基于路面监测的公路机场沥青道面模量反算装置及方法

摘要

本发明涉及一种基于路面监测的公路机场沥青道面模量反算装置及反算方法。它满足公路/机场沥青道面在不停车/停航条件下的沥青层模量实时评估需求。它需要在沥青路面的沥青层层底埋设横向应变传感器、纵向应变传感器、竖向应变传感器、土压力计、温度传感器、轴位置传感器；通过光纤光栅解调仪对监测数据进行采集，并获得车辆/飞机荷载关键信息，如行驶速度、轴位置、应力/应变响应、路面温度等，用于反算的输入；最后通过双层层状弹性体系解析方法，将路面结构沥青层看作整体，沥青层以下结构视为半空间体，反复迭代计算沥青层模量，从而实现公路/机场沥青道面沥青层模量反算与评估。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于路面应力应变监测的公路机场沥青道面模量反算装置及反算方法。

背景技术

真实掌握路面结构的内部工作状况是极为重要的，路面结构体系作为一个外部结构物，不但自身构造复杂，材料性质差异多样，而且受外界环境和荷载的反复作用，其内部的工作状态不可避免地受到影响，从而体现在宏观使用性能的降低；其中沥青层模量就是一个反映路面使用性能的重要参数，其与沥青路面疲劳和车辙演变有很大关联，因此，适时掌握评估在自然环境和车辆/飞机荷载作用下路面沥青层的模量，有助于及时做出道面结构的“健康状况”的评估，从而及时、合理、优化的做出道面结构养护维修决策。

以往路面模量测试方法，如承载板法、落锤式弯沉仪(FWD)等，均是在停止交通的前提下，对路面表面进行加载，并测试路表弯沉，以反算各结构层模量，然而路表弯沉反映的路面综合承载能力，而不能体现路面多层结构的材料性质差异，故路面各结构层模量无法通过弯沉数据反算并迭代收敛，基于信息融合和光纤光栅传感技术的路面结构性能监测技术可以实时掌握路面结构内部受外界环境和荷载的反复作用下的应力、应变、温度等信息，并通过双层层状弹性体系理论迭代收敛沥青层模量，为路面模量反算提供了新方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种不需停车、停航，可在沥青道面内部监测，能体现路面多层结构的材料性质差异，从而使路面结构层模量通过应力应变监测数据反算并迭代收敛的沥青道面模量反算装置及反算方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于路面监测的公路机场沥青道面模量反算装置，它包括横向应变传感器、纵向应变传感器、竖向应变传感器、土压力计、温度传感器、轴位置传感器、光纤光栅解调仪、服务器和双层层状弹性体系解析计算装置；所述横向应变传感器、纵向应变传感器、竖向应变传感器、土压力计、温度传感器和轴位置传感器均为光纤布拉格光栅传感器；所述横向应变传感器、纵向应变传感器、竖向应变传感器、土压力计、温度传感器和轴位置传感器均安装在路面沥青层层底；光纤光栅解调仪、服务器设置于安全区域机房内；双层层状弹性体系解析计算装置与服务器配合设置。

所述的横向应变传感器垂直于车辆/飞机行驶方向埋设于沥青层底部，且针对不同车辆轴型分布于车辆加载的区域，针对不同的机型轮组分布于距离道中线(主起落架间距+轮距)/2处；每个横向应变传感器均用于测量沥青道面的横向应变；所述横向应变传感器的横向应变信号输出端分别与光纤光栅解调仪的横向应变信号输入端连接；所述的横向应变传感器设置至少两个。通过两个横向应变传感器的响应峰值时间差和纵向埋设间距，可确定行驶速度。

所述的纵向应变传感器平行于车辆/飞机行驶方向埋设于沥青层底部，且针对不同车辆轴型分布于车辆加载的区域，针对不同机型轮组分布于距离道中线(主起落架间距+轮距)/2处；每个纵向应变传感器均用于测量沥青道面的纵向应变；所述纵向应变传感器的纵向应变信号输出端分别与光纤光栅解调仪的纵向应变信号输入端连接；所述的纵向应变传感器设置至少两个。通过两个纵向应变传感器的响应峰值时间差和纵向埋设间距，可确定行驶速度。

所述的竖向应变传感器埋设在沥青层底部，且针对不同车辆轴型分布于车辆加载的区域，针对不同机型轮组分布于距离道中线(主起落架间距+轮距)/2处；每个竖向应变传感器均用于测量沥青路面的竖向应变；所述竖向应变传感器的竖向应变信号输出端分别与光纤光栅解调仪的竖向应变信号输入端连接；所述的竖向应变传感器设置至少两个。通过两个竖向应变传感器的响应峰值时间差和纵向埋设间距，可确定行驶速度。

所述的土压力计埋设在沥青层底部，且针对不同车辆轴型分布于车辆加载的区域，针对不同机型轮组分布于距离道中线(主起落架间距+轮距)/2处；每个土压力计均用于测量沥青层底部受到的竖向应力；所述土压力计的土压信号输出端与光纤光栅解调仪的土压信号输入端连接；所述的土压力计至少设置两个。通过两个土压力计的响应峰值时间差和纵向埋设间距，可确定行驶速度。

所述的温度传感器平行于飞机行驶方向埋设在沥青层底部靠近路肩的位置；每个温度传感器均用于测量沥青层的温度；所述温度传感器的温度信号输出端与光纤光栅解调仪的温度信号输入端连接；所述温度传感器设置至少两个。

所述的轴位置传感器包括纵向应变传感器，埋设在沥青层的底部，且平行于车辆/飞机行驶方向。对于公路路面所述轴位置传感器分布于车辆经常的区域，传感器横向间距Xm，共5个，传感器应变最大的点为一个车轮的作用位置，其识别精度为X m，用于测量车辆的加载位置；对于机场道面所述轴位置传感器为纵向间隔0.5m布设的依次偏移道面中心线的纵向应变传感器，偏移量从-2X m～4X m，间隔X cm，传感器应变最大的点为前起落架的一个鼻轮的作用位置，其识别精度为X m，用于测量飞机的加载位置；传感器横向间距X由行驶车辆或飞机轮组尺寸决定，一般取0.2m。所述轴位置传感器的荷载定位信息输出端与光纤光栅解调仪的荷载定位信息输入端连接。

所述的服务器通过网线与光纤光栅解调仪相连，把监测数据存储在硬盘内中。

一种基于路面监测的公路机场沥青道面模量反算装置的反算方法，将路面结构沥青层看作整体，沥青层以下结构视为半空间体，根据双层层状弹性体系理论可知沥青层底应力只与双层结构模量比相关，沥青层底应变只与双层结构模量比和沥青层模量相关，故通过监测的竖向应力与根据行驶速度、轴位置、温度等参数输入计算的竖向应力，可迭代收敛双层结构模量比，再通过监测的应变与根据行驶速度、轴位置、温度等参数输入计算的应变，可迭代收敛沥青层模量。

本发明的有益效果是：通过采用本发明的技术方案

(1)实现了公路/机场沥青道面长期实时监测，为未来公路/机场沥青道面结构信息监测探索方向；

(2)可监测实际公路/机场沥青道面内部在车辆/飞机荷载作用下动力响应状态，分析公路/机场沥青道面的工作机理；

(3)提供了在不停车/停航条件下对公路/机场沥青道面沥青层模量进行反算与评估的方法，降低了公路/机场沥青道面的运营成本，提高了利用效率。

(4)根据测得机场沥青道面动力响应实际数据和沥青层模量反算结果可对道面未来的性能(车辙、疲劳寿命、裂缝)进行预估。基于预估结果，为公路/机场沥青道面的养护维修提供技术支持。

附图说明

图1为本发明的结构示意框图。

图2为本发明双层层状弹性体系理论反算计算流程图。

图3是具体实施方式中公路路面各传感器的布设位置平面示意图。

图4是具体实施方式中机场道面各传感器的布设位置平面示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

结合图1、图2、图3及图4说明本具体实施方式，一种基于路面监测的公路机场沥青道面模量反算装置，包括横向应变传感器1、纵向应变传感器2、竖向应变传感器3、土压力计4、温度传感器5、轴位置传感器6、光纤光栅解调仪7、服务器8和双层层状弹性体系解析计算装置9；所述横向应变传感器1、纵向应变传感器2、竖向应变传感器3、土压力计4、温度传感器5和轴位置传感器6均为光纤布拉格光栅传感器；所述横向应变传感器1、纵向应变传感器2、竖向应变传感器3、土压力计4、温度传感器5和轴位置传感器6均位于路面沥青层层底；光纤光栅解调仪7、服务器8位于安全区域机房内；双层层状弹性体系解析计算装置9与服务器配合设置。

横向应变传感器1均垂直于车辆/飞机行驶方向埋设于沥青层底部，且针对不同车辆轴型分布于车辆经常加载的区域，针对不同机型轮组分布于距离道中线(主起落架间距+轮距)/2处；每个横向应变传感器1均用于测量沥青道面的横向应变；所述横向应变传感器1的横向应变信号输出端分别与光纤光栅解调仪7的横向应变信号输入端连接；所述的横向应变传感器1设置至少两个，通过两个横向应变传感器的响应峰值时间差和纵向埋设间距，可确定行驶速度。

纵向应变传感器2均平行于车辆/飞机行驶方向埋设于沥青层底部，且针对不同车辆轴型分布于车辆经常加载的区域，针对不同机型轮组分布于距离道中线(主起落架间距+轮距)/2处；每个纵向应变传感器2均用于测量沥青道面的纵向应变；所述纵向应变传感器2的纵向应变信号输出端分别与光纤光栅解调仪7的纵向应变信号输入端连接；所述的纵向应变传感器设置至少两个，通过两个纵向应变传感器的响应峰值时间差和纵向埋设间距，可确定行驶速度。

竖向应变传感器5均埋设在沥青层底部，且针对不同车辆轴型分布于车辆经常加载的区域，针对不同机型轮组分布于距离道中线(主起落架间距+轮距)/2处；每个竖向应变传感器5均用于测量沥青路面的竖向应变；所述竖向应变传感器5的竖向应变信号输出端分别与光纤光栅解调仪7的竖向应变信号输入端连接；竖向应变传感器设置至少两个，通过两个竖向应变传感器的响应峰值时间差和纵向埋设间距，可确定行驶速度。

土压力计4均埋设在沥青层底部，且针对不同车辆轴型分布于车辆经常加载的区域，针对不同机型轮组分布于距离道中线(主起落架间距+轮距)/2处；每个土压力计4均用于测量沥青层底部受到的竖向应力；所述土压力计4的土压信号输出端与光纤光栅解调仪7的土压信号输入端连接；所述的土压力计4设置至少两个，通过两个土压力计的响应峰值时间差和纵向埋设间距，可确定行驶速度。

温度传感器3均平行于飞机行驶方向埋设在沥青层底部靠近路肩的位置；每个温度传感器3均用于测量沥青层的温度；所述温度传感器3的温度信号输出端与光纤光栅解调仪7的温度信号输入端连接；所述的温度传感器设置至少两个。

轴位置传感器6为一系列纵向应变传感器，埋设在沥青层的底部，且平行于车辆/飞机行驶方向，对于公路路面所述轴位置传感器6分布于车辆经常加载的区域，传感器横向间距X m，共5个，传感器应变最大的点为一个车轮的作用位置，其识别精度为X m，用于测量车辆的加载位置；对于机场道面所述轴位置传感器6为纵向间隔0.5m布设的依次偏移道面中心线的纵向应变传感器，偏移量从-2X m～4X m，间隔X cm，传感器应变最大的点为前起落架的一个鼻轮的作用位置，其识别精度为X m，用于测量飞机的加载位置；传感器横向间距X由行驶车辆或飞机轮组尺寸决定，一般取0.2m。所述轴位置传感器7的荷载定位信息输出端与光纤光栅解调仪7的荷载定位信息输入端连接。

光纤光栅解调仪7置于安全区域机房内，传感器通过光纤与光纤光栅解调仪相连。

服务器8通过网线与光纤光栅解调仪7相连，把监测数据存储在硬盘内中。

双层层状弹性体系解析装置9安装于服务器内，以监测数据中提取的竖向应力、三向应变、行驶速度、轴位置、温度等作为输入，迭代反算路面结构沥青层模量，具体反算方法如下：由于将路面结构沥青层看作整体，沥青层以下结构视为半空间体，根据双层层状弹性体系理论可知沥青层底应力只与双层结构模量比相关，沥青层底应变只与双层结构模量比和沥青层模量相关，故通过监测的竖向应力与根据行驶速度、轴位置、温度等参数输入计算的竖向应力，可迭代收敛双层结构模量比，再通过监测的应变与根据行驶速度、轴位置、温度等参数输入计算的应变，可迭代收敛沥青层模量。

所述的横向应变传感器1、纵向应变传感器2、竖向应变传感器3、土压力计4、温度传感器5、和轴位置传感器6均通过光纤与光纤光栅解调仪7进行信号传输；光纤光栅解调仪7通过网线与服务器8进行信号传输；通过服务器内双层层状弹性体系解析计算装置9计算路面结构沥青层模量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。