一种机场刚性道面结构参数反演的方法与流程

本发明涉及机场道面的结构性能评价领域，特别是涉及一种机场刚性道面结构参数反演的方法，该方法可广泛应用于机场水泥混凝土跑道、滑行道和停机坪等道面的结构性能评价。

背景技术：

无论是新建的还是正在服役的机场，其飞行区道面的结构性能评价一直都是机场道面检测的最重要内容之一。我国有90％以上的机场为水泥混凝土道面，采用落锤式弯沉仪(fwd)进行刚性道面结构参数反演，是道面结构性能评价、结构补强设计以及有限元参数标定的关键技术。现有《民用机场道面评价管理技术规范》(mh/t5024-2009)中推荐采用传统的弯沉盆面积指数法(area)进行道面结构参数反演。该方法通过构造弯沉盆面积指数，建立与相对刚度半径之间的一一对应关系，但其侧重使用了荷载中心处弯沉值，没有有效利用其它测点的弯沉信息；且计算地基反应模量时，仅匹配荷载中心处的弯沉值，造成理论弯沉盆和实测弯沉盆拟合误差较大。

因此，科学合理的刚性道面结构参数反演方法，充分利用弯沉盆各个测点的弯沉信息，降低理论弯沉盆和实测弯沉盆的拟合误差，提高反演结果的鲁棒性和可靠性，是目前机场水泥混凝土道面结构性能评价亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种机场水泥混凝土道面结构参数检测方法，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种机场水泥混凝土道面结构参数检测方法，包括：

1)获取各弯沉盆的实测弯沉盆数据(实测弯沉盆数据即实际测得的弯沉值，一个弯沉盆对应一组弯沉值)，对实测弯沉盆数据进行筛选；

2)获取代表弯沉盆数据，所述代表弯沉盆数据为对实测弯沉盆数据进行筛选所得的弯沉盆数据的平均值；

3)获取代表弯沉盆综合衍生指标ac，具体计算方法如下：

其中，ac的单位为m²；wi为测点i的弯沉值，单位为m；ci为测点i弯沉值的因子，为该测点距离荷载中心距离的平方，单位为m²；n为测点的数量；

4)按照代表弯沉盆的综合衍生指标与理论弯沉盆的衍生指标最接近的原则，确定相对刚度半径的取值，理论弯沉盆的衍生指标ac’的计算方法如下：

其中，ac’的单位为m²；ri为测点i距离荷载中心距离，单位为m；ci’为测点i距离荷载中心距离的平方(即ri²)，单位为m²；a为获取各弯沉盆的实测弯沉盆数据时所使用的设备的圆形均布荷载半径，单位为m；

5)获取地基反应模量k，具体计算方法如下：

其中，p＝140kn/(πa²)；

6)根据获取水泥混凝土板的弹性模量e；

其中，μ为水泥混凝土板的泊松比；h为水泥混凝土的厚度，单位为m。

在本发明一些实施方式中，通过fwd(fallingweightdeflectometer，落锤式弯沉仪)获取各弯沉盆的实测弯沉盆数据。

在本发明一些实施方式中，a＝0.15m。

在本发明一些实施方式中，所述对实测弯沉盆数据进行筛选具体为剔除无效的实测弯沉盆数据，所述无效的实测弯沉盆数据通常指与实际弯沉规律不符的数据，例如，那些离荷载中心距离大但实测弯沉值更大的弯沉盆。

在本发明一些实施方式中，对筛选后的弯沉盆赋予相同的权重，加权平均计算该区域的代表弯沉盆数据。考虑到同一个区域的弯沉盆具有相同的重要性，所以在获取代表弯沉盆时，加权平均计算该区域的代表弯沉盆。

在本发明一些实施方式中，ci为测点i距离荷载中心距离的平方。

在本发明一些实施方式中，相对刚度半径的迭代区间为0-2m，步长为0.01m±0.005m。

本发明所提供的方法是一种科学合理的刚性道面结构参数反演方法，充分利用弯沉盆各个测点的弯沉信息，降低理论弯沉盆和实测弯沉盆的拟合误差，提高反演结果的鲁棒性和可靠性，能够解决目前机场水泥混凝土道面结构性能评价中的各种问题。该反演方法与实测值拟合程度更高，可靠性比传统的弯沉盆面积指数法提高42％，具有更强的系统鲁棒性。

附图说明

图1显示为本发明弯沉盆综合衍生指标与相对刚度半径之间的关系。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

某华东地区4c等级机场的停机坪采用落锤式弯沉车实地采集了50组的弯沉测试数据，经过数据的预处理后，有效的数据样本为43组(详细数据如表1所示)，该区域的代表弯沉盆(43个弯沉盆数据的平均值)如表2所示。

表1

表2

分别采用本发明提出的反演方法和传统的弯沉盆面积指数法(林小平,袁捷,凌建明,谈至明.刚性路面弯沉盆面积指数反演改进方法[j].中国公路学报,2009,22(03):14-19.)，本发明的反演方法具体如下：

1)根据表2的数据，计算获得代表弯沉盆综合衍生指标ac(其中，n＝6)，具体计算方法如下：

其中：wi为测点i的弯沉值(单位为m)；ci为测点i距离荷载中心距离的平方(单位为m²)；n为测点的数量；

计算获得的代表弯沉盆综合衍生指标ac＝0.66m²(ac的单位为m²)；

2)按照代表弯沉盆的综合衍生指标与理论弯沉盆的综合衍生指标最接近的原则，确定相对刚度半径的取值，理论弯沉盆的综合衍生指标的计算方法如下：

理论弯沉值的计算公式如下：

其中：ω(r)为距荷载中心r(m)处的弯沉(单位：m)；p为荷载集度(n/m²)；a为圆形均布荷载的半径(m)；ξ为积分变量；k为板下地基的反应模量(n/m³)；j0、j1分别为0阶、1阶贝塞尔函数；l为板与地基的相对刚度半径(m)；e为板的弹性模量(单位：pa)；μ为水泥混凝土板的泊松比，h为水泥混凝土的厚度(单位：m)

所以，对于测点i的弯沉理论值按如下式子计算：

式中：ω(ri)为测点i距荷载中心ri(m)的挠度(m)；p为荷载集度(n/m²)；a为圆形均布荷载的半径(m)；ξ为积分变量；k为板下地基的反应模量(n/m³)；j0、j1分别为0阶、1阶贝塞尔函数；l为板与地基的相对刚度半径(m)；e为板的弹性模量(pa)；μ为板的泊松比；h为板的厚度(m)。

则理论弯沉盆的衍生指标ac’(单位为m²)的计算方法如下：

其中，ri为测点i距离荷载中心距离，取值如表2所示，单位为m；ci’为测点i距离荷载中心距离的平方(即ri²，单位为m²)，a＝0.15m(为fwd设备常用圆形均布荷载半径)。

理论弯沉盆的衍生指标的公式是一个关于相对刚度半径l的函数，通过对相对刚度半径l在一定范围内按照一定步长取值(步长是指每次取值递增的幅度，具体可以为0.01m±0.005m，相对刚度半径的取值范围是0-2m)，计算其理论弯沉盆的衍生指标，计算结果如图1所示，并以与实测弯沉盆衍生指标最接近所对应的相对刚度半径l作为最终的值，所获得的相对刚度半径l的值如表3所示。

3)获取地基反应模量k，具体计算方法如下：

其中：为测点i实测弯沉值，为测点i理论弯沉值，令可计算得到地基反应模量k的值；

其中，p＝140kn/(πa²)(p为fwd设备的常用荷载集度)，计算结果如表3所示；

4)根据获取水泥混凝土板的弹性模量e，其中，μ＝0.15，h＝0.34m。

反演结果如表3所示：

表3

可见，本发明提供的反演方法相比于传统的弯沉盆面积指数法，相对误差平方和和绝对误差平方和都要更小，这表明本发明提供的反演方法与实测值拟合程度更高。

实施例2

假定刚性道面结构各参数取值如下：水泥混凝土板的厚度为0.4m，弹性模量38gpa，泊松比为0.15；地基反应模量为100mn/m³；0.3m直径的圆形均布荷载(140kn)。计算不同测点的理论弯沉值，计算公式参照实施例1，结果如表4所示。

表4

fwd弯沉测试的误差包括系统误差和随机误差。当前国际主流fwd设备的测量精度为±2um±2％，实测弯沉值与理论弯沉值的关系如下：

式中：wm表示fwd误差作用下的实测弯沉值，wt表示弯沉测试的理论值，r1、r2、r3、r4是0-1的随机数。对表4中每一测点的弯沉值加入随机误差，模拟生成100组的实测弯沉盆(见下表5)，分析在测量误差作用下两种反演方法的结果统计分析如表6(反演方法参照实施例1)。

表5

表6

统计分析发现，在测量误差的作用下，本发明提供的方法反演得到的结构参数结果更趋于“真值”，综合各个指标来看，本发明提供的方法的可靠性比传统的弯沉盆面积指数法提高42％，即该方法具有更强的系统鲁棒性。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。