路面结构承载力连续检测方法与流程

本发明涉及一种承载力连续检测方法，尤其涉及路面结构承载力连续检测方法。

背景技术：

路面结构承载力的检测方法可分为破损检测和非破损检测方法。破损检测方法是直接在路面上钻芯取样判定路面产生破坏的层次和严重程度，然后取样在实验室进行各项试验得到各项计算参数，通过与设计标准相比较估算判定现有路面结构承载力。这种方法不仅费时费力、测试点少，而且野外取样试验局限性大，试验结果与原位材料的性质产生偏差，对现有路面造成了人为损坏。非破损检测方法则是通过测量路面弯沉反映路面结构强度，可分为三个大类：静态弯沉检测方法、稳态弯沉检测方法、模拟行车荷载下弯沉的检测方法。静态弯沉检测方法存在很多不足：加载方式为静态荷载，不能反映真实的路面荷载；卡车前轮对测点有一定影响，不一定能获得稳定的参考点，极大的影响了测量精度和使用范围；每次测量只能得到单点最大弯沉值，无法反映弯沉盆的形状和大小；测量过程为人工操作，操作过程费时费力，不能快速获得弯沉值。稳态弯沉检测方法的不足在于：静力预载较大，改变了路面应力状态，会对测量结果产生一定影响；施加的荷载水平较低，不能代表实际的行车荷载作用；施加的振动频率为低频时，测量比较困难，准确性差，不变的荷载频率有时会产生共振现象，使所测数据失实。模拟行车荷载下弯沉的检测方法的存在以下不足：需要布设传感器，操作比较复杂，费时费力；只能取点测量，不能实现对路面结构弯沉的实时连续检测。

因此，需要提出一种新的路面结构承载力检测方法，能够根据检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值来计算路面结构承载力，无需费时费力，具有操作简便、省时省力，能够连续测量路面结构承载力。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供路面结构承载力连续检测方法，能够根据检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值来计算路面结构承载力，无需费时费力，具有操作简便、省时省力，能够连续测量路面结构承载力。

本发明提供路面结构承载力连续检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

s1：建立检测设备仿真模型；所述检测设备为含有振动轮可跳振的二自由度检测设备；

s2：将路面结构整体等效刚度和所述检测设备机械参数代入仿真模型，获取所述检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值ⅰ，建立路面结构承载力与所述统计值ⅰ之间的加速度-承载力函数关系；

s3：控制检测设备在目标道路进行作业，采集所述检测设备振动轮加速度反馈信号ⅱ，根据所述加速度反馈信号ⅱ获取所述检测设备振动轮加速度反馈信号统计值ⅱ；

s4：将步骤s3中获得的所述统计值ⅱ代入所述加速度-承载力函数关系，得到路面结构承载力的检测值。

进一步，所述步骤s2包括根据如下方法确定检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值ⅰ：

s21：将所述检测设备的机械参数代入仿真模型进行仿真，计算所述检测设备振动轮加速度ⅰ；

s22：根据步骤s21，统计所述检测设备振动轮加速度仿真结果曲线的极小值，计算所述极小值的均方根值，将所述均方根值作为所述检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值ⅰ。

进一步，所述步骤s1中所述检测设备仿真模型，由“机体-地面”二自由度跳振系统动力学方法建立仿真模型；所述“机体-地面”二自由度跳振系统包括符合、跳离和冲击三个运动阶段，

其中，所述符合、跳离和冲击三个运动阶段的系统动力学方法如下所示：

其中，符合运动阶段系统动力学计算采用如下方法：

跳离阶段系统动力学计算采用如下方法：

冲击阶段，因冲击过程持续时间很短，则冲击过程结束时振动轮及随振质量速度计算采用如下方法：

其中，相位角计算采用如下方法：

式中：mj—为机架质量，kg；ml为振动轮质量，kg；mt为随振土体质量，kg；kj为机架刚度，n/m；kt为土体刚度，n/m；cj为机架阻尼，n·s/m；ct为土体阻尼，n·s/m；xj为机架位移，m；xl为振动轮位移，m；xt为土体位移，m；f为激振力幅值，n；ω为激振器转动角速度，rad/s；为相位角，rad；rem为取余函数，t为激振器转动周期，g为重力加速度。

进一步，根据如下方法计算所述随振土体质量：

mt＝(ζ-1)ml(5)

式中，ξ为附加质量系数，

其中，通过如下方法计算所述ξ附加质量系数，

ξ＝1.056-7.25×10^-4b(20≤b≤60)(6)

式中，b为无量纲质量比；

其中，通过如下方法计算所述无量纲质量比b，

式中，ρ为土体密度，r为振动轮接地面的等效圆半径；

其中，通过如下方法计算所述r振动轮接地面的等效圆半径，

式中，r为所述检测设备振动轮半径，l为所述检测设备振动轮宽度，β为土地内摩擦角。

进一步，所述路面结构整体等效刚度k计算方法如下方法所示：

式中，e为土体弹性模量，σ为土体泊松比，β为土的内摩擦角，r为振动轮接地面的等效圆半径。

进一步，所述路面结构承载力与所述检测设备振动轮加速度反馈信号统计值ⅰ之间的加速度-承载力函数关系采用如下方法：

式中e表示路面结构承载力(路面弹性模量)，a表示振动轮加速度反馈信号的统计值。

进一步，步骤s3，根据所述加速度反馈信号ⅱ，统计所述检测设备振动轮加速度ⅱ曲线的极小值，计算所述极小值的均方根值，将所述均方根值作为所述检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值ⅱ。

本发明的有益效果：本发明提供路面结构承载力连续检测方法，能够根据检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值来计算路面结构承载力，无需费时费力，具有操作简便、省时省力，能够连续测量路面结构承载力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明一个实施例的仿真模型符合运动阶段的示意图。

图2为本发明一个实施例的仿真模型跳离运动阶段的示意图。

图3为本发明一个实施例的仿真模型冲击运动阶段的示意图。

图4为本发明一个实施例的仿真模型符合运动阶段开始时激振器相位角的示意图。

图5为本发明一个实施例的仿真模型跳离运动阶段开始时激振器相位角的示意图。

图6为本发明一个实施例的仿真模型冲击运动阶段开始时激振器相位角的示意图。

图7为本发明一个实施例的仿真模型冲击运动阶段接地等效圆半径计算的示意图。

图8为本发明一个实施例的仿真模型仿真运算结果曲线图。

图9振动轮加速度曲线极小值取值示意图。

图10为本发明一个实施例加速度反馈信号的统计值与路面结构承载力的对应关系曲线图。

图11为实测到的振动轮加速度信号反馈信号图。

图12为图11振动轮加速度信号反馈稳定阶段的放大图。

具体实施方式

以下对本发明做出进一步的说明：

本发明提供路面结构承载力连续检测方法，能够根据检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值来计算路面结构承载力，无需费时费力，具有操作简便、省时省力，能够连续测量路面结构承载力。

本发明提供路面结构承载力连续检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

s1：建立检测设备仿真模型；所述检测设备为含有振动轮可跳振的二自由度检测设备；

s2：将路面结构整体等效刚度和所述检测设备机械参数代入仿真模型，获取所述检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值ⅰ，建立路面结构承载力与所述统计值ⅰ之间的加速度-承载力函数关系；

s3：控制检测设备在目标道路进行作业，采集所述检测设备振动轮加速度反馈信号ⅱ，根据所述加速度反馈信号ⅱ获取所述检测设备振动轮加速度反馈信号统计值ⅱ；

s4：将步骤s3中获得的所述检测设备振动轮加速度反馈信号统计值ⅱ代入所述加速度-承载力函数关系，得到路面结构承载力的检测值。

在本实施例中，所述检测设备是振动压路机，本实施例中采用的是国机重工(洛阳)建筑机械有限公司生产的lss220h振动压路机。此外，所述检测设备可以是可以实现跳振工况的检测设备。

在本实施例中，所述步骤s2包括：

s21：将所述检测设备的机械参数代入仿真模型进行仿真，计算所述检测设备振动轮加速度ⅰ；

s22：根据步骤s21，统计所述检测设备振动轮加速度仿真结果曲线的极小值，计算所述极小值的均方根值，将所述均方根值作为所述检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值ⅰ。

在本实施例中的检测设备的参数采用的是国机重工(洛阳)建筑机械有限公司生产的lss220h振动压路机的机械参数，参数表如表(1)所示：

表1洛建lss220h振动压路机机械参数表

在本实施例中，目标道路土基的土质为砂性土，其土体密度ρ＝1.72kg/m³，弹性模量e＝30mpa，土的内摩擦角β＝8.836°，根据《jtgd50-2017公路沥青路面设计规范》，土基泊松比σ＝0.4。

将参数代入方法(5)～式(9)计算得无量纲质量比b＝42.74，随振土体质量为mt＝125kg，土体刚度为kt＝2.92×10⁷n/m，土体阻尼为ct＝2.0×10⁴n·s/m。

在本实施例中，检测时振动压路机运行速度为0.25m/s，振动压路机行驶过接地弦长2b所用时间为1s，考虑到系统初始阶段的不稳定暂态时间需1s，取系统仿真总时间为6s，取1～6s的仿真结果作为仿真结果。将机架质量mj、振动轮质量ml、随振土体质量mt、机架刚度kj、土体刚度kt、机架阻尼cj、土体阻尼ct、激振力幅值f、激振器转动角速度ω和相位角代入方法(1)～式(4)，计算得出机架位移xj、振动轮位移xl和土体位移xt。通过位移对时间的二阶导数求出检测设备振动轮加速度。取出每1s时间内的振动轮加速度曲线，标记出其小于0的极小值记为xi，如图9所示，并计算1s时间内极小值的均方根值作为加速度反馈信号的统计值ⅰ，加速度反馈信号的统计值xrms的计算如下方法所示。

式中，xi为小于0的振动轮加速度极小值，如图9中加黑标记点所示，其中i＝1,2,3...n，n为极小值点的个数。在本实施例中，每1s中有一个加速度反馈信号的统计值xrms。

通过仿真计算结果得出，当使用洛建lss220h振动压路机作为检测设备对路面承载力进行检测时，其振动轮加速度反馈信号的统计值ⅰ与路面结构承载力的加速度-承载力函数关系式计算采用如下方法：

式中e为路面结构承载力，a为振动轮加速度反馈信号的统计值。

控制所述检测设备在目标道路进行检测，通过安装在振动轮上的加速度采集仪采集振动轮加速度，通过加速度传感器传递，获得振动轮加速度反馈信号ⅱ，对所述加速度反馈信号ⅱ进行去噪和拟合处理，根据去噪和拟合后的所述加速度反馈信号，获取所述加速度反馈信号ⅱ的统计值ⅱ。

在本实施例中，将所述加速度反馈信号ⅱ的统计值ⅱ代入方法(10)中，计算得出路面结构承载力，即路面弹性模量。

通过上述设计，可以实现能够根据检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值来计算路面结构承载力，无需费时费力，具有操作简便、省时省力，能够连续测量路面结构承载力。

在本实施例中，所述步骤s1中所述检测设备仿真模型，由“机体-地面”二自由度跳振系统动力学方法建立仿真模型；所述“机体-地面”二自由度跳振系统包括符合、跳离和冲击三个运动阶段，如图1-图3所示，

其中，所述符合、跳离和冲击三个阶段的系统动力学计算方法如(1)-(4)所示：

其中，符合运动阶段系统动力学计算采用如下方法：

跳离阶段系统动力学计算采用如下方法：

冲击阶段，因冲击过程持续时间很短，则冲击过程结束时振动轮及随振质量速度计算采用如下方法：

其中，相位角计算采用如下方法所示：所述相位角在符合、跳离和冲击阶段的示意图如图4-图6所示，

式中：mj—为机架质量，kg；ml为振动轮质量，kg；mt为随振土体质量，kg；kj为机架刚度，n/m；kt为土体刚度，n/m；cj为机架阻尼，n·s/m；ct为土体阻尼，n·s/m；xj为机架位移，m；xl为振动轮位移，m；xt为土体位移，m；f为激振力幅值，n；ω为激振器转动角速度，rad/s；为相位角，rad；rem为取余函数，t为激振器转动周期，g为重力加速度。

在本实施例中，考虑随振土体质量mt是为了提高仿真模型的精确度。

在本实施例中，根据如下方法计算所述随振土体质量，

mt＝(ζ-1)ml(5)

式中，ξ为附加质量系数，

其中，通过如下方法计算所述ξ附加质量系数，

ξ＝1.056-7.25×10^-4b(20≤b≤60)(6)

式中，b为无量纲质量比；

其中，通过如下方法计算所述无量纲质量比b，

式中，ρ为土体密度，r为振动轮接地面的等效圆半径；

其中，通过如下方法计算所述r振动轮接地面的等效圆半径，

式中，r为所述检测设备振动轮半径，l为所述检测设备振动轮宽度，β为土地内摩擦角。

在本实施例中，振动轮与地面的接触面如图7所示，假设振动轮在已压实土基上跳振，土体为完全弹性体，振动轮与地面的接触面近似为矩形，以面积相等为等效条件，如下方法所示。

πr²＝2bl(12)

式中2b为接地弦长，且b＝rsinβ，以此可推出所述等效圆半径r的计算方法如下所示。

在本实施例中，一般认为路面结构为弹性层状本空间体系，可以把路面结构等效成由质量、刚度、阻尼构成的动力学系统。根据动力半空间理论中的方法对等法，推导出了路面结构的模拟参数：刚度、阻尼和附加质量系数。所述路面结构整体等效刚度k计算方法如下方法所示：

式中，e为土体弹性模量，σ为土体泊松比，β为土的内摩擦角，r为振动轮接地面的等效圆半径。

在本实施例中，所述路面结构承载力与所述检测设备振动轮加速度反馈信号统计值ⅰ之间加速度-承载力函数关系如下方法所示：

式中e表示路面结构承载力(路面弹性模量)，a表示振动轮加速度反馈信号的统计值。

在本实施例中，e表示的路面结构承载力，即是路面弹性模量，方法(10)是根据仿真模型中加速度统计值ⅰ和承载力的仿真运算结果得出，所述仿真运算结果曲线图如图8所示。

在本实施例中，步骤s3包括根据所述检测设备振动轮加速度反馈信号ⅱ，统计所述检测设备振动轮加速度ⅱ曲线的极小值，计算所述极小值的均方根值，将所述均方根值作为所述检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值ⅱ。

在本实施例中，所述检测设备振动轮加速度信号采集系统包括加速度传感器和信号采集仪，当然所述加速度传感器和信号采集仪采用现有产品，如东华dh5902动态数据采集仪，东华dh186加速度传感器。

在本实施例中，为了使所述加速度反馈信号ⅱ的采集更加真实准确，本实施例中的东华dh5902动态数据采集仪采样频率为500-1000hz。

在本实施例中，将加速度反馈信号ⅱ导入数学软件中，如mathab，对所述加速度反馈信号ⅱ进行滤波处理；将进行滤波处理后的加速度反馈信号ⅱ导入excel中，对1s内的获得的数据进行拟合，得出同一个单位时间内振动轮加速度有效值。

在本实施例中，振动轮加速度反馈信号ⅱ如图11所示，图12为图11的放大图。统计图11中振动轮加速度反馈信号ⅱ的极小值，计算所述极小值的均方根值，将所述均方根值作为所述检测设备振动轮加速度反馈信号的统计值ⅱ。

将统计值ⅱ代入方法(10)得出路面结构承载力e。控制振动压路机实时连续的作业，通过采集振动轮加速度反馈信号，计算得到加速度统计值，从而实现实时连续检测目标道路结构承载力。

此外，本发明可以根据实际情况选择不同可以实现跳振工况的检测设备，只需根据检测设备的机械参数对模型进行调整，建立不同检测设备振动轮加速度反馈信号统计值与路面结构承载力之间的关系，即可对路面结构承载力进行检测。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。