一种基于沥青表面层当量温度的路面构造深度指标的温度修正方法与流程

本发明主要涉及路面检测领域，主要涉及一种基于沥青表面层当量温度的路面构造深度指标的温度修正方法。
背景技术：
：路面抗滑性能是决定沥青路面质量和行车安全的主要因素之一，是路面服役性能的重要组成部分。而沥青路面构造深度是路面抗滑性评价的重要指标，因此，对路面构造深度进行检测和控制具有重要现实意义。沥青路面的抗滑性能与表面形貌紧密相关，主要由路面的微观纹理构造与宏观纹理构造决定，有研究表明，微观构造主要影响低速且干燥时的沥青路面抗滑性能，宏观构造主要影响高速或者路面潮湿时的沥青路面抗滑性能。路面构造深度是目前路面表面功能的重要体现，实际工程中常常采用铺砂法进行路面构造深度的检测。它分为手工铺砂法和电动铺砂法两种，铺砂法具有随机选点，定点测量，操作简单，仪器便于携带的特点。季节更替导致的温度变化，对沥青路面的抗滑性能会产生重要影响，由于沥青为感温材料，相对水稳层及其他层位的材料组成，沥青面层更容易受到温度变化的影响，同时，温度对沥青路面抗滑性能影响是有限的，具备有一定的温度影响范围，而不会无限制的产生影响，因此在探讨温度对路面抗滑性能的影响时，主要考虑温度对沥青表面层抗滑性能的影响。由于温度的传导，路面结构内部的温度随着深度的增加，温度呈现梯度的变化，结构内部温度变化自表面往下存在着一定的滞后性，随着传感器埋设深度的增加，温度的变化幅度逐渐减弱。现有的《公路路基路面现场测试规程》中，采用铺砂法三次测量结果的平均值作为路面构造深度，忽视了温度对路面构造深度的影响，未进行路面构造深度指标的温度修正，对于不同温度下的测量结果，无法进行准确的路面抗滑性能对比和评价。为了真实反映路面构造深度的变化规律，反映路面抗滑性能的衰变过程，指导路面结构确定最佳的养护时机，节约路面养护成本，提高路面行车的安全性，本发明提出一种基于沥青表面层当量温度的路面构造深度指标的温度修正方法。技术实现要素：针对目前我国沥青路面构造深度温度修正方法存在的空白，本发明提供一种基于沥青表面层当量温度的路面构造深度指标的温度修正方法。该方法以路面构造深度指标为修正对象，提出沥青表面层当量温度计算方法，以测试时间段内路面结构沥青表面层4cm年当量温度作为标准温度，以测试时刻路面结构沥青表面层4cm日当量温度为修正参考温度，将沥青路面构造深度指标修正到标准温度下。一种基于沥青表面层当量温度的路面构造深度指标的温度修正方法，包含如下步骤：1、获取路面结构内部温度数据选择一种类型的路面结构形式，在路面结构沥青表面层的顶部和底部分别埋设温度传感器，采集路面结构内部不同位置的温度数据，采集频率为n分钟一次，采集方式为24小时不间断连续采集，采集时限长为一年以上，所述路面结构沥青表面层为沥青路面自路表面往下组成的一个连续的路面结构层整体；2、采集路面构造深度指标tdt的检测数据选择步骤1的路面结构，采用手工铺砂法进行路面构造深度tdt检测；3、计算步骤1中路面结构沥青表面层的日当量温度，通过频度加权计算获得沥青表面层的年当量温度，以此为路面构造深度指标温度修正的标准温度t标a)所述路面结构沥青表面层年当量温度为路面结构构造深度测试年度全年沥青表面层代表温度，通过步骤1获取沥青表面层日温度数据，计算沥青表面层日当量温度：将全年按天数分成若干个连续的时间区块，以同一时间区块内每天同一时刻同一温度传感器测定的温度平均值作为该时刻该时间区块的平均温度，按采集频率绘24小时内各时刻与时间区块的平均温度曲线，然后根据曲线与平均温度、各时刻围合的面积按公式(1)计算得到沥青层不同深度的该时间区块的当量温度；式中：s——时间温度曲线的面积；——温度传感器位置的日当量温度，℃。b)以该时间区块的当量温度与不同深度位置对应绘制曲线，该曲线与时间区块的当量温度、不同深度位置围合的面积按深度测点个数分割成多个梯形，分别计算各梯形的质点(xi，yi)，再以各梯形的面积为加权值，计算曲线与时间区块的当量温度、不同深度位置围合的几何图形的质心坐标(x,y)，其质心横坐标即为该时间区块的日当量温度，纵坐标则代表该当量温度对应的结构层当量平均深度，其计算公式为：式中：——日当量温度，℃；——当量平均深度，cm；xi——第i个层位的日当量温度，℃；yi——第i个层位的深度，cm；si——第i个层位对应的时间温度曲线的面积；m——传感器布置层数。计算沥青表面层的当量温度时，传感器布置层数m为2，即采用路表0cm和沥青表面层4cm当量温度构成的梯形面积，计算梯形的质心坐标，其横坐标即为沥青表面层该时间区块的日当量温度，纵坐标则代表该当量温度对应的沥青表面层当量平均深度；c)将全年的各时间区块的当量温度按照n℃的温度间隔进行出现频率分析，按频率百分比加权，计算得到路面构造深度指标温度修正的标准温度t标，n为2-10之间的正整数；4、计算步骤2中路面构造深度指标检测时刻的沥青表面层日当量温度所述路面结构构造深度检测时刻沥青表面层日当量温度为构造深度检测时刻路面沥青层的代表温度；通过步骤1获取构造深度检测时刻沥青层不同深度位置温度数据，将沥青表面层不同深度位置温度数据与深度对应绘制曲线，按步骤b)所述相同方法进行加权平均，可得到路面构造深度检测时刻沥青表面层日当量温度5、建立步骤2中实测路面构造深度指标tdt与步骤4中得到的沥青表面层日当量温度的关系模型采用boltzmann曲线模型，建立路面构造深度指标与沥青表面层日当量温度关系模型，见公式4，式中：tdt——实测温度t下的沥青混凝土路面构造深度，mm；——沥青表面层日当量温度，℃；a1——沥青混凝土路面构造深度的最小渐近值，mm；a2——沥青混凝土路面构造深度的最大渐近值，mm；t0——路面构造深度为(a1-a2)/2对应的日当量温度，℃；δt——温度步长，℃；6、采用步骤3的标准温度t标，根据步骤5的关系模型，计算标准温度下的路面构造深度td标，7、将步骤2中实测的沥青路面构造深度tdt与步骤6中标准温度下的沥青路面构造深度指标td标相比，得到两者的比值该比值k即为路面构造深度指标的温度修正系数；8、建立步骤7中路面构造深度指标的温度修正系数k与步骤4中得到的沥青表面层日当量温度的关系模型；采用boltzmann曲线模型，建立路面构造深度温度修正系数k与沥青表面层日当量温度的关系模型，见公式5；式中：k——路面构造深度温度修正系数；——沥青表面层日当量温度，℃；b1——路面构造深度温度修正系数的最小渐近值；b2——路面构造深度温度修正系数的最大渐近值；tk——温度修正系数为(b1-b2)/2对应的日当量温度，℃；δtk——温度步长，℃；9、将温度ti下测得的路面构造深度指标tdti修正至标准温度t标下，获得修正后的路面构造深度指标按照步骤8的模型，温度ti下测得的路面构造深度指标tdti修正至标准温度t标下，计算公式如下所示：所述采集频率为5-20分钟一次。优选采集频率为10分钟一次。所述路面结构沥青表面层的表面及底部埋设温度传感器。所述路面构造深度指标tdt检测为每10m确定路面一个测点位置，选用0.3-0.6mm的标准砂进行检测，取3次路面构造深度测定结果的平均值作为试验结果，获得路面构造深度指标。所述路面构造深度指标tdt检测采用相同检测人员和检测设备，减小人工误差和设备误差。所述步骤a)中将全年按天数分成若干个连续的时间区块为将每2-10天分成一个时间区块。所述将全年按天数分成若干个连续的时间区块为一年按12个月，每个月按3-6天分成一个时间区块。所述将全年按天数分成若干个连续的时间区块为一年按12个月，每个月分成6个时间区块，采集频率为10分钟一次，一天按24小时统计，每天共计144个不同时间点，分别计算沥青层不同深度的该时间区块的当量温度时间温度曲线的面积计算公式如下所示：式中：ti、ti-1——分别为ti和ti-1时刻对应的温度，℃；ti、ti-1——分别第i个和第i-1个路面温度对应的时间点；s——时间温度曲线的面积。所述步骤c)中n℃的温度间隔为5℃的温度间隔。一种基于沥青表面层当量温度的路面构造深度指标的温度修正方法，具体包含如下步骤：1、采集路面不同位置深度的温度数据选定一种类型的路面结构形式，通过在道路表面0cm和沥青表面层4cm位置处埋设温度传感器，得到每个传感器不同深度位置的温度数据，路面结构内部温度布设方式示意图见图1，收集路表0cm和沥青表面层4cm位置处的温度数据，采集频率为10分钟，即1/6个小时，采集方式为24小时不间断连续采集。2、采集路面构造深度指标tdt的检测数据选择步骤1的路面结构，每10m确定路面一个测点位置，采用手工铺砂法进行路面构造深度的检测，选用0.3-0.6mm的标准砂进行检测，取3次路面构造深度测定结果的平均值作为试验结果，获得路面构造深度指标tdt。3、计算步骤1中路面结构沥青表面层的日当量温度，通过频度加权计算获得沥青表面层的年当量温度，以此作为路面构造深度温度修正的标准温度t标所述路面结构沥青表面层为沥青路面自路表面往下组成的一个连续的路面结构层整体为了减少传感器设备及异常天气原因造成的误差，按照每5天一个时间单元，将每个月的温度数据分为6个单元，取5日内相同时刻的温度平均值作为该单元的日温度代表值。由于一天中温度的昼夜温差变化较大，选取每日早8点至次日早8点的24小时温度数据作为分析基础，以此反映温度从上升到下降的变化全过程。路面温度传感器数据采集频率为10分钟，即1/6个小时，因此，以1/6小时为一个时间步长，按照24小时的时间维度，总计144个时间点，通过面积加权获得路表0cm和沥青表面层4cm位置处的日当量温度，计算公式如下。式中：ti、ti-1——分别为ti和ti-1时刻对应的温度，℃；ti、ti-1——分别第i个和第i-1个路面温度对应的时间点；s——时间温度曲线的面积。——温度传感器位置的日当量温度，℃；由此，对于同一个断面，可得到不同深度的日当量温度。绘制随深度变化的日当量温度曲线，根据曲线形状，计算该曲线的几何质心，即得到该断面的平均温度及该温度的深度位置。这个平均温度可当作日当量温度。计算每个梯形的质心坐标(xi,yi)，再以梯形的面积为加权值，计算温度曲线与深度轴围成的几何图形的质心，即得到沥青路面结构的日当量温度及对应的当量平均深度位置，计算公式如公式3和公式4所示。式中：——日当量温度，℃；——当量平均深度，cm；xi——第i个层位的日当量温度，℃；yi——第i个层位的深度，cm；si——第i个层位对应的时间温度曲线的面积；m——传感器布置层数。计算沥青表面层的当量温度时，传感器布置层数m为2，即采用路表0cm和沥青表面层4cm当量温度构成的梯形面积，计算梯形的质心坐标，其横坐标即为沥青表面层该时间区块的日当量温度，纵坐标则代表该当量温度对应的沥青表面层当量平均深度。通过步骤1获取沥青表面层4cm日温度数据，计算沥青表面层日当量温度，将沥青表面层全年日当量温度进行频度分析，然后根据频度进行加权平均可得到沥青表面层年当量温度，以此作为沥青路面摆值温度修正的标准温度t标。4、计算步骤2中路面构造深度指标检测时刻沥青表面层日当量温度所述路面构造深度指标检测时刻沥青表面层当量温度为检测时刻路面沥青表面层的代表温度。通过步骤1获取沥青路面构造深度指标检测时刻沥青层不同深度位置温度数据，将沥青表面层不同深度位置温度数据进行加权平均，可得到沥青路面表面层日当量温度5、建立步骤2中实测路面构造深度指标tdt与步骤4中得到的沥青表面层日当量温度的关系模型采用boltzmann曲线模型，建立路面构造深度指标与沥青表面层日当量温度关系模型，见公式5，拟合关系曲线示意图见图6。6、采用步骤3的标准温度t标，根据步骤5的关系模型，计算标准温度下的路面构造深度td标，7、将步骤2中实测的沥青路面构造深度tdt与步骤6中标准温度下的沥青路面构造深度指标td标相比，得到两者的比值该比值k即为路面构造深度指标的温度修正系数。8、建立步骤7中路面构造深度指标的温度修正系数k与步骤4中得到的沥青表面层日当量温度的关系模型采用boltzmann曲线模型，建立路面构造深度温度修正系数k与沥青表面层日当量温度的关系模型，见公式6。式中：k——路面构造深度温度修正系数；——沥青表面层日当量温度，℃；b1——路面构造深度温度修正系数的最小渐近值；b2——路面构造深度温度修正系数的最大渐近值；tk——路面构造深度温度修正系数为(b1-b2)/2对应的日当量温度，℃；δtk——温度步长，℃；9、将温度ti下测得的路面构造深度指标tdti修正至标准温度t标下，获得修正后的路面构造深度指标按照步骤8的模型，温度ti下测得的路面构造深度指标tdti修正至标准温度t标下，计算公式如下所示：本文提出的温度修正方法，主要考虑温度对沥青路面结构中沥青混凝土材料的影响。我国的路面结构普遍采用沥青混凝土作为表面层，最易受到温度影响，温度对路面构造深度指标的影响较大，因此本文提出采用沥青表面层当量温度作为路面构造深度指标的修正温度，直观反应路面内部温度对其抗滑性能的影响。通过采用沥青表面层的当量温度对路面构造深度指标的温度修正，可减小温度修正的误差，修正后的路面构造深度指标更加符合实际路面抗滑性能状态，真实反映四季温度变化对沥青路面构造深度指标的影响，实现不同沥青路面结构的抗滑性能对比。按照本发明的沥青路面构造深度指标的温度修正方法，真实反映路面抗滑性能的变化，指导路面结构确定最佳的养护时机，节约路面养护成本，提高路面行车的安全性。附图说明图1sac13-70沥青路面温度传感器的埋设位置示意图；1-沥青上面层；2-沥青中面层；3-沥青下面层；4-半刚性基层；5-半刚性底基层；6-土基；7-温度传感器图2温度传感器直接埋设法示意图；其中a为平面示意图，b为剖面示意图，11-信号电缆；12-电缆槽；13-安装槽图3sac13-70沥青表面层4cm位置的时间—温度变化曲线(24小时)；图4sac13-70沥青混凝土路表位置的时间—温度变化曲线(24小时)；图5sac13-70沥青表面层4cm的时间—温度变化曲线(2018年)；图6沥青路面构造深度与表面层日当量温度的boltzmann拟合图；图7沥青路面构造深度的温度修正系数与表面层日温度的boltzmann拟合图。具体实施方式以某工程sac13-70沥青路面构造深度指标的温度修正为实例，其具体步骤如下：路面结构如图1所示，沥青上面层1厚为4cm，即为本发明中的沥青表面层。选择在路表0cm和沥青表面层4cm的位置铺设温度传感器，测定沥青表面层的实时温度变化，选用路面表面层4cm的日当量温度作为路面构造深度指标温度修正的参考标准。步骤1：沥青路面温度传感器的埋设温度传感器采用pt100铂电阻温度传感器，零度阻值为100ω，电阻变化率为0.3851ω/℃。该传感器由直径4mm、壁厚0.5mm的不锈钢管组成，可以承受10mpa的压力，采集频率为10分钟，即1/6个小时，对温度敏感，高温性能稳定。选用在路表0cm和沥青表面层4cm位置处埋设温度传感器，获取相关的温度数据，sac13-70混合料路面温度传感器的埋设位置示意图如图1所示。为了保证传感器的存活率，根据传感器的不同类型和结构层材料的施工情况确定不同的传感器安装方式。采用直接埋设法进行温度传感器的埋设，在结构层物料摊铺后未碾压前，按照温度传感器的预设位置开挖传感器安装槽13和电缆槽12，将温度传感器固定于预设位置后再将物料回填，然后正常碾压，传感器信号电缆11导线通过金属管保护引至路侧，温度传感器直接埋设法示意图如图2所示。本方法具有与施工同步，无需开挖，不破坏所属层结构，工作量小，施工简单的优点。步骤2：采集路面构造深度指标数据选择sac13-70沥青路面结构，每10m确定路面一个测点位置，采用手工铺砂法进行路面构造深度的检测。采用相同检测人员和检测设备，减小人工误差和设备误差，选用0.3-0.6mm的标准砂进行检测，取3次路面构造深度测定结果的平均值作为试验结果，获得路面构造深度指标tdt。步骤3：计算路面结构沥青表面层的日当量温度，通过频度加权计算获得其年当量温度，以此为路面构造深度指标温度修正的标准温度t标通过布置在沥青路表0cm和沥青表面层4cm位置处的温度传感器，采集不同时间段、不同深度的温度数据进行分析。为了减少传感器设备及异常天气原因造成的误差，以连续5日作为一个分析单元，将一个月划分为6个分析单元，取5日内相同时刻温度平均值作为该单元的日温度代表值。由于温度的昼夜温差变化较大，选取每日早8点至次日早8点的24小时作为当天的温度数据基础，以此反映温度梯度从上升到下降的变化全过程。采用2018年1月sac13-70沥青表面层4cm位置处的温度数据，绘制不同时间段24小时时间—温度变化曲线，如图3所示。分别计算6条曲线与时间轴围成的图形面积，将此面积除以24，即为sac13-70沥青表面层4cm位置处的日当量温度，如表1所示。表1sac13-70沥青表面层4cm位置处的日当量温度同理，通过路表0cm的温度传感器数据，可以获得sac13-70沥青路面路表0cm位置处的日当量温度，2018年1月的路表日当量温度如表2和图4所示。表2sac13-70沥青路表0cm位置处的日当量温度通过公式3和公式4的加权计算，获得2018年的沥青表面层4cm当量温度，即沥青表面层4cm质心处的当量温度，如表3和图5所示。表32018年sac13-70沥青表面层4cm的日当量温度统计表将表3中全年沥青表面层日当量温度按照5℃的温度间隔进行频度分析，然后根据频度进行加权平均，如表4所示，得到沥青表面层年当量温度t标为19.58℃，即路面构造深度温度修正的标准温度。表42018年沥青表面层日当量温度频度分布表步骤4：计算步骤2中路面构造深度指标检测时刻的沥青表面层当量温度根据路面构造深度指标的检测时刻，将采集的沥青路表0cm和沥青表面层4cm深度位置温度数据加权平均，获得检测时刻的沥青表面层当量温度，加权方法同沥青表面层日当量温度计算，获得sac13-70沥青路面构造深度指标不同检测时刻的沥青表面层当量温度，如表5所示。表5sac13-70沥青路面构造深度和表面温度汇总表步骤5：构建路面构造深度与表面层日当量温度的关系模型选用的2018年沥青表面层4cm的日当量温度和sac13-70沥青路面构造深度指标的检测数据(见表5)，采用boltzmann模型，建立沥青路面构造深度的温度修正模型，模型形式如公式8所示，模型的相关统计参数见表6，相应的拟合曲线图见图6。式中：tdt——实测温度t下的沥青路面构造深度，mm；——沥青表面层日当量温度，℃；a1——沥青混凝土路面构造深度的最小渐近值，mm；a2——沥青混凝土路面构造深度的最大渐近值，mm；t0——路面构造深度为(a1-a2)/2对应的温度值，℃；δt——温度步长，℃。表6沥青表面层构造深度与日当量温度关系模型的参数表表面层类型a1a2t0δtr2sac13-701.0600.87417.8692.1380.970由此可知，对于sac13-70类型的沥青混凝土路面，沥青表面层日当量温度对路面构造深度的影响范围在[0.874～1.060]之间，其路面构造深度与沥青表面层日当量温度的关系如下，：式中：tdt——实测温度t下的沥青路面构造深度，mm——沥青表面层日当量温度，℃步骤6：采用步骤3的标准温度t标，根据步骤5获得的沥青路面构造深度与沥青表面层4cm日当量温度的关系模型，计算标准温度下的路面构造深度通过步骤3，可以得知路面构造深度温度修正的标准温度t标为19.58℃，按照公式9计算标准温度下的沥青路面构造深度指标td标，此时的沥青路面构造深度指标为0.926mm。步骤7：计算路面构造深度指标的温度修正系数采用实测温度下的沥青路面摆值指标与步骤6中标准温度下的沥青路面摆值指标的比值，作为沥青路面摆值指标的温度修正系数，计算公式如下：式中：k——沥青路面构造深度的温度修正系数；tdt——实测温度为t的沥青路面构造深度，mm；td标——标准温度t标下的沥青路面构造深度，mm。步骤8：建立路面构造深度指标温度修正系数k与沥青表面层日当量温度的关系模型采用boltzmann模型建立路面构造深度的温度修正系数k与当量温度的模型，如图7所示。由此可知，对于sac13-70型的沥青混凝土路面，其路面构造深度的温度修正系数k与沥青表面层日当量温度的模型参数，如表7所示，计算形式如公式12所示：表7路面构造深度温度修正系数k与表面层日当量温度的模型参数表表面层类型b1b2tkδtkr2sac13-701.1440.94317.9552.0140.971式中：——沥青表面层日当量温度，℃；k——沥青混凝土路面构造深度的温度修正系数。步骤9：将温度ti下测得的路面构造深度指标tdti修正至标准温度t标下，获得修正后的路面构造深度指标根据步骤2获得的实测温度下的路面构造深度指标，步骤4获得的沥青表面层4cm日当量温度，步骤8获得的路面构造深度温度修正系数k与沥青表面层当量温度的关系模型，可以此确定温度修正系数，获得修正后的路面构造深度指标和修正误差，结果如表8所示。表8沥青路面构造深度的温度修正系结果汇总表通过boltzmann模型可以计算获得模型拟合的修正参数，以此计算标准温度下的路面构造深度，如表3所示，可以发现路面构造深度的经过温度修正后的误差普遍较低，最高修正误差为4.56％。通过此沥青路面构造深度指标的温度修正系数k与表面层日当量温度的关系模型，可以对路面构造深度指标进行较好的温度修正，其变异性符合实际道路工程的检测需求，有助于真实反映路面的抗滑性能变化，对比不同结构的抗滑性能差异。当前第1页12