一种针对路基病害模拟模型构建方法、试验方法及系统

本发明属于道路病害预防，尤其涉及一种针对路基病害模拟模型构建方法、试验方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、随着交通运输的快速发展，路网建设越来越重要，路基结构的稳定性和安全性成为保障道路运输顺畅和人民生命财产安全的关键。

3、现如今路基病害形势日益严峻，随着交通运输的不断发展和车辆负荷的增加，路基病害给道路安全和可持续发展带来了巨大挑战，目前较为常见的路基病害包括路基沉降、松散、开裂以及管线泄漏等等各种因素。

4、针对路基病害模拟常采用的方法是：采用缩尺模型试验研究路基病害，通常基于缩小尺寸的路基结构实体模型进行室内加载和性能状态感知，模拟真实交通运输条件下的荷载、环境和病害影响，以评估路基结构的性能状态。

5、发明人发现，传统的路基病害模拟，存在的技术缺陷是：无法全面考虑影响因素：传统实验往往只能考虑其中一两个病害因素，难以全面考虑各种可能的影响因素；数据获取困难：在实验过程中获取路基病害的相关数据困难，无法完全了解病害的形成机制和规律。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种针对路基病害模拟模型构建方法、试验方法及系统，其首先构建了针对路基病害模拟模型，基于该模型模拟路基沉降、裂缝、松散和管线断裂等病害的实验方法，在不同对照组对不同病害进行多元感知设备的数据关联，采集在复杂场景下路基多种病害的数据状态并依靠对照试验的方法归纳总结数据规律，从而精准判别病害类型。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一方面提供一种针对路基病害模拟模型构建方法，包括如下步骤：

4、根据实际道路各层级的性质确定待构建模型中面层、上基层、下基层和土基层每一层的材料；

5、基于待构建模型中面层、上基层、下基层和土基层每一层的材料，确定各层级厚度、车辆荷载加载方式与边界条件；

6、结合各类传感器的工作原理以及各类病害的多发层级确定传感器的安装方位和数量；

7、基于各层级的材料、厚度、车辆荷载加载方式与边界条件以及传感器的安装方位和数量进行装配得到路基病害模拟模型。

8、进一步地，所述待构建模型中面层、上基层、下基层和土基层每一层的材料，分别为：面层只作为传力结构，选取沥青木板作为代替材料；上基层、下基层和土基层采用原本道路所用材料。

9、进一步地，各层级厚度、车辆荷载加载方式与边界条件包括：

10、在模型构建之前，将上基层与面层之间粘结起来，模拟不同层级之间相互的力学性质；

11、在模拟管道泄露和渗水的病害情景时，考虑到实际工况中管线的材质故选择在土基层埋设管道，参考管线埋设深度的标准，将其埋设在土基层；

12、加载方式分为静载和动载两种，采取先静载再动载的加载顺序，对试件施加动荷载。

13、进一步地，所述结合各类传感器的工作原理以及各类病害的多发层级确定传感器的安装方位和数量，包括：

14、针对土基层、上基层和下基层部分的土压力部分采用土压力盒，分别埋设在上基层的中间与土基的中间；

15、模型中各层级之间的应变则由应变片采集，在各个层级粘结处布设多个应变片，并且在土基中央布设安装应变片以检测土基应变；

16、在检测管道破裂渗水的病害时采用湿度计，在土基层部分在不同高度的条件下埋设湿度计来检测渗水的时间与位置的关系；

17、位移计的布设将一端安装在面层顶部，下端探头添加圆形铁片并埋设在面层与上基层之间；

18、分布式光纤安装时将其进行折叠布设，配合土压力盒子构建出整体模型的沉降量与所受压力。

19、进一步地，所述基于各层级的材料、厚度、车辆荷载加载方式与边界条件以及传感器的安装方位和数量进行装配得到路基病害模拟模型，包括：

20、基于土基层的材料和确定的厚度，自下而上将不同类型的传感器埋设装配；

21、将土基层部分压实，并在距土基层表面预设距离中心不同位置处埋设应变片，在下基层和上基层表面在距其表面预设距离中心不同位置处埋设应变片，在对应的基层添加相应的材料进行装配，至此，完成整个基层的装配；

22、在距离中心一定距离埋设应变片，并且在距离中心一定距离处埋设位移计铁片并与位移计相接，最后覆盖面层材料。

23、进一步地，所述基于土基层的材料和确定的厚度，自下而上将不同类型的传感器埋设装配的过程包括：

24、在土基层填充第一高度的粉质砂土并在中心线埋设模拟管线，并在距离模拟管线不同距离的位置分别安装湿度计，继续填充第二高度的粉质砂土，并在同纵向轴处分别埋设两只湿度计；继续填充第三高度的粉质砂土，到达土基层中心，埋设土压力盒子，在距离中心不同距离处埋设应变片，最后填充第四高度的粉质砂土，至此土基部分完成装配。

25、本发明的第二方面提供一种针对路基病害模拟试验方法，基于第一方面构建的针对路基病害模拟模型进行路基病害模拟试验，包括如下步骤：

26、通过改变路基病害模拟模型的性质得到多种路基病害；

27、设置多组对照试验，每组对照试验包含正常路基和多种路基病害；

28、采集正常路基和多种路基病害情况下的传感器数据；

29、分析正常路基和多种路基病害情况下的传感器数据的联系，通过层次分析法归纳得到在实际路基情况下病害出现时的传感器阈值。

30、进一步地，所述通过改变路基病害模拟模型的性质得到多种路基病害，包括：

31、通过在模型不同位置施加不同的荷载来实现路基的不均匀沉降病害；

32、通过在模型内部嵌入裂缝材料或使用不同刚度的材料来模拟路基的裂缝病害；

33、采用其他土壤或土工材料代表软弱路基来模拟路基松散病害；

34、在水管中注入水，确保其能够在水管破裂处流到土基模型中来模拟管线断裂病害。

35、进一步地，将采集得到多组的正常路基和多种路基病害情况下的传感器数据求平均值再进行分析。

36、本发明的第三方面提供一种针对路基病害模拟试验系统，包括：

37、病害获取模块，其用于通过改变路基病害模拟模型的性质得到多种路基病害；

38、数据获取模块，其用于设置多组对照试验，每组对照试验包含正常路基和多种路基病害；采集正常路基和多种路基病害情况下的传感器数据；

39、试验分析模块，其用于分析正常路基和多种路基病害情况下的传感器数据的联系，通过层次分析法归纳得到在实际路基情况下病害出现时的传感器阈值。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

41、1、本发明通过采用模型试验与基于多源传感器的埋设方式可以更全面地模拟多种路基病害还可以获取路基模型精确的实验数据。

42、2、本发明分别使用应变片和分布式光纤采集不同层面的应变，同样的，在应变的相应点位有土压力盒子来检测每个应变点的应变，再结合其他仪器数据，在不同对照组对不同病害进行多元感知设备的数据关联，从而精准判别病害类型；

43、3、本发明对管线泄露病害展开单独的研讨，模拟了在实际埋设深度使用相同材质状况下的管道破裂并渗水时的情景，使用湿度计对模拟破裂的管线进行了检测和数据分析，从而模拟出水流在土基层中的浸润范围与浸润速度；

44、4、本发明通过制造路基病害，可以在模型槽中模拟出一种或者多种病害，通过这种方式可以采集在复杂场景下路基多种病害的数据状态并依靠对照试验的方法归纳总结数据规律；

45、5、本发明以整体承载力作为评价参数，通过试验数据反馈，自动调整模型参数，使得模型更贴近实际情况，从而更准确地评估整体承载力，使得路基模型试验更准确、全面地评估路基结构的性能。

46、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。