一种用于预测路面结构服役性能的智能系统及方法转让专利
申请号 : CN202210068997.9
文献号 : CN114088933B
文献日 : 2022-05-13
发明人 : 韩文扬 , 周勇 , 王林 , 马士杰 , 吕思忠 , 韦金城
申请人 : 山东省交通科学研究院 , 山东高速集团有限公司 , 山东高速股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于预测路面结构服役性能的方法，采用一种用于预测路面结构服役性能的智能系统，包括交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置、路面裂缝测量装置和路面结构服役性能预测装置；
所述交通轴载测量装置埋设于路面结构的沥青层顶部，用于采集高速公路上行驶车辆的车型、车速、轴载和轴重；
所述路面结构力学响应测量装置埋设于路面结构的沥青层底部，用于测量路面结构沥青层的层底应变；
所述路面结构温度测量装置埋设于路面结构沥青层的内部，用于测量路面结构沥青层的内部温度；
所述路面车辙深度测量装置设置于路面结构上方，用于测量路面结构的车辙深度；
所述路面裂缝测量装置设置于路面结构上方，用于测量路面结构中的疲劳损伤裂缝和温度开裂裂缝；
所述路面结构服役性能预测装置分别与交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置相连接，用于实时接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，预测路面结构的平整度；
所述路面结构力学响应测量装置为呈阵列分布的沥青应变计，路面结构温度测量装置为温度传感器，路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置均采用高分辨率摄像仪；
其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1，选取待预测的高速公路，根据高速公路的路面结构参数，制备沥青混合料试样、车辙试验试样和间接拉伸试件；
步骤2，在待预测高速公路的路面结构上安装用于预测路面结构服役性能的智能系统，设置观测期的总时长，将观测期划分为 个观测时长为1小时的子观测期，利用路面结构温度测量装置测量观测期内路面结构沥青层的内部温度，利用交通轴载测量装置测量路面结构上行驶车辆的车速和轴载，利用路面结构力学响应测量装置测量车辆载荷作用下路面结构沥青层的层底应变，利用路面车辙深度测量装置测量路面结构的车辙深度，利用路面裂缝测量装置测量路面结构中的疲劳损伤裂缝和温度开裂裂缝，在观测期内路面结构服役性能预测装置实时接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据；
步骤3，利用材料试验机对沥青混合料试样进行单轴压缩动态模量试验，测量不同试验温度和加载频率条件下沥青混合料试样各结构层的动态模量，基于时温等效原理建立沥青混合料动态模量主曲线，确定沥青混合料动态模量计算模型，如式（1）所示： （1）
其中，
（2）
（3）式中， 为沥青混合料的动态模量，单位为MPa； 为加载频率，单位为Hz；为沥青混合料的温度，单位为℃； 为沥青混合料的最大限制模量，单位为MPa； 、 、 、均为沥青混合料动态模量计算模型的模型系数； 为沥青混合料的矿料间隙率； 为沥青混合料的沥青饱和度；
交通轴载测量装置记录到观测期内路面结构上总计通过 次行车荷载，针对各次行车荷载，根据行车荷载通过路面结构时的车速，计算路面结构上车辆的加载频率，如式（4）所示：
（4）式中， 为加载频率，单位为Hz；为路面结构中沥青层的厚度，单位为m；为路面结构上车辆的车速，单位为 ；
根据各行车荷载通过路面结构时车辆的加载频率和沥青层中各结构层的内部温度，利用沥青混合料动态模量计算模型，确定各行车荷载通过路面结构时沥青层的沥青混合料动态模量，沥青层的沥青混合料动态模型包括上面层的沥青混合料动态模量、中面层的沥青混合料动态模量和下面层的沥青混合料动态模量；
步骤4，根据观测期内交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，建立路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型；
步骤5，根据观测期内交通轴载测量装置、路面车辙深度测量装置和路面结构温度测量装置的测量数据，建立路面结构车辙深度预测模型；
步骤6，根据观测期内路面结构温度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，建立路面结构低温开裂裂缝深度计算模型和路面结构低温开裂裂缝长度计算模型；
步骤7，根据路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的预测值、路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测值 、路面结构车辙深度的预测值 和低温开裂裂缝长度的预测值 ，建立路面结构平整度预测模型，如式（32）所示：
(32)
6.85‑age
其中，Ⅱ=‑e (33)
14.25‑age
Ⅲ=e （34）
式中， 为路面结构的初始平整度，单位为m/Km，取值为0.75； 为路面结构平整度的预测值，单位为m/Km； 为路面结构的服役期限，单位为年；
步骤8，观测期结束后，根据交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置的测量数据，利用路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型、路面结构车辙深度预测模型和路面结构裂缝开裂长度预测模型，计算得到路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的预测值、路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测值和路面结构车辙深度的预测值，再根据路面结构平整度预测模型，计算得到路面结构的平整度预测值，预测路面结构的平整度；
所述步骤4中具体包括以下步骤：步骤4.1，将观测期内各行车荷载通过路面结构时车辆的加载频率和沥青层的沥青混合料动态模量输入力学计算软件Bisar3.0中，基于弹性层状理论体系计算得到各行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值；
根据观测期内路面结构力学响应测量装置测量的各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的实测值，利用观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的实测值对计算值进行标定，确定沥青层的层底应变标定系数 ；
步骤4.2，建立路面结构疲劳损伤模型，根据观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值，利用路面结构疲劳损伤模型计算观测期内路面结构沥青层的总损伤，如式（5）所示：
（5）其中，
（6）
（7）
式中， 为观测时间内路面结构沥青层的总损伤； 为观测时间内行车荷载通过路面结构的次数； 为第 次行车荷载通过时路面结构沥青层的损伤； 为第 次行车荷载通过时路面结构的疲劳寿命； 为目标可靠度； 为季节性冻土地区调整系数； 为沥青层的疲劳加载模式系数； 为沥青层层底应变标定系数； 为第 次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值； 为温度调整系数； 为沥青层的厚度，单位为mm；
步骤4.3，根据观测期内路面结构沥青层的总损伤，建立路面结构疲劳损伤裂缝计算模型，路面结构疲劳损伤裂缝计算模型包括由下至上裂缝计算模型和由上至下裂缝计算模型；
由下至上发展裂缝计算模型为：
（8）其中，
（9）
式中， 为路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值； 和 均为由下至上发展裂缝计算模型的模型系数；
由上至下发展裂缝计算模型为：
（10）
式中， 为路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值；
根据观测期内路面结构沥青层的总损伤，利用路面结构疲劳损伤裂缝计算模型，确定路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值 和由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值 ；
步骤4.4，根据观测期内路面裂缝测量装置测量的路面结构疲劳损伤裂缝，确定观测期内路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的实测值和由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的实测值，利用路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的实测值对由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值进行拟合，得到疲劳损伤裂缝面积标定系数 ，再利用由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的实测值对由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值进行拟合，得到疲劳损伤裂缝长度标定系数 ；
步骤4.5，根据疲劳损伤裂缝面积标定系数 和疲劳损伤裂缝长度标定系数 ，结合路面结构疲劳损伤裂缝计算模型，建立路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型，路面结构疲劳损伤裂缝发展预测模型包括由下至上发展裂缝预测模型和由上至下发展裂缝预测模型；
由下至上发展裂缝预测模型为：
（11）其中，
（12）
式中， 为路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的预测值；
由上至下发展裂缝预测模型为：
（13）式中， 为路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测值；
所述步骤5中具体包括以下步骤：步骤5.1，利用车辙试验机对车辙试验试样进行车辙试验，设置车辙试验的实验温度为
60℃、压强为0.7MPa、加载次数为2520次，测量在温度为60℃、压强为0.7MPa条件下加载次数为2520次后车辙试验试样中各结构层沥青混合料所对应的车辙深度，确定车辙试验试样上面层中沥青混合料对应的车辙深度 、中面层中沥青混合料对应的车辙深度 和下面层中沥青混合料对应的车辙深度 ；
步骤5.2，根据《公路沥青路面设计规范》中的分层原则，将沥青层内部由上到下划分为m个分层，并在沥青层的各分层内部埋设路面结构温度测量装置，其中，上面层中各分层厚度为10 20mm，中面层中各分层厚度不超过25mm，下面层中各分层厚度不超过100m；
~
步骤5.3，根据观测期内交通轴载测量装置测量的各行车荷载通过路面结构时的轴载，基于标准轴载作用次数与轴载之间的转换关系，将观测期内各行车荷载通过路面结构时的轴载转换为标准轴载作用次数；
标准轴载作用次数与轴载之间的转换关系如式（14）所示： （14）式中， 为第 次行车荷载通过路面结构时的标准轴载作用次数； 为第 次行车荷载通过路面结构时的轴重； 为设计轴载； 为行车荷载的轮组系数，当车辆为双轮组时，当车辆为单轮时 ；
利用力学计算软件BISAR 3.0，根据沥青层中各结构层的厚度、沥青混合料动态模量和泊松比，计算沥青层中各分层的层顶竖向压应力；
根据观测期内沥青层中各分层的内部温度和层顶竖向压应力，结合观测期内各行车荷载通过路面结构时的标准轴载作用次数以及车辙试验中各结构层沥青混合料所对应的车辙深度，建立路面结构车辙深度计算模型，如式（15）所示： （15）式中， 为观测期内路面结构的车辙深度，单位为mm； 为观测期内第 次行车荷载通过路面结构时沥青层第 分层中的车辙深度，单位为mm；
观测期内第 次行车荷载通过时沥青层第 分层中的车辙深度 的计算公式为： （16）
其中，
（17） （18） （19）式中， 为观测期内通过路面结构的行车荷载总数； 为沥青层中分层的总层数；
为观测期内沥青层中第 分层的内部温度，单位为℃； 为观测期内沥青层中第 分层的层顶竖向压应力，单位为MPa； 为第 次行车荷载通过路面结构时的标准轴载作用次数； 为观测期内沥青层中第 分层的综合修正系数； 为车辙试验试样的厚度，单位为mm； 为沥青层中第 分层的厚度，单位为mm； 为路面结构中沥青层的厚度，单位为mm；
为沥青层中第 分层沥青混合料对应的车辙深度，单位为mm，若第 分层位于沥青层的上面层中，则 ，若第 分层位于沥青层的中面层中，则 ，若第 分层位于沥青层的下面层中，则 ； 为沥青层中第 分层的深度，单位为mm；
步骤5.4，利用路面结构车辙深度计算模型计算观测期内路面结构的车辙深度，确定观测期内车辙深度的计算值，再根据观测期内路面车辙深度测量装置测量的车辙深度，确定观测期内车辙深度的实测值，利用观测期内车辙深度的实测值对车辙深度的计算值进行标定，确定车辙深度标定系数 ；
步骤5.5，基于路面结构车辙深度计算模型，结合车辙深度标定系数 ，建立路面结构车辙深度预测模型，如式（20）所示： （20）其中，
（21）
式中， 为路面结构车辙深度预测值； 为第 次行车荷载作用在沥青层第 分层中所产生车辙深度的预测值； 为沥青层中第 分层的内部温度，单位为℃； 为沥青层中第 分层的层顶竖向压应力，单位为MPa； 为第 次行车荷载通过路面结构时的标准轴载作用次数； 为沥青层中第 分层的综合修正系数； 为车辙试验试样的厚度，单位为mm； 为沥青层中第 分层的厚度，单位为mm； 为沥青层中第 分层沥青混合料对应的车辙深度，单位为mm，若第 分层位于沥青层的上面层中，则 ，若第 分层位于沥青层的中面层中，则 ，若第 分层位于沥青层的下面层中，则 ； 为沥青层中第 分层的深度，单位为mm；
所述步骤6中具体包括以下步骤：步骤6.1，利用万能材料试验机对间接拉伸试件进行间接拉伸试验，设置试验温度为‑
10℃，测量‑10℃条件下间接拉伸试件中各结构层沥青混合料的间接拉伸强度，再将试验温度依次设置为‑20℃、‑10℃和0℃，分别针对各试验温度，测量不同加载时间下间接拉伸试件中各结构层所用沥青混合料的蠕变柔量，得到‑20℃、‑10℃和0℃条件下间接拉伸试件中各结构层的沥青混合料蠕变柔量曲线；
步骤6.2，以‑20℃作为标准温度，针对间接拉伸试件的各结构层，以‑20℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线作为标准曲线，基于时温等效原理，分别确定‑20℃、‑10℃和0℃条件下沥青混合料蠕变柔量曲线所对应的温度位移系数，并将‑20℃、‑10℃和0℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线平移至标准曲线处，得到标准温度条件下间接拉伸试件中各结构层沥青混合料的蠕变柔量主曲线；
利用广义开尔文模型对标准温度条件下间接拉伸试件中各结构层的沥青混合料蠕变柔量主曲线进行拟合，得到蠕变柔量计算模型，如式（22）所示： (22)
其中，
(23)
式中， 为蠕变柔量，单位为MPa；为加载时间，单位为s； 、 、 、 均为延迟时间，单位为s； 、 、 、 、 、 均为蠕变柔量计算模型的拟合系数； 为0℃条件下蠕变柔量曲线所对应的温度位移系数；
再基于指数函数对标准温度条件下间接拉伸试件中各结构层的沥青混合料蠕变柔量主曲线进行拟合，确定各结构层所用沥青混合料的蠕变速率；
利用指数函数拟合得到的沥青混合料蠕变柔量主曲线表达式为： (24)式中， 、 均为指数函数拟合系数； 为沥青混合料的蠕变速率；
步骤6.3，重新对沥青层进行分层，将沥青层内部由上到下划分为w个分层，各分层的厚度为2cm，在各分层内部埋设路面结构温度测量装置，针对各子观测期，分别利用路面结构温度测量装置测量各子观测期内低温开裂裂缝尖端处的温度，利用路面裂缝测量装置测量各子观测期末路面结构中低温开裂裂缝的深度和裂缝尖端的位置；
针对各子观测期，根据观测期内沥青层中各分层的内部温度，结合路面结构参数和蠕变柔量计算模型，利用ABAQUS有限元软件计算路面结构中低温开裂裂缝尖端在各子观测期内受到的应力；
步骤6.4，设置第1子观测期末路面结构中低温开裂裂缝深度的预测值为 、第2子观测期末路面结构中低温开裂裂缝深度的预测值为 ；根据路面结构中低温开裂裂缝尖端在各子观测期内受到的应力，结合低温开裂裂缝尖端所在结构层沥青混合料的间接拉伸强度和蠕变速率，利用路面结构低温开裂裂缝深度计算模型预测观测期末路面结构中低温开裂裂缝的深度，确定观测期末低温开裂裂缝的深度；
路面结构低温开裂裂缝深度计算模型如式（25）所示： (25)
其中，
(26)
(27)
(28)式中，为子观测期的序号，≤M； 为观测期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m； 为第 子观测期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m； 为第 子观测期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m； 为第 子观测期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m； 、 均为沥青混合料断裂参数； 为第 子观测期内应力强度因子的变化量； 为第 子观测期的应力强度因子； 为第 子观测期的应力强度因子； 为路面结构中裂缝尖端在第 子观测期内受到的应力，单位为MPa； 为路面结构中裂缝尖端在第 子观测期内受到的应力，单位为MPa； 为野外标定系数，取值为6.0； 为路面结构中沥青混合料的劲度模量，取值为10000； 为裂缝尖端所在结构层沥青混合料的间接拉伸强度，单位为MPa； 为裂缝尖端所在结构层沥青混合料的蠕变速率；
步骤6.5，根据预测的观测期末低温开裂裂缝的深度，利用路面结构低温开裂裂缝长度计算模型，计算观测期末路面结构中低温开裂裂缝的长度，如式（29）所示： (29)其中，
(30)式中， 为观测期末低温开裂裂缝长度的计算值，单位为m； 为标准正态分布在z处的值； 为路面结构中沥青层的厚度，单位为m； 为裂缝长度计算系数，取值为400；
为路面结构中低温开裂裂缝深度的标准差参数，取值为0.769；
步骤6.6，利用路面裂缝观测装置测量观测期末路面结构中低温开裂裂缝的长度，获取观测期末低温开裂裂缝长度的实测值，通过与路面结构低温开裂裂缝长度的计算值进行标定，确定裂缝长度标定系数 ，建立路面结构低温裂缝开裂长度预测模型，如式（10）所示： (31)式中，为观测期末路面结构中低温开裂裂缝长度的预测值，单位为m。
说明书 :
一种用于预测路面结构服役性能的智能系统及方法
技术领域
背景技术
业转型发展的重点，是我国从交通大国发展为交通强国的必经之路。
础监测参数，尚未涉及利用高速公路路面监测参数预测高速公路的路面结构服役性能，导
致海量路面监测参数数据处于闲置状态，没有得到合理的应用，无法用于预测未来高速公
路路面结构的服役性能，从而无法为高速公路路面结构的养护提供科学依据。
发明内容
结构疲劳损伤裂缝发展预测模型、路面结构车辙深度预测模型和路面结构低温开裂裂缝深
度计算模型和路面结构低温开裂裂缝长度计算模型，基于路面结构因疲劳损伤产生的由下
至上发展裂缝占路面结构表面积百分比、由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测
值、车辙深度和低温开裂裂缝长度的预测结果预测路面结构的平整度，利用路面结构平整
度充分反映路面结构的服役性能，实现了对路面结构服役性能的预测，为高速公路路面结
构的养护维修提供了依据。
路面结构服役性能预测装置；
实时接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车
辙深度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，预测路面结构的平整度。
摄像仪。
结构温度测量装置测量观测期内路面结构沥青层的内部温度，利用交通轴载测量装置测量
路面结构上行驶车辆的车速和轴载，利用路面结构力学响应测量装置测量车辆载荷作用下
路面结构沥青层的层底应变，利用路面车辙深度测量装置测量路面结构的车辙深度，利用
路面裂缝测量装置测量路面结构中的疲劳损伤裂缝和温度开裂裂缝，在观测期内路面结构
服役性能预测装置实时接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温
度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据；
沥青混合料动态模量主曲线，确定沥青混合料动态模量计算模型，如式（1）所示：
均为沥青混合料动态模量计算模型的模型系数； 为沥青混合料的矿料间隙率；
为沥青混合料的沥青饱和度；
（4）所示：
合料动态模量，沥青层的沥青混合料动态模型包括上面层的沥青混合料动态模量、中面层
的沥青混合料动态模量和下面层的沥青混合料动态模量；
型；
路面结构车辙深度的预测值 和低温开裂裂缝长度的预测值 ，建立路面结构平整度预
测模型，如式（32）所示：
缝开裂长度预测模型，计算得到路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的
预测值、路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的预测值和路面结构车辙深
度的预测值，再根据路面结构平整度预测模型，计算得到路面结构的平整度预测值，预测路
面结构的平整度。
荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值；
实测值对计算值进行标定，确定沥青层的层底应变标定系数 ；
总损伤，如式（5）所示：
荷载通过时路面结构的疲劳寿命； 为目标可靠度； 为季节性冻土地区调整系数； 为
沥青层的疲劳加载模式系数； 为沥青层层底应变标定系数； 为第 次行车荷载通过路
面结构时沥青层层底应变的计算值； 为温度调整系数； 为沥青层的疲劳加载模式系
数； 为沥青层的厚度，单位为mm；
模型；
至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值 ；
裂缝占路面结构长度百分比的实测值，利用路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面
积百分比的实测值对由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值进行拟合，得到
疲劳损伤裂缝面积标定系数 ，再利用由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的实测值
对由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值进行拟合，得到疲劳损伤裂缝长度标
定系数 ；
疲劳损伤裂缝发展预测模型包括由下至上发展裂缝预测模型和由上至下发展裂缝预测模
型；
载次数为2520次后车辙试验试样中各结构层沥青混合料所对应的车辙深度，确定车辙试验
试样上面层中沥青混合料对应的车辙深度 、中面层中沥青混合料对应的车辙深度 和
下面层中沥青混合料对应的车辙深度 ；
层厚度为10 20mm，中面层中各分层厚度不超过25mm，下面层中各分层厚度不超过100m；
~
构时的轴载转换为标准轴载作用次数；
组时 ，当车辆为单轮时 ；
的车辙深度，建立路面结构车辙深度计算模型，如式（15）所示：
分层的层顶竖向压应力，单位为MPa； 为第 次行车荷载通过路面结构时的标准轴载作
用次数； 为观测期内沥青层中第 分层的综合修正系数； 为车辙试验试样的厚度，单
位为mm； 为沥青层中第 分层的厚度，单位为mm； 为路面结构中沥青层的厚度，单位为
mm； 为沥青层中第 分层沥青混合料对应的车辙深度，单位为mm，若第 分层位于沥青
层的上面层中，则 ，若第 分层位于沥青层的中面层中，则 ，若第 分层位
于沥青层的下面层中，则 ； 为沥青层中第 分层的深度，单位为mm；
确定观测期内车辙深度的实测值，利用观测期内车辙深度的实测值对车辙深度的计算值进
行标定，确定车辙深度标定系数 ；
青层中第 分层的层顶竖向压应力，单位为MPa； 为第 次行车荷载通过路面结构时的
标准轴载作用次数； 为沥青层中第 分层的综合修正系数； 为车辙试验试样的厚度，
单位为mm； 为沥青层中第 分层的厚度，单位为mm； 为沥青层中第 分层沥青混合料
对应的车辙深度，单位为mm，若第 分层位于沥青层的上面层中，则 ，若第 分层
位于沥青层的中面层中，则 ，若第 分层位于沥青层的下面层中，则 ；
为沥青层中第 分层的深度，单位为mm。
验温度依次设置为‑20℃、‑10℃和0℃，分别针对各试验温度，测量不同加载时间下间接拉
伸试件中各结构层所用沥青混合料的蠕变柔量，得到‑20℃、‑10℃和0℃条件下间接拉伸试
件中各结构层的沥青混合料蠕变柔量曲线；
℃条件下沥青混合料蠕变柔量曲线所对应的温度位移系数，并将‑20℃、‑10℃和0℃条件下
的沥青混合料蠕变柔量曲线平移至标准曲线处，得到标准温度条件下间接拉伸试件中各结
构层沥青混合料的蠕变柔量主曲线；
℃条件下蠕变柔量曲线所对应的温度位移系数；
结构温度测量装置测量各子观测期内低温开裂裂缝尖端处的温度，利用路面裂缝测量装置
测量各子观测期末路面结构中低温开裂裂缝的深度和裂缝尖端的位置；
测期内受到的应力；
尖端在各子观测期内受到的应力，结合低温开裂裂缝尖端所在结构层沥青混合料的间接拉
伸强度和蠕变速率，利用路面结构低温开裂裂缝深度计算模型预测观测期末路面结构中低
温开裂裂缝的深度，确定观测期末低温开裂裂缝的深度；
观测期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m； 为第 子观测期末低温开裂
裂缝深度的预测值，单位为m； 、 均为沥青混合料断裂参数； 为第 子观测期内
应力强度因子的变化量； 为第 子观测期的应力强度因子； 为第 子观测期
的应力强度因子； 为路面结构中裂缝尖端在第 子观测期内受到的应力，单位为MPa；
为路面结构中裂缝尖端在第 子观测期内受到的应力，单位为MPa； 为野外标
定系数，取值为6.0； 为路面结构中沥青混合料的劲度模量，取值为10000； 为裂缝尖
端所在结构层沥青混合料的间接拉伸强度，单位为MPa； 为裂缝尖端所在结构层沥青混合
料的蠕变速率；
为路面结构中低温开裂裂缝深度的标准差参数，取值为0.769；
行标定，确定裂缝长度标定系数 ，建立路面结构低温裂缝开裂长度预测模型，如式（10）
所示：
供了海量的基础数据，有利于提高高速公路路面结构服役性能预测的准确性。
应和裂缝情况，分别预测路面结构疲劳损伤裂缝发展情况、车辙深度和低温开裂裂缝长度，
并通过路面结构平整度的预测值综合反映未来路面结构的服役性能，实现了对高速公路路
面结构性能的准确预测，有利于为高速公路路面结构的维修养护提供依据，避免了高速公
路路面功能的损坏，延长了高速公路的使用寿命。
面结构服役性能进行预警，及时对高速公路路面进行维修，避免了高速公路路面结构的周
期性重建，从而缓解了因高速公路维修或重建所造成的交通拥堵，保障了高速公路的运行
顺畅和路面车辆的安全。
附图说明
下面层的沥青混合料动态模量主曲线。
为上面层沥青混合料在‑10℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线，0℃曲线为上面层沥青混
合料在0℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线。
为中面层沥青混合料在‑10℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线，0℃曲线为中面层沥青混
合料在0℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线。
为下面层沥青混合料在‑10℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线，0℃曲线为下面层沥青混
合料在0℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线。
具体实施方式
法预测实验路段高速公路路面结构的平整度，具体包括以下步骤：
松比、沥青混合料的矿料间隙率 和沥青混合料的沥青饱和度 。
和下面层，其中，上面层厚度为40mm，采用SMA13铺设而成，沥青混合料的沥青饱和度为65%、
矿料间隙率为15.5%、泊松比为0.25；中面层厚度为60mm，采用AC20铺设而成，沥青混合料的
沥青饱和度为63%、矿料间隙率为15.3%、泊松比为0.25；下面层厚度为80mm，采用AC25铺设
而成，沥青混合料的沥青饱和度为67%、矿料间隙率为15.7%、泊松比为0.25；路面结构的目
标可靠度 为1.65，温度调整系数 为2.38，季节性冻土地区调整系数 为0.85。
测量装置、路面裂缝测量装置和路面结构服役性能预测装置，其中，交通轴载测量装置埋设
于路面结构的沥青层顶部，用于采集高速公路上行驶车辆的车型、车速、轴载和轴重；路面
结构力学响应测量装置埋设于路面结构的沥青层底部，用于测量路面结构沥青层的层底应
变；路面结构温度测量装置埋设于路面结构沥青层的内部，用于测量路面结构沥青层的内
部温度；路面车辙深度测量装置设置于路面结构上方，用于测量路面结构的车辙深度；路面
裂缝测量装置设置于路面结构上方，用于测量路面结构中的疲劳损伤裂缝和温度开裂裂
缝；路面结构服役性能预测装置分别与交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路
面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置相连接，用于实时接收
交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测
量装置和路面裂缝测量装置的测量数据，预测路面结构的平整度。
摄像仪。
测量装置测量路面结构上行驶车辆的车速和轴载，利用路面结构力学响应测量装置测量车
辆载荷作用下路面结构沥青层的层底应变，利用路面车辙深度测量装置测量路面结构的车
辙深度，利用路面裂缝测量装置测量路面结构中的疲劳损伤裂缝和温度开裂裂缝，在观测
期内路面结构服役性能预测装置实时接收交通轴载测量装置、路面结构力学响应测量装
置、路面结构温度测量装置、路面车辙深度测量装置和路面裂缝测量装置的测量数据。
0.1Hz、0.2Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz和25 Hz，分别测量加载频率为0.1Hz、
0.2Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、25 Hz时沥青混合料试样的动态模量，测量
结果如表1所示。
线，分别得到沥青层中上面层、中面层和下面层的沥青混合料动态模量计算模型，如下所
示：
于沥青路面上车辆的车速和沥青路面各结构层的内部温度，输入沥青路面各结构层的沥青
混合料动态模量计算模型中，即可确定沥青路面各结构层的沥青混合料动态模量。
加载频率。
各结构层的内部温度，利用沥青混合料动态模量计算模型，确定各行车荷载通过路面结构
时沥青层的沥青混合料动态模量，沥青层的沥青混合料动态模型包括上面层的沥青混合料
动态模量、中面层的沥青混合料动态模量和下面层的沥青混合料动态模量。
型，具体包括以下步骤：
荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算值。
h，同时利用路面结构温度测量装置测量得到沥青层中上面层温度为51℃、中面层温度为48
℃、下面层温度为41℃，利用沥青混合料动态模量计算模型计算，得到沥青层中上面层的沥
青混合料动态模量 为5939MPa、中面层的沥青混合料动态模量 为10053MPa、下面层的
沥青混合料动态模量 为13287MPa，通过将沥青层中各结构层的沥青混合料动态模量输
入力学计算软件Bisar3.0中，基于弹性层状理论体系，计算得到行车荷载通过路面结构时
沥青层层底应变的计算值为72.8με。
测值对计算值进行标定，以观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的计算
值作为横坐标，观测期内各次行车荷载通过路面结构时沥青层层底应变的实测值作为纵坐
标，绘制沥青层的层底应变关系曲线，沥青层的层底应变关系曲线的斜率即为沥青层的层
底应变标定系数 ，本实施例中通过标定确定沥青层的层底应变标定系数 。
层的总损伤 为 。
模型；
至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值 。
裂缝占路面结构长度百分比的实测值，利用路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构表面
积百分比的实测值对由下至上发展裂缝占路面结构表面积百分比的计算值进行拟合，得到
疲劳损伤裂缝面积标定系数 ，再利用由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的
实测值对由上至下发展裂缝占路面结构长度百分比的计算值进行拟合，得到疲劳损伤裂缝
长度标定系数 。
疲劳损伤裂缝发展预测模型包括由下至上发展裂缝预测模型和由上至下发展裂缝预测模
型，其中，由下至上发展裂缝预测模型为：
试样中上面层沥青混合料、中面层沥青混合料和下面层沥青混合料的车辙深度，确定上面
层中沥青混合料对应的车辙深度 、中面层中沥青混合料对应的车辙深度
、下面层沥青混合料对应的车辙深度 。
层厚度为20mm，中面层中各分层厚度为20mm，下面层中各分层厚度为80m。
构时的轴载转换为标准轴载作用次数。
下面层温度为41℃，沥青层中上面层的沥青混合料动态模量 为5939MPa、中面层的沥青
混合料动态模量 为10053MPa、下面层的沥青混合料动态模量 为13287MPa。
设置为15mm，其余分层的深度均为分层中心位置到路面结构表面的距离，确定沥青层内各
分层的深度，将沥青层中各分层的深度与车辙试验试样的厚度相结合，确定沥青层中各分
层的综合系数。观测期内沥青层中各分层的车辙深度计算参数如表2所示。
2 20 30 3.0 51 0.68 7.39
3 20 50 2.5 48 0.49 7.65
4 20 70 2.5 48 0.16 6.39
5 20 90 2.5 48 0.06 4.83
6 80 170 2.5 41 0.03 1.06
利用公式（7）计算得到此次行车荷载在沥青层中各分层产生的车辙深度，其中，在第一分层
产生的车辙深度 为 、第二分层产生的车辙深度 为 、第三分
层产生的车辙深度 为 、第四分层产生的车辙深度 为 、第五
分层产生的车辙深度 为 、第六分层产生的车辙深度 为 。
内路面车辙深度测量装置测量的车辙深度为0.35mm，利用观测期内车辙深度的实测值对车
辙深度的计算值进行标定，确定车辙深度标定系数 。
沥青层中第 分层的综合修正系数，本实施例中 、 、 、
、 、 ； 为车辙试验试样的厚度，本实施例中
； 为沥青层中第 分层的厚度，本实施例 、 、 、
、 、 ； 为沥青层中第 分层沥青混合料对应的车辙深度，本实施
例中 、 、 、 、 、
； 为沥青层中第 分层的深度，本实施例中 、 、
、 、 、 。
以下步骤：
验温度依次设置为‑20℃、‑10℃和0℃，分别针对各试验温度，测量不同加载时间下间接拉
伸试件中各结构层所用沥青混合料的蠕变柔量，得到‑20℃、‑10℃和0℃条件下间接拉伸试
件中各结构层的沥青混合料蠕变柔量曲线。
定‑20℃、‑10℃和0℃条件下沥青混合料蠕变柔量曲线所对应的温度位移系数，并将‑20
℃、‑10℃和0℃条件下的沥青混合料蠕变柔量曲线平移至标准曲线处，得到标准温度条件
下间接拉伸试件中各结构层沥青混合料的蠕变柔量主曲线，图2所示为间接拉伸试件上面
层沥青混合料的蠕变柔量主曲线，图3所示为间接拉伸试件中面层沥青混合料的蠕变柔量
主曲线，图4所示为间接拉伸试件下面层沥青混合料的蠕变柔量主曲线。
得到蠕变柔量计算模型，如式（41）所示：
路面结构温度测量装置测量各子观测期内低温开裂裂缝尖端处的温度，利用路面裂缝测量
装置测量各子观测期末路面结构中低温开裂裂缝的深度和裂缝尖端的位置；
‑5
和蠕变柔量计算模型，设置沥青层的沥青混合料收缩系数为3.58×10 /℃，利用ABAQUS有
限元软件计算路面结构中裂缝尖端在各子观测期内受到的应力。
观测期内的应力强度因子 为203.2。
；根据路面结构中低温开裂裂缝尖端在各子观测期内受到的应力，结合
低温开裂裂缝尖端所在结构层沥青混合料的间接拉伸强度和蠕变速率，利用路面结构低温
开裂裂缝深度计算模型预测观测期末路面结构中低温开裂裂缝的深度，确定观测期末低温
开裂裂缝的深度 为45mm。
子观测期末低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m； 为第 子观测期末
低温开裂裂缝深度的预测值，单位为m； 、 均为沥青混合料断裂参数； 为第 子
观测期内应力强度因子的变化量； 为第 子观测期的应力强度因子； 为第
子观测期的应力强度因子； 为路面结构中裂缝尖端在第 子观测期内受到的
应力，单位为MPa； 为路面结构中裂缝尖端在第 子观测期内受到的应力，单位
为MPa。
计算值，确定裂缝长度标定系数 ，建立路面结构低温开裂裂缝长度预测模型
如式（44）所示：
数，取值为400； 为路面结构低温开裂裂缝深度的标准差参数，取值为0.769。
、路面结构车辙深度的预测值 和低温开裂裂缝长度的预测值 ，建立路面结构平整度预
测模型，如式（32）所示：
缝开裂长度预测模型，预测一个月后路面结构的平整度，具体包括以下步骤：
内部温度。
结构疲劳损伤裂缝发展预测模型进行计算，得到路面结构中由下至上发展裂缝占路面结构
表面积百分比的预测值 为6.84以及路面结构中由上至下发展裂缝占路面结构
长度百分比的预测值 为0.56.
用路面结构车辙深度预测模型计算得到路面结构车辙深度的预测值 为2.7mm。
所在结构层沥青混合料的间接拉伸强度和蠕变速率，利用路面结构低温开裂裂缝深度计算
模型计算得到低温开裂裂缝的深度，再基于路面结构低温开裂裂缝长度计算模型，计算得
到路面结构中低温开裂裂缝长度的预测值 为150.68m/Km。
、路面结构车辙深度的预测值 和低温开裂裂缝长度的预测值 代入路面结
构平整度预测模型中，计算得到路面结构平整度IRI的预测值为1.0999。
面结构的平整度综合了车辙深度、疲劳损伤裂缝发展趋势以及低温开裂裂缝发展趋势，能
够充分反映路面结构上车辆荷载、疲劳损伤、铺设材料和温度对高速公路路面服役性能的
影响，有利于高速公路维修养护方案的制定。
保护范围。