一种基于弯沉时程曲线构建频散曲线的路面分层模量计算方法与流程

1.本发明涉及道路工程中路面的无损检测领域，尤其是涉及一种基于弯沉时程曲线构建频散曲线的路面分层模量计算方法。


背景技术：

2.保持足够的承载能力是路面养护与维修的重要目标之一，估算路面层承载能力的主流方法是对其模量特征进行评估，模量的变化和衰减可以被认为是路面性能劣化的一个重要指标。现阶段评价路面模量的方法主要有两种：现场取芯室内实验室试验和现场无损检测。然而，现场取芯会对路面的完整性造成损害，并破坏路面对芯样原有的围压。因此，无损检测方法因其成本低、环境友好和可靠性好，成为近年来路面性能评价的主流手段。在现有的无损检测方法中，能测出路面模量的手段主要分为两大类：弯沉测量技术和表面波检测技术。基于弯沉测量的技术又包含对地面产生冲击获得弯沉数据的方法和通过激光测得弯沉数据的方法，后者较难计算出路面的模量，而前者以落锤式弯沉仪fwd为首，其能够快速检测并能有效计算出路面模量的特性成为众多学者青睐的对象。然而，fwd计算模量的传统方法是基于弯沉盆反算，该反算过程对表面层模量的变化不敏感，测得的结果并不唯一，易受所选取的初始值的影响，且只能测得由相同材料构成的整个层厚的模量均值。基于表面波检测的技术也分为几大类：表面波频谱分析仪sasw法、多道瞬态表面波频谱分析技术masw法、便携式地震波地质分析仪pspa。其中，sasw法能够精确计算出各路面各层的厚度与随深度变化而变化的每层确切模量值，masw法能够计算出较为非深层路面的随深度变化的每层确切模量值，pspa发能够计算出路面浅层的平均模量值。此类方法皆具有完善的波动传播理论，但用于现场测量时，由于需要人工操作手持摆放操作，检测速度极为缓慢，不利于多点快速检测，并具有一定的安全隐患。
3.在以往的研究中，鲜有学者将上述两种不同原理的无损检测技术结合起来使用，本发明联合弯沉测量仪的快速检测特性与表面波频谱分析技术的理论完善特性，对现场测得的时程曲线进行了一系列波动理论分析，构建路面频散曲线，从而计算出模量数值，获得一套快速、准确的模量测量计算方法，对路面无损检测技术做出贡献。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于弯沉时程曲线构建频散曲线的路面分层模量计算方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于弯沉时程曲线构建频散曲线的路面分层模量计算方法，包括以下步骤：1）获得无损检测弯沉仪器于现场测得的弯沉时程曲线，即落锤或车轮等等重物对地面产生冲击这一时间段内，每个传感器测得的随时间变化的弯沉值数据；2）对弯沉仪器的传感器进行分组，每两个传感器测得的数据分为一组；
3）基于表面波频谱分析的无损检测技术（如sasw、masw法等）的理论分析过程，对现场测得的弯沉时程数据进行分析，获得过滤掉噪音及无效波段的时域曲线；4）对时域曲线进行傅里叶变换及一系列波动理论计算，获得相应的频散曲线，以及每组数据的相位差，并根据相位差选取有效信号段；5）由相位角信息计算出表面波的相速度，从而构建出每组数据里表面波在路面内传播的频散曲线，即相速度随频率/波长变化的曲线，将每组数据构建出的频散曲线汇合，绘制出一条完整的总频散曲线；6）由于总频散曲线内的数据点过多，不利于后续的反演分析，因此对该数据点进行平均处理，得到成一条平均频散曲线；7）对平均频散曲线进行反演分析，得到剪切波速随路面深度的变化数值，并根据线弹性理论得到随深度变化的弹性模量数值。
6.所述的步骤2）中，对多个弯沉传感器进行两两分组的原因在于，表面波频谱分析技术sasw法的理论研究便是基于两个相邻传感器接收到的数据，通过计算相邻传感器之间的信号相位差，从而构建频散曲线；每组的两个传感器间距皆不相同，不同的传感器间距能绘制出涵盖不同频率范围的频散曲线。
7.所述的步骤4）中，其中选取有效信号段具体根据以下几个步骤：（1）剔除低质量相位信息段，即不符合一般趋势的相位角，包括明显的波动相位角和后向锯齿状的相位角；（2）根据近场效应的滤波公式，剔除近场效应下的信号段；（3）剔除波长小于4倍接收器间距的信号段。
8.与现有技术相比，本发明具有以下优点：一、该发明能够基于表面波的频散特性，对弯沉时程曲线进行分析处理，构建相应的路面频散曲线；并根据所构建的频散曲线，获得路面模型特性。相比现有技术，本发明能够充分利用现有无损检测技术的特性，结合弯沉测量仪的快速检测特性与地震波频谱分析技术的理论完善特性，获得一整套快速、准确的模量测量计算方法，对路面无损检测技术做出了贡献。
9.二、本发明在未损坏沥青路面结构的情况下，可以快速、精确地得到每一层路面的弹性模量。相比现有技术，本发明不仅能够获得整个路面的平均模量，还能够快速精确地获得不同路面深度处的每层确切模量值，完善了路面模量评估体系。
附图说明
10.图1为本发明的方法流程图。
11.图2为弯沉传感器测得的弯沉时程曲线。
12.图3为一组数据内两个传感器处的时域信号。
13.图4为一组数据内两个传感器处的频域信号。
14.图5为一组数据内两个传感器之间的相位差信息。
15.图6为几组数据的联合频散曲线。
16.图7为平均频散曲线。
17.图8为弹性模量随沥青路面深度变化的曲线。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
19.本发明基于对地震波测量路面模量的现有理论研究，进行了更进一步的扩展应用，提出了通过使用现场测得的弯沉时程曲线来构建路面频散曲线的方法，并基于频散曲线获取随深度变化的路面模量值。本实例以落锤式弯沉仪fwd为例获得现场实测数据，即弯沉时程曲线；由于落锤冲击地面会产生一定的地震波，因此采用相关的地震波频谱分析技术如sasw法的理论研究，对fwd弯沉时程曲线进行一系列波动理论分析，构建出路面频散曲线，从而获得不同路面深度处的模量值。
20.如图1所示，本发明提供了一种基于弯沉时程曲线构建频散曲线的路面分层模量计算方法，包括以下步骤：1）获得无损检测弯沉仪器于现场测得的弯沉时程曲线，即落锤或车轮等等重物对地面产生冲击这一时间段内，每个传感器测得的随时间变化的弯沉值数据；2）对弯沉仪器的传感器进行分组，每两个传感器测得的数据分为一组；其中，对多个弯沉传感器进行两两分组的原因在于，地震波频谱检测技术的理论研究便是基于两个相邻传感器接收到的数据，通过计算相邻传感器之间的信号相位差，从而构建频散曲线；每组的两个传感器间距皆不相同，不同的传感器间距能绘制出涵盖不同频率范围的频散曲线。
21.3）基于表面波频谱分析的无损检测技术（如sasw、masw法等）的理论分析过程，对现场测得的弯沉时程数据进行分析，获得过滤掉噪音及无效波段的时域曲线；4）对时域曲线进行傅里叶变换及一系列波动理论计算，获得相应的频散曲线，以及每组数据的相位差，并根据相位差选取有效信号段；其中选取有效信号段具体根据以下几个步骤：1、剔除低质量相位信息段，即不符合一般趋势的相位角，包括明显的波动相位角和后向锯齿状的相位角；2、根据近场效应的滤波公式，剔除近场效应下的信号段；3、剔除波长小于4倍接收器间距的信号段。
22.5）由相位角信息计算出表面波的相速度，从而构建出每组数据里表面波在路面内传播的频散曲线，即相速度随频率/波长变化的曲线，将每组数据构建出的频散曲线汇合，绘制出一条完整的总频散曲线；6）由于总频散曲线内的数据点过多，不利于后续的反演分析，因此对该数据点进行平均处理，得到成一条平均频散曲线；7）对平均频散曲线进行反演分析，得到剪切波速随路面深度的变化数值，并根据线弹性理论得到随深度变化的弹性模量数值。
23.实施例：由于现阶段落锤式弯沉仪fwd是较为主流的弯沉检测仪器，因此在该实例里，采用了fwd来获取弯沉时程曲线。
24.1）获得fwd于现场测得的弯沉时程曲线，即落锤对地面产生冲击这一时间段内，每个传感器测得的随时间变化的弯沉值数据，如图2；2）对弯沉仪器fwd的传感器进行分组，每两个传感器测得的数据分为一组，；
3）研究基于表面波频谱分析的无损检测技术sasw法的理论分析过程，对现场测得的弯沉时程数据进行分析，获得过滤掉噪音及无效波段的时域曲线，其中一组数据的时域曲线如图3；4）对时域曲线进行傅里叶变换及一系列波动理论计算，获得相应的频散曲线，以及每组数据的相位差，并根据相位差选取有效信号段，其中一组数据的频域信号如图4，一组数据的相位角信息如图5，图5中阴影部分是未被选取的信号段；5）由相位角信息计算出表面波的相速度，从而构建出每组数据里表面波在路面内传播的频散曲线，即相速度随频率/波长变化的曲线，将每组数据构建出的频散曲线汇合，绘制出一条完整的总频散曲线，如图6；6）由于总频散曲线内的数据点过多，不利于后续的反演分析，因此对该数据点进行平均处理，得到成一条平均频散曲线，如图7；7）对平均频散曲线进行反演分析，得到剪切波速随路面深度的变化数值，并根据线弹性理论得到随深度变化的弹性模量数值，如图8。