弯沉与实测弯沉之间的误差量；对不同传感器处建立上述方程，则有e1=∂f1∂E1ΔE1+∂f1∂E2ΔE2+······∂f1∂EnΔEn]]>e2=∂f2∂E1ΔE1+∂f2∂E2ΔE2+······∂f2∂EnΔEn---(5)]]>………………em=∂fm∂E1ΔE1+∂fm∂E2ΔE2+······∂fm∂EnΔEn]]>将上述方程组两边除以fk，使方程变成无量纲的方程组，则有e1f1=∂f1∂E1·E1f1·ΔE1E1+∂f1∂E2·E2f1·ΔE2E2+······+∂f1∂En·Enf1·ΔEnEn]]>e2f2=∂f2∂E1·E1f2·ΔE1E1+∂f2∂E2·E2f2·ΔE2E2+······+∂f2∂En·Enf2·ΔEnEn---(6)]]>………………emfm=∂fm∂E1·E1fm·ΔE1E1+∂fm∂E2·E2fm·ΔE2E2+······+∂fm∂En·Enfm·ΔEEn]]>将上式表示为矩阵或向量形式，即r=[e1f1,e2f2,e3f3······emfm]T]]>F＝[Fki]Fki=∂fk∂Ei·Eifk]]>k＝1，2……m；i＝1，2……nα=[ΔE1E1,ΔE2E2,······ΔEnEn]T]]>则方程(6)可表示为变为r＝Fα (7)误差向量r可由模型计算弯沉和实测弯沉完全确定，矩阵F为灵敏度矩阵，其中的元素Fki表示第k个传感器处的弯沉对第i个力学特性参数的敏感性，可采用数值计算方法建立；方程(7)采用奇异值分解技术进行求解，其中任何一个m×n阶矩阵A(m≥n)都可以分解为m×n阶正交矩阵U，n×n阶对角矩阵w和n×n阶正交矩阵v的转置VT的乘积，即A＝U·W·VT(8)其中UTU＝VTV＝E wi≥0 (i＝1，2，…，n)矩阵F的条件数r＝wmax/wmin反映了矩阵的奇异性。当r无穷大，即wmin＝0时，矩阵是奇异的，当r较大但非无穷时，矩阵是病态矩阵；因此，奇异值分解理论不仅可以诊断方程是否病态，而且可以通过消去最小奇异值给出方程的稳定解答。
2、基于多块板相互作用的水泥混凝土路面力学特性系统识别技术本发明建立了基于多块板相互作用的水泥混凝土路面力学特性系统识别技术。在粘弹性层状地基模型中，引入复阻尼理论，求解了粘弹性地基的动力刚度矩阵，并将其耦合到板的动力方程中。应用该模型和落锤式弯沉仪时程信息分别在频域内和时域内反演了水泥混凝土路面的动力特性参数。
假定板与板之间的联系通过接缝处的剪力来实现，以传荷效率e＝w′/w表示接缝传递形式，建立了不同形式地基上多块板相互作用的水泥混凝土路面计算模型。建立的多块板的力学模型如图2所示。
以系统识别原理为基础，本发明分别完成了多块板相互作用下温克勒、半无限空间、多层弹性体地基水泥混凝土路面材料特性动力、静力反演，部分结果见表1和表2。
表1 温克勒地基板反演结果
表2 层状地基板反演结果
3、沥青混凝土路面粘弹动力特性系统识别技术本发明针对实际沥青混凝土路面的粘弹特性，建立了沥青混凝土路面的粘弹性动力模型，并建立了沥青混凝土路面粘弹动力特性系统识别技术。沥青面层采用双参数蠕变柔量模型E(t)＝E1t-m，基层和路基采用复阻尼模型E*(ω)＝E(1+i2β)。在频域内，将单频响应曲线作为拟合目标，完成了粘弹特性动力反演，结果如表3；在时域内，采用Rayleigh阻尼模型，将弯沉动力时程曲线作为拟合目标，完成了时域粘弹动力反演。
表3 路面材料粘弹特性参数反演结果
4、路面结构层应力非线性特性系统识别技术本发明针对路面材料非线性的实际特点，分别选用体应力模型和双线性模型，建立了路面结构层非线性特性统识别技术；即体应力模型Er=k1(θ)k2]]>其中Er——回弹模量θ——体应力θ＝(σ1+σ2+σ3)k1、k2——参数，均为正值双线性模型当σd＜k2Er＝k1+k3(k2-σd)当σd＞k2E1＝k1-k4(σd-k2)其中k1、k2、k3、k4为参数。
利用某实际基层测试弯沉盆，将基层设为体应力非线性、地基层设为线弹性、路基设为双线性模型，反演后得到的非线性模量分布如表4。
表4 多层非线性反算模量(MPa)沿深度和径向距离的变化
权利要求
1.一种路面结构力学特性系统识别技术，其特征是(1)利用落锤式弯沉仪检测系统对路面进行现场试验，观测路面结构在已知荷载作用下的弯沉盆信息；(2)建立了反映路面结构材料特性的力学模型，计算在相同荷载作用下相应于落锤式弯沉仪传感器位置处的弯沉；(3)建立了基于灵敏度分析的路面结构反演方程，利用奇异值分解技术解决了反演方程的“病态”问题；实现方法如下设路面结构力学模型可表示为Wc＝f(E1，E2，……En；x) (1)其中x为空间变量，这里用来表示传感器距荷载中心处的距离，Wc表示计算弯沉向量，E1……En表示n个需反算的力学特性参数；第k个传感器的弯沉值Wk可表示为Wk＝fk(E) (2)式中E表示向量{E1…En}T将上式用泰勒级数展开，并取其一阶近似量，则有fk(E+ΔE)＝fk(E)+fkΔE (3)上式可写为ek=fk(E+ΔE)-fk(E)]]>=▿fk·ΔE=∂fk∂E1ΔE1+∂fk∂E2ΔE2+······+∂fk∂EnΔEn---(4)]]>如果用fk(E)代表实测弯沉，fk(E+ΔE)代表调整力学特性参数后的计算弯沉，ΔE表示力学特性参数的调整量，则ek表示力学特性参数调整后计算弯沉与实测弯沉之间的误差量；对不同传感器处建立上述方程，则有e1=∂f1∂E1ΔE1+∂f1∂E2ΔE2+······∂f1∂EnΔEn]]>e2=∂f2∂E1ΔE1+∂f2∂E2ΔE2+······∂f2∂EnΔEn---(5)]]>………………em=∂fm∂E1ΔE1+∂fm∂E2ΔE2+······∂fm∂EnΔEn]]>将上述方程组两边除以fk，使方程变成无量纲的方程组，则有e1f1=∂f1∂E1·E1f1·ΔE1E1+∂f1∂E2·E2f1·ΔE2E2+······+∂f1∂En·Enf1·ΔEnEn]]>e2f2=∂f2∂E1·E1f2·ΔE1E1+∂f2∂E2·E2f2·ΔE2E2+······+∂f2∂En·Enf2·ΔEnEn---(6)]]>………………emfm=∂fm∂E1·E1fm·ΔE1E1+∂fm∂E2·E2fm·ΔE2E2+······+∂fm∂En·Enfm·ΔEnEn]]>将上式表示为矩阵或向量形式，即r=[e1f1,e2f2,e3f3······emfm]T]]>F＝[Fki]Fki=∂fk∂Ei·Eifkk=1,2······m;i=1,2······n]]>α=[ΔE1E1,ΔE2E2,······ΔEnEn]T]]>则方程(6)可表示为变为r＝Fα (7)误差向量r可由模型计算弯沉和实测弯沉完全确定，矩阵F为灵敏度矩阵，其中的元素Fki表示第k个传感器处的弯沉对第i个力学特性参数的敏感性，可采用数值计算方法建立；方程(7)采用奇异值分解技术进行求解，其中任何一个m×n阶矩阵A(m≥n)都可以分解为m×n阶正交矩阵U，n×n阶对角矩阵w和n×n阶正交矩阵v的转置VT的乘积，即A＝U·W·VT(8)其中UTU＝VTV＝E 矩阵F的条件数r＝wmax/wmin反映了矩阵的奇异性。当r无穷大，即wmin＝0时，矩阵是奇异的，当r较大但非无穷时，矩阵是病态矩阵；因此，奇异值分解理论不仅可以诊断方程是否病态，而且可以通过消去最小奇异值给出方程的稳定解答。
2.根据权利要求1所述的路面结构力学特性系统识别技术，其特征是建立了基于多块板相互作用的水泥混凝土路面力学特性系统识别技术，所述建立的路面结构力学模型为多块板的力学模型，假定板与板之间的联系通过接缝处的剪力来实现，以传荷效率e＝w′/w表示接缝传递形式，建立了不同形式地基上多块板相互作用的水泥路面计算模型；在粘弹性层状地基模型中，引入复阻尼理论，求解了粘弹性地基的动力刚度矩阵，并将其耦合到板的动力方程中；应用该模型和落锤式弯沉仪时程信息分别在频域和时域反演了水泥混凝土路面的动力特性参数。
3.根据权利要求1所述的路面结构力学特性系统识别技术，其特征是建立了沥青混凝土路面粘弹动力特性系统识别技术，所述建立的路面力学模型为沥青面层采用双参数蠕变柔量模型E(t)＝E1t-m，基层和路基采用复阻尼模型E*(ω)＝E(1+i2β)；在频域内，将单频响应曲线作为拟合目标，完成了粘弹特性动力反演；在时域内，采用Rayleigh阻尼模型，将弯沉动力时程曲线作为拟合目标，完成了粘弹特性动力反演。
4.根据权利要求1所述的路面结构力学特性系统识别技术，其特征是建立了路面结构层应力非线性特性系统识别技术，所述建立的路面结构力学模型是针对路面材料非线性的实际特点，分别选用体应力模型和双线性模型进行反演分析，即体应力模型Er=k1(θ)k2]]>其中Er——回弹模量θ——体应力θ＝(σ1+σ2+σ3)k1、k2——参数，均为正值双线性模型当σd＜k2Er＝k1+k3(k2-σd)当σd＞k2Er＝k1-k4(σd-k2)其中k1、k2、k3、k4为参数；利用某实际基层测试弯沉盆，将基层设为体应力非线性、地基层设为线弹性、路基设为双线性模型。
全文摘要
本发明公开了一种路面结构力学特性系统识别技术，该技术以系统识别原理和灵敏度分析理论为基础，建立了路面结构反演分析的基本方法，利用奇异值分解技术解决了反演方程的“病态”问题。针对不同路面结构的力学特性，研究了多层地基上多块板水泥混凝土路面模型、粘弹性动力模型和非线性模型，建立了基于多块板相互作用的水泥混凝土路面力学特性系统识别技术、路面粘弹动力特性系统识别技术和应力非线性特性系统识别技术。本发明在学术上丰富和发展了路面结构反演理论，在应用上对于检测和控制路基路面施工质量、科学评价路面结构承载能力具有重大实用价值，对于推动落锤式弯沉仪无损检测技术的发展和提高我国公路检测与评价技术水平具有重要作用。
文档编号E01C23/00GK1880576SQ20051001769
公开日2006年12月20日 申请日期2005年6月16日 优先权日2005年6月16日
发明者王复明, 刘文廷, 钟燕辉, 蔡迎春, 张蓓, 李强 申请人:郑州大学