一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法与流程

本发明涉及道路工程领域，具体涉及一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法。

背景技术：

1、沥青路面结构层模量是评估沥青路面结构性能和预测沥青路面剩余寿命的关键指标。落锤式弯沉仪试验是获取路面结构层模量的一种方法，该方法通过对路面施加一定冲击荷载，获取荷载作用下的路面弯沉。以弹性层状体系法、有限单元法等方法为正演计算方法，假定路面结构层模量参数，计算路面结构在荷载作用下的变形响应。

2、应变等物理信息监测方法在路面结构性能评估中得到了广泛的应用，但目前在路面结构层模量反演方法中缺少对融合落锤式弯沉仪试验弯沉和结构层应变监测信息的考虑。仅采用落锤式弯沉仪试验弯沉信息仅考虑路面结构在荷载作用下的表面变形，而对于路面结构内部的变形考虑是不充分的。在路面结构层模量反演中考虑对路面弯沉和结构层应变等多源信息的融合，能够实现对路面结构层更为精确的表征，也能够提升路面结构层模量反演结果的准确性。

3、一种在中国专利文献上公开的“一种同步确定沥青路面结构层模量和沥青面层泊松比的反算方法”，其公告号cn110110495b，通过建立沥青面层材料动态模量e与泊松比μ之间的关系模型，通过落锤式弯沉仪测定一组拟反算路面的实测弯沉盆数据；通过基于同伦算法的路面结构层模量反演方法计算得到一组面层、基层、底基层和土基模量；然后将反演计算的沥青面层模量代入沥青面层材料动态模量e与泊松比μ的关系模型中，得到沥青面层的修正泊松比；最后通过迭代计算从而确定路面各结构层最终的模量及沥青面层的泊松比，但这种方法缺乏多源信息的融合，信息源单一，不能作为对路面结构层最精确的表征。

技术实现思路

1、本发明主要解决目前在路面结构层模量反演方法中缺少对融合落锤式弯沉仪试验弯沉和结构层应变监测信息的考虑，以及对于路面结构内部的变形考虑不充分的问题；提供一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法，包括集中式卡尔曼滤波算法和有限单元法的两大模块，其中集中式卡尔曼滤波算法能够实现对路面结构层模量参数的优化和对多源信息的融合，有限单元法模拟路面结构在荷载作用下的响应，计算荷载作用下路面的弯沉和结构层应变。

2、本发明的技术方案采用以下步骤：

3、s1：通过落锤式弯沉仪试验，获取荷载作用下，在荷载中心范围内的路面弯沉和荷载中心结构层应变信息；所述路面为由面层、基层和路基所组成的三层层状体系结构。其中面层覆盖于基层之上，基层覆盖于路基之上，对于三层以上路面结构，将实际路面结构等效为三层结构。

4、s2：根据路面结构层材料特性设定路面结构层模量初始值，并将其代入正演算法，计算沥青路面结构在落锤式弯沉仪荷载作用下的路面弯沉和结构层应变，所述正演算法为能够模拟沥青路面在落锤式弯沉仪试验荷载作用下的路面结构响应的方法。

5、s3：将计算得到弯沉和结构层应变与实测弯沉和结构层应变对比，并计算计算值与实测值的差值将差值与允许阈值进行对比。

6、s4：当计算值与实测值的差值小于允许阈值时，即认为给定的结构层模量为实际路面的结构层模量，当差值大于允许阈值时，利用结构层模量反演方法中的集中式卡尔曼滤波算法对路面结构层模量参数进行优化，至优化后的结构层模量的计算值与实测值的差值小于允许阈值，此时的结构层模量即实际的路面结构层模量。

7、作为优选，所述步骤s1中包括，获取落锤式弯沉仪实验中距离荷载作用中心一定范围内的沥青路面弯沉和结构层应变；其中弯沉测量位置包括落锤式弯沉仪试验中荷载作用的中心位置和距离荷载作用中心一定距离的7～9个点位，点位由荷载作用的中心位置向外扩散；结构层应变测量位置为荷载作用中心面层底部或基层底部的1～2个点位。

8、作为优选，所述步骤s2中，根据路面结构层材料强度试验结果，确定路面结构层模量参数初始值；或根据相似材料的已有研究结论、行业规范推荐数值及行业领域专家经验确定路面结构层模量参数初始值，路面结构包括面层，基层和路基三层层状体系结构，规定路面结构层模量初始值的分布范围面层为2000～22000mpa，基层为3000～23000mpa，路基为100～400mpa。

9、作为优选，所述步骤s2中，正演算法具体为有限单元法，模拟路面结构在荷载作用下的响应，通过给定路面结构层模量参数，可计算路面结构在落锤式弯沉仪试验荷载作用下的变形，包括路面的弯沉变形和结构层应变；落锤式弯沉仪试验荷载通常可以在试验过程中由落锤式弯沉仪设备直接测定确定。

10、作为优选，所述步骤s3中，当计算值与实测值的差值小于允许阈值时，规定路面结构层模量初始值即为实际路面的结构层模量。其中，所述允许阈值为预先确定的所允许的最大计算值与实测值偏差。

11、作为优选，所述步骤s3中，当计算值与实测值的差值大于允许阈值时，利用集中式卡尔曼滤波算法对路面结构层模量参数进行优化。所述集中式卡尔曼滤波算法为基于观测矩阵增广的算法，所述观测矩阵增广为将路面弯沉与结构层应变信息堆栈形成新的一维观测矩阵。

12、作为优选，所述步骤s3具体为，在应用集中式卡尔曼滤波算法优化结构层模量参数时，将堆栈形成的一维观测矩阵作为卡尔曼滤波算法的观测矩阵，将输入的结构层模量参数作为当前迭代步的状态向量值，采用集中式卡尔曼滤波算法根据计算值与实测值的差值对当前迭代步的状态向量进行优化，并将该结构层模量参数作为下一个迭代步的状态向量值。

13、作为优选，所述步骤s4中，当通过集中式卡尔曼滤波算法优化后的计算值与实测值的差值小于允许阈值时，通过集中式卡尔曼滤波算法优化后的路面结构层模量即为实际路面的结构层模量。

14、作为优选，所述步骤s4中，当计算值与实测值的差值大于允许阈值时，将优化后的结构层模量代入到集中式卡尔曼滤波算法，对结构层模量参数进行优化，至优化后的结构层模量的计算值与实测值的差值小于允许阈值，此时的结构层模量即实际的路面结构层模量。

15、作为优选，计算值与实测值差值的绝对值的最大值作为计算值与实测值的差值衡量指标，根据研究结论确定允许阈值，规定偏差允许阈值为1μm/με～5μm/με。

技术特征：

1.一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法，其特征在于，所述步骤s1中，弯沉测量位置包括，落锤式弯沉仪试验中荷载作用的中心位置与距离荷载作用中心一定距离的7～9个点位，点位由荷载作用的中心位置向外扩散；结构层应变测量位置为荷载作用中心面层底部或基层底部的1～2个点位。

3.根据权利要求1或2所述的一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法，其特征在于，所述步骤s2中，路面结构包括面层，基层和路基三层层状体系结构，规定路面结构层模量初始值的分布范围面层为2000～22000mpa，基层为3000～23000mpa，路基为100～400mpa。

4.根据权利要求3所述的一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法，其特征在于，所述步骤s2中，正演算法具体为有限单元法，模拟路面结构在荷载作用下的响应。

5.根据权利要求1或2所述的一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法，其特征在于，所述步骤s3中，当计算值与实测值的差值小于允许阈值时，规定路面结构层模量初始值即为实际路面的结构层模量。

6.根据权利要求5所述的一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法，其特征在于，所述步骤s3中，当计算值与实测值的差值大于允许阈值时，利用集中式卡尔曼滤波算法对路面结构层模量参数进行优化。

7.根据权利要求1或2所述的一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法，其特征在于，所述步骤s3具体为，将输入的结构层模量参数作为当前迭代步的状态向量值，采用集中式卡尔曼滤波算法根据计算值与实测值的差值对当前迭代步的状态向量进行优化，并将该结构层模量参数作为下一个迭代步的状态向量值。

8.根据权利要求1所述的一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法，其特征在于，所述步骤s4中，当优化后的计算值与实测值的差值小于允许阈值时，优化后的路面结构层模量即为实际路面的结构层模量。

9.根据权利要求8所述的一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法，其特征在于，所述步骤s4中，当计算值与实测值的差值大于允许阈值时，将优化后的结构层模量代入到集中式卡尔曼滤波算法，对结构层模量参数进行优化，至优化后的结构层模量的计算值与实测值的差值小于允许阈值，此时的结构层模量即实际的路面结构层模量。

10.根据权利要求2所述的一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法，其特征在于，

技术总结本发明公开了一种融合多源信息的沥青路面结构层模量反演方法，通过落锤式弯沉仪试验，获取荷载作用下，在荷载中心一定范围内的路面弯沉和荷载中心结构层应变信息；规定路面结构层模量初始值，并代入正演算法，计算沥青路面结构在落锤式弯沉仪荷载作用下的路面弯沉和结构层应；根据实测值与计算值，将差值与规定阈值进行对比；当差值大于规定阈值时，继续对路面结构层模量参数进行优化，直至优化后的结构层模量的计算值与实测值的差值小于允许阈值，此时的结构层模量即实际的路面结构层模量。本发明解决了现有的沥青路面结构层模量反演方法中缺少对多源信息融合的问题，提高对结构层模量反演计算精度。技术研发人员：李想,周炯,叶建龙,姜正晖,章奇受保护的技术使用者：浙江数智交院科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/10