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        基于路況云圖的瀝青路面施工均勻性快速無損檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)

        2018-03-20 00:51:43王惠勇
        現(xiàn)代交通技術(shù) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:空隙云圖剖面

        王惠勇

        (1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 211112;2. 新型道路材料國家工程實(shí)驗(yàn)室,南京,211112)

        瀝青路面某一區(qū)域內(nèi)主要物理性質(zhì)的不均勻,會(huì)導(dǎo)致瀝青路面力學(xué)性能和使用性能降低,在行車荷載和雨水的作用下極易發(fā)生早期損壞,大大縮短道路使用壽命。鑒于瀝青路面施工不均勻的危害,道路工作者一直致力于瀝青路面施工均勻性檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)研發(fā),從而能及時(shí)發(fā)現(xiàn)瀝青路面施工過程中出現(xiàn)的不均勻區(qū)域,并采取針對(duì)性的補(bǔ)救措施,提高瀝青路面施工質(zhì)量,保證路面使用品質(zhì),延長(zhǎng)道路使用壽命。

        本文采用激光斷面儀、探地雷達(dá)分別采集瀝青路面表面構(gòu)造特征和內(nèi)部壓實(shí)度、厚度的點(diǎn)狀測(cè)試數(shù)據(jù);利用點(diǎn)狀測(cè)試數(shù)據(jù)映射繪制狀況分布云圖;根據(jù)施工均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),確定狀況分布云圖中可能存在質(zhì)量隱患的不均勻區(qū)域。從而達(dá)到快速、無損、客觀檢測(cè)施工質(zhì)量,由點(diǎn)及面、由表及里評(píng)價(jià)路面均勻性的目的。

        1 路面表面均勻性快速無損檢測(cè)技術(shù)

        瀝青路面路表構(gòu)造主要由被瀝青包裹的粗、細(xì)集料和集料間的空隙組成。路表構(gòu)造的變化與集料離析程度具有一定的相關(guān)性;路表構(gòu)造較為粗糙的區(qū)域,往往粗骨料較為集中,空隙率較大、瀝青含量低,易出現(xiàn)早期水損害;路表構(gòu)造較為致密的區(qū)域,則細(xì)集料較為集中,空隙率較小、瀝青含量高,易產(chǎn)生車轍、泛油等病害[1]。

        根據(jù)測(cè)試設(shè)備的不同,路表構(gòu)造特征評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括平均構(gòu)造深度MTD、流出時(shí)間OFT、平均剖面深度MPD。

        平均構(gòu)造深度MTD通常采用手動(dòng)鋪砂法進(jìn)行測(cè)定,將固定體積的標(biāo)準(zhǔn)砂均勻攤鋪在路面上,計(jì)算嵌入凹凸不平的表面空隙中的砂的體積與覆蓋面積之比。流出時(shí)間OFT通過流出儀監(jiān)測(cè)固定體積的水通過路面排除的時(shí)間,構(gòu)造深度決定了出水率大小,構(gòu)造深度大的路面水流出的時(shí)間短,在非常光滑的平面上,流出時(shí)間可以是無限長(zhǎng)。但上述兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都必須人工進(jìn)行測(cè)試,效率低、速度慢、精度差,不能很好地滿足公路建設(shè)者對(duì)瀝青路面施工質(zhì)量全面、快速、無損檢測(cè)的要求。

        平均剖面深度MPD是目前唯一可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、自動(dòng)、高效采集的路表構(gòu)造特征評(píng)價(jià)指標(biāo)。國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的平均剖面深度MPD檢測(cè)設(shè)備是激光斷面儀,其基本原理是通過向路面投射、接收高速脈沖激光,獲取路表縱向紋理輪廓信息,進(jìn)而求得路面的平均剖面深度MPD。平均剖面深度MPD計(jì)算方法如下:剖面深度的基準(zhǔn)評(píng)價(jià)單元為100 mm,將基準(zhǔn)評(píng)價(jià)單元平均分為左右兩個(gè)子單元,計(jì)算兩個(gè)子單元剖面深度峰值與基準(zhǔn)評(píng)價(jià)單元剖面深度均值的差值,差值再平均就是基準(zhǔn)評(píng)價(jià)單元的剖面深度,如圖1所示。所有基準(zhǔn)評(píng)價(jià)單元剖面深度的均值即為測(cè)定的平均剖面深度MPD。

        圖1 基準(zhǔn)評(píng)價(jià)單元剖面深度示意圖

        我國《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60—2008)要求必須進(jìn)行激光斷面儀測(cè)值與鋪砂法構(gòu)造深度值相關(guān)關(guān)系對(duì)比試驗(yàn),將平均剖面深度MPD轉(zhuǎn)換為平均構(gòu)造深度MTD評(píng)價(jià)路表構(gòu)造特征[2]。國外一般直接采用平均剖面深度MPD評(píng)價(jià)路表構(gòu)造特征,世界道路協(xié)會(huì)(PIARC)在1995年就證明了平均剖面深度MPD與平均構(gòu)造深度MTD、流出時(shí)間OFT之間存在良好的相關(guān)性,并提出如下經(jīng)驗(yàn)性的轉(zhuǎn)換公式:

        2 路面內(nèi)部均勻性快速無損檢測(cè)技術(shù)

        瀝青混合料攤鋪、碾壓成型過程中易發(fā)生厚度、壓實(shí)度不均勻現(xiàn)象,從而導(dǎo)致瀝青面層技術(shù)性能降低,在行車荷載和雨水的作用下,逐步出現(xiàn)車轍、坑槽等多種形式的路面病害。

        目前,我國主要采用現(xiàn)場(chǎng)鉆芯法檢測(cè)評(píng)價(jià)瀝青路面厚度、壓實(shí)度等表征路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)在質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)鉆芯法雖然簡(jiǎn)單、直觀,但其檢測(cè)速度慢、成本高、測(cè)點(diǎn)少、隨機(jī)性高、代表性相對(duì)較低,且對(duì)路面結(jié)構(gòu)層造成破壞,取芯位置在某種程度上成為后期病害產(chǎn)生的薄弱部位;同時(shí)也不能對(duì)路面厚度、壓實(shí)度均勻性進(jìn)行很好的檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

        探地雷達(dá)GPR利用天線向路面結(jié)構(gòu)層發(fā)射高頻帶短脈沖電磁波,電磁波在各結(jié)構(gòu)層交界面發(fā)生反射,通過接收反射回波信號(hào),根據(jù)其時(shí)延、形狀及頻譜特性等參數(shù),解譯出路面結(jié)構(gòu)層厚度、壓實(shí)度、損壞狀況等信息[3],如圖2所示。

        圖2 探地雷達(dá)測(cè)定瀝青路面厚度

        探地雷達(dá)GPR測(cè)試瀝青路面厚度技術(shù)方法比較成熟,廣泛應(yīng)用于實(shí)體工程檢測(cè)。2008年我國修訂《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60—2008)時(shí),將探地雷達(dá)測(cè)定路面厚度納入,成為我國交通行業(yè)工程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。短脈沖雷達(dá)測(cè)定路面厚度試驗(yàn)方法(T 0913—2008)要求采用鉆孔取芯法標(biāo)定瀝青面層相對(duì)介電常數(shù),然后將相對(duì)介電常數(shù)和電磁波在路面面層中的雙程走時(shí),代入式(3),計(jì)算路面結(jié)構(gòu)層厚度。

        式中:T為面層厚度;c為電磁波在空氣中的傳播速度,取300 mm/ns;εr為相對(duì)介電常數(shù);Δt為雷達(dá)波在路面面層中的雙程走時(shí)。

        由于瀝青混合料被壓實(shí)時(shí),空氣含量減少,瀝青和骨料的含量相應(yīng)增加,瀝青混合料的復(fù)合介電常數(shù)增加而瀝青混合料的空隙率(壓實(shí)度)與介電常數(shù)存在相關(guān)性,因此可通過測(cè)試介電常數(shù)間接表征路面壓實(shí)度。目前我國還未頒布探地雷達(dá)測(cè)定路面壓實(shí)度的技術(shù)規(guī)程。近些年,國外開展了大量關(guān)于探地雷達(dá)測(cè)定瀝青路面壓實(shí)度的研究[4],核心是如何建立介電常數(shù)與空隙率的關(guān)系模型,其中比較經(jīng)典是芬蘭公路局的空隙率計(jì)算模型:

        式中:y為空隙率,A、B為模型參數(shù),可回歸計(jì)算得出;εx為介電常數(shù)。

        美國、德國等國家均采用上述模型計(jì)算瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)空隙率。本文也推薦采用此模型計(jì)算空隙率,檢測(cè)瀝青路面壓實(shí)度,評(píng)價(jià)路面內(nèi)部均勻性,具體方法如下:根據(jù)測(cè)試路段的介電常數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù),選取介電常數(shù)分布跨度比較大的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取芯,標(biāo)定芯樣室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定空隙率。利用標(biāo)定芯樣的空隙率和介電常數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)回歸計(jì)算模型參數(shù),然后計(jì)算測(cè)試路段全線的空隙率,評(píng)價(jià)測(cè)試路段壓實(shí)度狀況。

        本文按照上述方法在某高速公路進(jìn)行了探地雷達(dá)測(cè)定瀝青路面壓實(shí)度試驗(yàn)。探地雷達(dá)采樣間隔為10 m,測(cè)試速度為60 km/h,測(cè)線布設(shè)于硬路肩,試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如圖3~圖4所示。

        圖3 測(cè)試路段介電常數(shù)與空隙率轉(zhuǎn)換關(guān)系式

        圖4 測(cè)試路段現(xiàn)場(chǎng)空隙率隨里程變化

        3 路面狀況分布云圖繪制

        瀝青路面任何區(qū)域都有可能發(fā)生施工不均勻,均勻性測(cè)試范圍應(yīng)覆蓋瀝青路面全部區(qū)域,才能消除漏檢的風(fēng)險(xiǎn)。本文通過科學(xué)、合理布設(shè)快速無損檢測(cè)設(shè)備的測(cè)線,使瀝青路面平均剖面深度、厚度、壓實(shí)度測(cè)試點(diǎn),以約1 m×1 m的網(wǎng)格均勻分布在測(cè)試路段,如圖5所示。點(diǎn)狀測(cè)試數(shù)據(jù)映射成路面狀況分布云圖,全斷面評(píng)價(jià)測(cè)試路段的施工均勻性。

        云圖是一種適用范圍很廣的可視化技術(shù),不僅可對(duì)標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化,也可以對(duì)矢量場(chǎng)分量進(jìn)行可視化,能反映被測(cè)物體的數(shù)值、分布、形狀、范圍等特征信息,廣泛應(yīng)用于工程、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。

        圖5 瀝青路面施工均勻性測(cè)線、測(cè)點(diǎn)布設(shè)

        本文采用MATLAB軟件中的griddata插值函數(shù),利用采集的平均剖面深度MPD、厚度、壓實(shí)度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制瀝青路面均勻性分布云圖, 主要過程如下:將ZI=griddata(x,y,z,XI,YI)調(diào)整形如z=f(x,y)的曲面,使之與非等間距矢量(x,y,z)中的數(shù)據(jù)吻合,并在指定的(XI,YI)點(diǎn)處插補(bǔ)此曲面,生成ZI,此曲面一定通過這些數(shù)據(jù)點(diǎn)。XI和YI通常構(gòu)成均勻網(wǎng)格,XI可以是行矢量,這種情況下該矢量確定一個(gè)具有固定列數(shù)的矩陣。與之類似,YI可以是列矢量,確定一個(gè)具有固定行數(shù)的矩陣。[XI,YI,ZI]=griddata(x,y,z,XI,YI)函數(shù)返回與上述矩陣相同的插補(bǔ)后的矩陣ZI,并返回由行矢量XI和列矢量yi形成的矩陣XI和YI。最終將二維點(diǎn)或者矩陣通過轉(zhuǎn)置進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化,按照坐標(biāo)格式分布在坐標(biāo)軸上,并通過不同顏色顯示數(shù)據(jù)值的大小,使之更加直觀,將路面檢測(cè)數(shù)據(jù)通過二維坐標(biāo)軸的形式顯示出來,可視化地描述瀝青路面路表構(gòu)造、厚度、壓實(shí)度的分布狀況[5]。

        4 瀝青路面施工均勻性評(píng)價(jià)

        我國相關(guān)規(guī)范對(duì)新建瀝青路面構(gòu)造深度、厚度、壓實(shí)度提出了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求,如表1所示。

        表1 瀝青路面施工均勻性指標(biāo)技術(shù)要求

        統(tǒng)計(jì)理論表明,產(chǎn)品質(zhì)量過程控制正常情況下符合正態(tài)分布。正態(tài)分布有一個(gè)對(duì)質(zhì)量管控制很重要結(jié)論,即無論均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ取何值,產(chǎn)品質(zhì)量特性值落在μ±3σ之間的概率為99.73%,落在μ±3σ之外的概率為100%-99.73%=0.27%,而超過一側(cè),即大于μ+3σ或小于μ-3σ的概率為0.27%/2=0.135%≈1‰。

        本文根據(jù)我國公路瀝青路面設(shè)計(jì)、施工技術(shù)規(guī)范技術(shù)要求,結(jié)合正態(tài)分布理論,提出基于路況云圖的瀝青路面施工均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),如表2所示。然后,即可根據(jù)施工均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),在瀝青路面施工均勻性分布云圖上,讀取路面路表平均坡面深度,路面內(nèi)部厚度、壓實(shí)度的不均勻區(qū)域。

        表2 基于路況云圖的瀝青路面施工均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

        5 工程應(yīng)用

        揚(yáng)州市S331省道是省干線公路網(wǎng)中重要組成部分,同時(shí)也是揚(yáng)州市公路網(wǎng)“八縱十橫”中的一條,直接連接著京滬高速公路,在周邊公路網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用。測(cè)試路段樁號(hào)為K110+000~K119+000,標(biāo)段全長(zhǎng)9.0 km,現(xiàn)有路面寬度9 m,土路肩寬2×1.5 m,公路等級(jí)為二級(jí)公路,日平均交通量約6 000輛。測(cè)試路段維修改造方案為銑刨原路面兩層瀝青面層(4 cm+5 cm),然后進(jìn)行基層18 cm水泥就地冷再生,最后回鋪4 cm普通瀝青Sup13上面層+6 cm廠拌溫再生普通瀝青下面層。

        瀝青路面攤鋪施工結(jié)束后,采用ARAN9000多功能車測(cè)試鋪面的平均剖面深度MPD,采用中心頻率為1 GHz的Wavebounce型探地雷達(dá)測(cè)試鋪面的厚度和壓實(shí)度,測(cè)線分別位于左、右輪跡帶和行車道中,縱向采集頻率1次/m。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,利用MATLAB軟件繪制路面均勻性狀況分布云圖,如圖6所示。最后,根據(jù)施工均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),確定瀝青路面施工不均勻區(qū)域。

        圖6 江蘇S331省道寶應(yīng)運(yùn)東段平均剖面深度MPD云圖

        6 結(jié)論

        瀝青路面局部區(qū)域施工不均勻是引發(fā)瀝青路面早期損壞的重要成因。利用激光斷面儀、探地雷達(dá)快速無損采集路面表面構(gòu)造特征、內(nèi)部厚度及壓實(shí)度,依據(jù)施工均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),利用路面狀況分布云圖,確定施工不均勻區(qū)域,從而全面、客觀、公正評(píng)價(jià)瀝青路面施工質(zhì)量,為瀝青路面全面快速無損質(zhì)量檢測(cè)提供了新的基

        [1]Stephen Sebesta,Tom Scullion. REPORT S2-R06C-RR-1:Using Infrared and High-Speed Ground-Penetrating Radar for Uniformity Measurements on New HMA Layers[R].Washington,D. C. 2013.

        [2]JTG E600—2008公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程[S].

        [3]黎春林.探地雷達(dá)檢測(cè)路面含水量、空隙率和壓實(shí)度的應(yīng)用研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2003.

        [4]遲鳳霞,張肖寧,薛忠軍,等.基于激光紋理儀的瀝青路面表面離析評(píng)價(jià)方法[J].中國公路學(xué)報(bào),2008,21(5):1-5.

        [5]杜小甫,王成恩.基于等值線數(shù)據(jù)的一種新的云圖算法[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,34(5):624-627.

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