动态荷载作用下沥青混合料孔隙水压力测量与分析方法

本发明属于道路工程孔隙水压力测量领域，具体涉及一种动态荷载作用下基于真实沥青路面固-液-气三相并存特有状态的沥青混合料孔隙水压力测量。

背景技术：

1、动态荷载作用下沥青路面内产生的复杂孔隙水压力响应是道路工程领域特有的现象，也是造成沥青路面水损伤的本源。覆盖在路表的水分在沥青混合料多孔介质特性与车辆荷载作用下进入路面内部，并在空隙中产生正孔隙水压力，而当车辆荷载消失时，空隙内的水分受泵吸作用形成负孔隙水压力。动态循环车辆荷载作用下，正负孔隙水压力循环交替造成沥青膜或沥青-集料间开裂，进而造成沥青路面发生松散、坑槽等不可逆劣化。因此，明确动态荷载作用下沥青路面孔隙水压力响应特征是准确高效预防道路水损害的前提。

2、目前对于荷载作用下沥青混合料孔隙水压力的测量主要围绕真实路面和室内模拟展开。例如，在真实路面直接埋置压力传感器对孔隙水压力进行测量，但沥青路面空隙率分布并不均匀，且路面水损害也更多发生在孔隙率较大的路面离析处，未测量评估埋置点沥青混合料孔隙率也造成孔隙水压力的测量结果无法为高效、准确预防道路水损害提供参考，且路面实测实验时不可控影响因素过多，而可控的因素多局限于车辆荷载、车辆速度及作用次数，这也进一步造成该测量方法的局限性。同时，室内试验基于模拟沥青路面受作用方式进而测量沥青混合料内部孔隙水压力，但沥青路面受荷载作用模拟方式普遍不当或考虑不够完全。例如，专利cn201610022602.6和专利cn201620029709.9采用气压驱动水来向沥青混合料施加压力，同时并未向试件施加固定围压，且沥青混合料底部压力情况未知，由于水和空气的可压缩性存在较大差别，该压力施加方式与真实路面存在较大差别，且实验过程沥青混合料围压和底部压力未知也造成孔隙水的传输方向未知。这种仅考虑沥青混合料上顶部荷载状态的模拟方式在专利cn201620748874.x中同样存在。荷载时间间隔能够影响到路面材料和结构的疲劳寿命，但目前鲜有研究突出荷载间隔时间对路面受荷载作用下孔隙水压力响应特征的影响。更重要的是，沥青路面是处于特殊的固-液-气三相并存状态，而目前不论是室外测量和室内模拟测量均忽略了路面的这一状态，即忽略了沥青路面饱和度对孔隙水压力响应的影响。

3、因此，现有沥青混合料孔隙水压力缺失室内合理有效的模拟测量装置，孔隙水压力传感器埋置未结合待测样本空隙特征，且存在对多影响因素下固-液-气三相并存特有状态的沥青路面孔隙水压力响应研究的不彻底、不系统的问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有动态荷载作用下沥青混合料孔隙水压力测量忽略了传感器埋置点沥青混合料的孔隙结构，未充分考虑荷载作用下真实沥青路面的受作用特征和固-液-气三相并存特有状态以及缺乏荷载间隔时间对孔隙水压力响应特征影响等问题，而提供一种动态荷载作用下沥青混合料孔隙水压力测量与分析方法。

2、本发明动态荷载作用下沥青混合料孔隙水压力测量与分析方法按照以下步骤实现：

3、一、压实成型沥青混合料，将变形抑制管套设在沥青混合料上，变形抑制管与沥青混合料之间填充胶黏剂，胶黏剂固化后得到沥青混合料组件；

4、二、将沥青混合料组件放入真空饱水装置中进行饱水处理，再埋置多个孔隙水压力传感器，得到饱和度处理后的试件；

5、三、将环形气囊和饱和度处理后的试件放置于沥青混合料承压夹持装置中的台阶上，上顶盖盖设在侧限套筒上，控制气泵向环形气囊充入气体，通过螺栓固定上顶盖和侧限套筒，从接口向注水腔内注入水分，完成沥青混合料承压夹持装置的组装；

6、四、通过气泵向环形气囊充入气体，控制沥青混合料组件的围压大小，关闭充气阀门，从接口向注水腔内的水分施加脉冲水压，脉冲水压设置为无荷载作用间隔时间和有荷载作用间隔时间两种加载模式；

7、五、通过孔隙水压力传感器采集孔隙水压力时序信号，孔隙水压力时序信号通过数字滤波器进行降噪处理，以抑制空气对空隙压力信号的干扰，获得降噪后的孔隙水压力信号，从而完成动态荷载作用下沥青混合料孔隙水压力的测量；

8、其中步骤五中所述的数字滤波器为带通滤波器或者高通滤波器，当数字滤波器为高通滤波器时，高通滤波器的截止频率为5hz；当数字滤波器为带通滤波器时，带通滤波器截止频率下限为5hz，截止上限为10hz；

9、所述的沥青混合料承压夹持装置包括上顶盖、接口、侧限套筒、环形气囊、气泵和台阶，在上顶盖的中心处开有接口，上顶盖的下表面设置有凸台座，凸台座的底面开有注水腔，接口与注水腔相通，注水腔的外缘形成圆环凸沿；

10、在侧限套筒的筒内壁下部设置有台阶，沥青混合料组件放置在台阶上，沥青混合料组件与侧限套筒的内壁之间设置有环形气囊，环形气囊通过气管与气泵相连，上顶盖盖设在侧限套筒上并通过螺栓紧固，在上顶盖的圆环凸沿与沥青混合料之间垫设有环形状胶圈。

11、本发明提出了一种动态荷载作用下沥青混合料孔隙水压力测量方法。基于沥青混合料纵横向孔隙率分布特征实现孔隙水压力传感器在沥青混合料内部的精确埋置，设计沥青混合料承压夹持装置，与脉冲压力测试台和传感器测量端联合构成测量平台。基于测量平台获取的空隙压力数据，采用傅里叶变换方法解析处理得到空气等非水介质对测量结果的干扰频段，并设计数字滤波器降噪处理孔隙压力信号，排除空气等非水介质对测量结果的干扰，最终建立基于沥青路面固-液-气三相并存的特有状态，满足多种因素及不同时空下沥青路面孔隙水压力高精确度、准确度的测量与分析方法。

12、本发明动态荷载作用下沥青混合料孔隙水压力测量与分析方法包括以下有益效果：

13、1)基于沥青混合料纵横向孔隙率分布特征提出孔隙水压力传感器在沥青混合料内部的埋置方法；

14、针对沥青混合料中空隙和集料分布的不均匀性直接关系到沥青路面空隙水的分布，进而影响了孔隙水压力的测量结果。本发明结合沥青混合料和孔隙水压力传感器的尺寸，基于x-ray断层成像技术将待测量沥青混合料试件三维重构后的数字化空隙模型分割为五部分，提取并分析每一部分的纵横向孔隙率变化。孔隙水压力传感器的测量端是获取孔隙水压力信号的关键，为了使获取到的孔隙水压力信号能充分代表该试件受动态荷载作用时的孔隙水压力响应特征，传感器测量端所处的埋置点周围孔隙率应该均匀变化且埋置点孔隙率与沥青混合料孔隙率大小高度一致。以上述传感器埋置关键点为原则确定孔隙水压力传感器在试件内部的埋置点位。

15、2)采用顶端循环脉冲压力作用，气压夹持固定，孔隙水压力传感器同步采集的方式实现沥青混合料孔隙水压力的测量，并设计沥青混合料承压夹持装置；

16、采用水为压力传导介质，循环脉冲压力为作用方式，气囊提供可控围压，封闭沥青混合料侧壁以及顶部水分，仅沥青混合料上顶面受压力，下端连接自由端的方式夹持固定沥青混合料并设计配套承压夹持装置；同时，传感器测量端从被夹持沥青混合料底部外接计算机；沥青混合料承压夹持装置可以实现仅上顶面受循环脉冲压力作用且底部压力已知、围压精确可控，不仅有效模拟真实路面荷载作用下沥青混合料内部水分被抽吸过程，而且有效隔绝了压力外泄和与围压间的相互干扰。通过循环脉冲压力平台，承压夹持装置和孔隙水压力计三者的连接不仅可以有效模拟真实路面受作用特征且保证沥青混合料内部水分自上而下的传输，而且可以有效探究不同围压条件下沥青混合料孔隙水压力响应特征。

17、3)综合考虑脉冲压力平台的输出稳定性和真实路面荷载条件确定荷载关键参数，提出不同加载模式下沥青混合料孔隙水压力响应差异；

18、根据《公路工程技术标准》，现实路面真实交通状况以及车辆与路面相互作用关系，确定该测试方法的脉冲荷载施加关键参数，例如荷载压力大小、频率等；此外，荷载时间间隔能够影响到路面材料和结构的疲劳寿命，有时间间隔的间断加载模式下沥青混合料孔隙水压力响应仅能间接反映对路面材料服役性能的影响，这也是现有孔隙水压力测量的主要对象，但是鉴于荷载消除后沥青混合料内部水分仍然处于一个振荡状态，且稳态振动作用下材料的动态响应也是评估沥青混合料性能不可忽略的方面，故本发明提出有无荷载作用间隔时间的两种不同加载模式下沥青混合料孔隙水压力差异，阐述无荷载作用时间间隔时，处于稳态振动条件下路面孔隙水压力响应的特征。

19、4)采用快速傅里叶变换方法分析荷载作用下空气对测量结果的干扰，并设计基于干扰频段的fft数字滤波器对干扰噪声抑制；

20、考虑到非饱和沥青混合料中气体成分占比较高，特别是在密级配、低空隙率沥青混合料中基本不会发生水的定向流动，所以空气等介质的流动会对测量结果造成很大干扰。本发明通过快速傅里叶变换(fft)实现空隙压力时序信号向频序信号的转换，通过频谱图得到信号在不同频率下的能量密度分布情况，进而确定孔隙水压力测量受干扰频段；鉴于数字滤波器对干扰噪声的处理通过使用计算机等高速数字电路实现，处理速度更快，且具有更高的精度和稳定性，所以基于干扰频段确定滤波器截止频率范围，并设计fft数字滤波器的截止频率来抑制噪声干扰。