基于CT扫描图像的排水路面构造深度修正方法与流程

本发明涉及一种基于ct扫描图像的排水路面构造深度修正方法，属于排水路面构造深度测定技术领域。

背景技术：

随着路面服役时间的增加，长期的车辆荷载会对路面产生磨光作用，降低路面抗滑性能，形成交通安全隐患。因此，需对路面抗滑性能进行长期监测。道路工程中，常常以路面的构造深度来表征路面的宏观抗滑性能。构造深度测试的众多方法中，手工铺砂法由于其便捷性成为路表构造深度的主要测试方法之一。然而，当铺砂法应用于排水路面时，排水路面结构内具有较多的连通空隙，细砂易沿空隙下漏，对测试结果造成影响。因此，需要对铺砂法测试结果进行修正。而ct扫描法则是通过ct扫描技术获得不同扫描深度的图像，该图像可较好地反映混合料中集料的接触形式及分布情况，从而得到构造深度的准确值，但是ct扫描法不适合在道路现场的测量。因此，如何避免ct法测量的难操作性以及充分利用其方法的准确性优点来对简单易行的手工铺砂法测定结构进行修正，为实际工程提供参考与指导，是我们目前研究的重点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有手工铺砂法技术的缺点以及ct扫描法对现场排水路面测定的不便，提供一种用测量精度高的ct扫描法来对手工铺砂法测量的构造深度进行修正的实验方法，结合了手工铺砂法简单、快捷的优点以及ct扫描法的高精度优点，并建立构造深度的修正值与排水路面空隙率之间的数学模型，对实际工程中排水路面的构造深度测量提供了理论依据和指导。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于ct扫描图像的排水路面构造深度修正方法，其特征在于包含以下几个步骤：

第一步、制作试件

选取实际排水路面的上、中面层作为研究对象进行结构级配和组合形式设计并制备若干个上面层沥青混合料级配相同的单层和双层排水路面成型试件；所述单层排水路面成型试件的组合形式为4cmpac-13+6cmac-20，双层排水路面成型试件的组合形式为4cmpac-13+6cmpac-20；

第二步、测定空隙率

对各成型试件进行空隙率计算，其计算公式为：

式中：p——试件空隙率，％；

γs——沥青混合料毛体积相对密度；

γt——沥青混合料理论最大相对密度；

第三步、手工铺砂法测定每个成型试件的构造深度

构造深度的计算公式为：

式中：td手工——成型试件表面构造深度(mm)；

v——砂的体积；

d——摊平砂的平均直径(mm)；

第四步、ct法测定成型试件的构造深度，其包括以下几个步骤：

第4.1步骤、将成型试件分别切割成为10cm×10cm×10cm的尺寸形式；

第4.2步骤、利用ct从成型试件顶面、正面和侧面对其进行等间距分段扫描，获得各方向上一组对应扫描图像；

第4.3步骤、在所获得的试件正面扫描图像顶部定义一条基准线，以试件测定点到基准线的距离作为相应分段的构造深度值，以成型试件的左顶点为坐标原点，通过matlab对图像进行批量处理，通过下式对各空隙率下成型试件的构造深度进行求解：

式中：tdct——平均构造深度(cm)；

l——试件沿x轴的长度(cm)；

d(x)——试件测定点距表面基准线的距离(cm)；

第五步、修正成型构件的构造深度，建立构造深度修正量与空隙率之间的数学模型，其包含以下几个步骤：

第5.1步骤、将每个单层成型试件采用手工铺砂法与ct法测定的构造深度值作差，获得单层排水路面成型试件构造深度的修正量；

第5.2步骤，将单层排水路面成型试件构造深度的修正量与对应空隙率之间进行数学拟合建立数学函数模型，如公式(4)所示；

第5.3步骤，建立双层排水路面成型试件构造深度的修正量与对应空隙率之间的数学函数模型，如公式(5)所示，其函数模型的建立包含有以下几个步骤：

第5.3.1步骤、将上面层与单层排水路面成型试件的空隙率相同的双层排水路面成型试件与单层排水路面成型试件的手工铺砂法测定构造深度值做差，并将差值与双层排水路面成型试件的下面层空隙率之间的关系进行数学拟合，从而获得双层排水路面成型试件基于单层路面排水成型试件的构造深度差值与pac-20空隙率之间的函数关系；

第5.3.2步骤、将上一步骤中双层排水路面成型试件基于单层排水路面成型试件的构造深度修正量和pac-20空隙率之间的函数表达式与单层排水路面成型试件的构造深度修正量和pac-13空隙率之间的函数表达式进行做和，得到双层排水路面成型构件的构造深度修正值与pac-13、pac-20空隙率之间的数学函数模型；

单层和双层成型试件构造深度修正值和空隙率之间的数学模型函数公式分别如下：

式中：δtd——构造深度修正量(cm)；

p13——pac-13混合料空隙率(％)；

p20——pac-20混合料空隙率(％)。

本发明进一步限定的技术方案为：对于单层排水路面成型试件，pac-13面层空隙率分别为16.36％、18.11％、19.66％、20.79％以及23.05％；对于双层排水路面成型试件，上面层pac-13空隙率分别为16.36％、18.11％、19.66％、20.79％以及23.05％，对应下面层pac-20空隙率分别为18.56％、19.50％、20.54％、22.15％以及24.29％。

本发明的有益效果是：本发明是将目前简单易行的铺砂法应用于排水路面构造深度测定时，由于排水路面结构内具有较多的连通空隙，细砂易沿空隙下漏，对测试结果造成影响，需要对铺砂法测试结果进行修正。因此，本发明利用ct扫描图像法及手工铺砂法获取不同空隙率及结构组合形式下排水路面构造深度值，将手工铺砂法测定值与ct法测定值的差值作为修正量，基于此，建立单、双层排水路面构造深度修正值与排水面层空隙率之间的关系，从而对手工铺砂法测定结果进行修正，为实际工程提供参考。另外，本发明通过ct扫描技术获得不同扫描深度的图像，该图像可较好地反映混合料中集料的接触形式。通过该方式可获得集料的分布情况，从而得到构造深度的准确值。

附图说明

图1为手工铺砂法测定构造深度试验图。

图2为工业ct扫描示意图及扫描后切片图。

图3为构造深度计算基准线示意图。

图4为单层成型试件构造深度修正量与pac-13空隙率的关系图；

图5为双层成型试件与单层成型试件的构造深度差值与pac-20空隙率的关系图。

其中，图(1a)为铺砂法示意图；图(1b)为砂覆盖面积直径测量示意图；图(2a)为ct扫描示意图；图(2b)为单层排水试件正面图；图(2c)为双层排水试件正面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供的一种基于ct扫描图像的排水路面构造深度修正方法，至少包括以下几个步骤：

第一步、制作试件

选取实际路面中的上、中面层作为研究对象进行结构组合设计，其中单层排水试件组合形式为4cmpac-13+6cmac-20，双层排水试件组合形式为4cmpac-13+6cmpac-20。主要通过控制4.75mm的筛孔通过率与2.36mm的筛孔通过率来改变pac-13排水沥青混合料级配，同时通过调整13.2mm的筛孔通过率和9.5mm的筛孔通过率调整pac-20排水沥青混合料级配。根据设计级配及设计组合形式,将沥青及集料在170℃-180℃下拌和,经过液压型车辙轮碾仪分别制备五个双层排水路面成型试件、五个与双层排水路面成型试件的上面层沥青混合料级配相同的单层排水路面成型试件。

第二步、测定空隙率

利用式(1)对各试件空隙率进行计算：

式中：p——试件空隙率，％；

γs——沥青混合料毛体积相对密度；

γt——沥青混合料理论最大相对密度。

对于单层排水路面，pac-13面层空隙率为16.36％、18.11％、19.66％、20,79％与23.05％；对于双层排水试件，上面层pac-13空隙率为16.36％、18.11％、19.66％、20,79％与23.05％，对应下面层pac-20空隙率为18.56％、19.50％、20.54％、22.15％与24.29％，测定结果及试件编号如表1所示。

第三步、手工铺砂法测定每个成型试件的构造深度

根据《公路沥青路面施工技术》，采用手工铺砂法进行试件构造深度的测定，主要步骤如下：

a)清理各试件表面，用小铲将测试用的小筒注满砂，小筒容积为25cm³±0.15cm³，轻叩试件使砂密实，继续注满砂并抹平。

b)将砂铺在试件表面，用推平板向外摊铺成圆形，并测定两个垂直方向上的直径，如图1所示，其中图(1a)为铺砂法示意图；图(1b)为砂覆盖面积直径测量示意图；构造深度计算公式如下：

式中：td手工——手工铺砂法测定构造深度(cm)；

v——砂的体积，25cm³；

d——摊平砂的平均直径(mm)。

第四步、ct法测定成型试件的构造深度，其包括以下几个步骤：

第4.1步骤、将试件切割成为10cm×10cm×10cm的尺寸形式。

第4.2步骤、利用工业ct从各成型试件顶面、正面和侧面对其进行扫描，获得各方向上每隔0.12mm的扫描图像，如图2所示，其中图(2a)为ct扫描示意图；图(2b)为单层排水成型试件正面图；图(2c)为双层排水成型试件正面图；

第4.3步骤、在所获得的试件正面扫描图像顶部定义一条基准线，以试件测定点到基准线的距离作为相应分段的构造深度值，如图3所示，并以试件左顶点为坐标原点，结合构造深度的定义，通过matlab实现扫描切片的批量处理，通过下式对各空隙率下试件的构造深度进行求解：

式中：tdct——ct法测定构造深度(cm)；

l——试件沿x轴的长度(cm)；

d(x)——试件测定点距表面基准线的距离(cm)。

第五步、修正成型构件的构造深度，建立构造深度修正量与空隙率之间的数学模型，其包含以下几个步骤：

第5.1步骤、将每个单层成型试件采用手工铺砂法与ct法测定的构造深度值作差，获得排水路面成型试件构造深度的修正量δtd单；

第5.2步骤，将单层排水路面成型试件构造深度的修正量δtd单与对应空隙率p13之间进行数学拟合建立数学函数模型，如图4、公式(4)所示；

第5.3步骤，建立双层排水路面成型试件构造深度的修正量与对应空隙率之间的数学函数模型，如图5、公式(5)所示，其函数模型的建立包含有以下几个步骤：

第5.3.1步骤、将上面层与单层排水路面成型试件的空隙率相同的双层排水路面成型试件与单层排水路面成型试件的手工铺砂法测定构造深度值做差，并将差值δtd双－单与双层排水路面成型试件的下面层pac-20空隙率p20之间的关系进行数学拟合，从而获得双层排水路面成型试件基于单层路面排水成型试件的差值δtd双－单与pac-20空隙率p20之间的函数关系；

第5.3.2步骤、将上一步骤中双层排水路面成型试件基于单层排水路面成型试件的差值和pac-20空隙率之间的函数表达式与单层排水路面成型试件的构造深度修正量和pac-13空隙率之间的函数表达式进行做和，得到双层排水路面成型构件的构造深度修正值与pac-13、pac-20空隙率之间的数学函数模型；

单层和双层成型试件构造深度修正值和空隙率之间的数学模型函数公式分别如下：

式中：δtd——构造深度修正量(cm)；

p13——pac-13混合料空隙率(％)；

p20——pac-20混合料空隙率(％)。

表1构造深度测试结果

由上述表1测试结果可以得出，采用手工铺砂法测量排水路面构造深度结果大于ct法测定结果，且两者之间的差值随着空隙率的增大而增大，但是通过本发明方法对手工铺砂法测量结果产生的误差进行修正后构造深度的精确值得到很大的提高，为实际工程提供参考与指导。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。