一种利用剪切波评价土工格栅加筋沥青面层刚度的方法

技术领域

本发明涉及加筋沥青路面领域，尤其涉及一种利用剪切波评价土工格栅加筋沥青面层刚度的方法。

背景技术

沥青路面是用沥青材料作为结合料黏结矿料修筑面层与各类基层所组成的路面。沥青路面具有表面平整、行车舒适、耐磨、振动小、噪声低和稳定性好等优点，被广泛应用到高速公路建设中。沥青路面是我国高速公路的主要的路面结构形式。考虑到近年来交通量迅速增长、轴重增加和超载现象频繁等原因，长期暴露于自然环境中的沥青路面在温度效应和交通荷载的联合作用下，使其部分沥青路面较早地出现了病害，造成大多数路面结构都不能满足设计使用年限的要求。沥青路面主要会出现裂缝、车辙、疲劳破坏等几种形式的病害，这些病害如果得不到及时处理就会严重影响到路面的路用性能和行车安全性。许多新的设计方法、新的路面结构形式、新的复合材料的应用为解决沥青路面病害问题提供了途径。随着土工合成材料的发展，近年来出现一批新的土工产品，如土工格栅、土工网、土工格室等。土工格栅具有高强度、高模量、低蠕变、耐腐蚀性、抗老化性、良好的相容性、与集料之间的摩擦系数大、嵌锁作用强的特点。因此许多专家学者通过土工格栅加筋来改善沥青路面性能的目的。当前，该方法已成功应用于减小车辙和抑制沥青路面开裂损坏等问题的治理。土工格栅加筋沥青面层中土工格栅加筋的有效范围未能确定和量化，因此，利用剪切波评价土工格栅加筋沥青面层刚度的方法可以实现。

剪切波速通常由两个剪切波传感器测量剪切波来估算。为了量测剪切波，将一对剪切波传感器嵌入岩土中，接着，传感器作为发生器发出剪切波并通过岩土传播，另一个传感器作为接收器获得典型剪切波变形。用两个剪切波传感器之间的传播距离除以初至时间可计算出剪切波速。通过体积密度乘以剪切波速的平方来估算剪切模量。

利用剪切波评价土工格栅加筋沥青面层刚度的方法采用弯曲单元(BE)作为剪切波传感器。弯曲单元试验通常用于利用剪切波来评价土体的剪切模量。在保持工作频率和土体的最佳耦合下，弯曲单元可以有效的作为剪切波传感器来评估颗粒材料的剪切模量特性。弯曲单元(BE)测量技术在颗粒材料中的应用进行了一定的研究。Lee和Santamarian通过一系列安装在砂土试样不同水平位置的BE来监测液化过程中的剪切波速。Byun通过使用安装在直剪箱各层的BE并根据水平位移来描述剪切波速的演变。Byun和Tutumluer通过一系列重复荷载三轴试验表明带有安装基座的BE与骨料具有良好的兼容性，验证其在剪切波测量中的有效性，同时传感器有足够的生存能力。研究表明，通过剪切波特征估计剪切模量曲线来有效地量化土工格栅附近局部刚度的增强作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用剪切波评价土工格栅加筋沥青面层刚度的方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种利用剪切波评价土工格栅加筋沥青面层刚度的方法，包括：

基于剪切波传感器和剪切波测量系统获得剪切波形；

对所述剪切波形进行处理，获得剪切波速，剪切模量、剪切模量比和剪切模量曲线；

基于所述剪切模量和所述剪切模量比评价土工格栅加筋沥青路面刚度；

基于剪切波特征估计所述剪切模量曲线量化从距土工格栅1/10试件高度至距土工格栅1/3试件高度范围内局部刚度的增强值。

优选地，所述剪切波传感器为弯曲单元。

优选地，所述剪切波测量系统包括信号发生器、放大器、前置放大器、装有可移动弯曲单元的土工格栅加筋沥青面层结构、滤波器、后置放大器、示波器和计算机。

优选地，所述弯曲单元的尺寸基于剪切波波长和沥青混合材料的平均直径确定。

优选地，基于所述剪切波传感器和所述剪切波测量系统获得剪切波形的过程中，需将所述剪切波传感器嵌入所述土工格栅加筋沥青面层中测量所述剪切波形，具体的嵌入方法为：

所述剪切波传感器包括左侧剪切波传感器和右侧剪切波传感器，所述土工格栅加筋沥青面层的左侧设有用于所述左侧剪切波传感器移动的第一凹槽，所述土工格栅加筋沥青面层的右侧设有用于所述右侧剪切波传感器移动的第二凹槽；其中，

所述左侧剪切波传感器的一端在所述第一凹槽中，所述左侧剪切波传感器的另一端在设有刻度的杆上移动；

所述右侧剪切波传感器的一端在所述第二凹槽中，所述右侧剪切波传感器的另一端在设有刻度的杆上移动；

基于所述设有刻度的杆，将所述左侧剪切波传感器和所述右侧剪切波传感器移动为位于相同刻度值，确保所述左侧剪切波传感器和所述右侧剪切波传感器同一水平面上。

优选地，所述左侧剪切波传感器和所述右侧剪切波传感器的移动和停止通过开关阀控制。

优选地，获得所述剪切波形的具体方法为：当所述左侧剪切波传感器和所述右侧剪切波传感器处于同一水平面上时，所述左侧剪切波传感器输出剪切波，所述右侧剪切波传感器接收所述剪切波，基于接收到的所述剪切波和所述剪切波测量系统获得剪切波形。

优选地，所述剪切波速的获得方法为：基于所述左侧剪切波传感器和所述右侧剪切波传感器之间的传播距离和初至时间获得剪切波速。

优选地，所述剪切模量的获得方法为：基于所述土工格栅加筋沥青面层的体积密度和剪切波速的平方获得剪切模量。

本发明的有益效果为：

(1)本发明能够获得不同类型土工格栅加筋沥青面层结构或试件不同平面上的剪切模量，即剪切模量随着距土工格栅距离的变化的情况，表明土工格栅加筋沥青面层结构或试件的刚度情况，同时获得不同土工格栅加筋的有效范围。

(2)本发明能够通过计算不同类型土工格栅加筋沥青面层结构或试件与未加筋沥青面层结构或试件的剪切模量比，来量化不同类型土工格栅对沥青面层局部刚度的增强作用。

(3)本发明能够通过剪切波形特征来估计剪切模量曲线，进而有效地用于量化土工格栅加筋沥青面层结构中局部刚度增强，优化土工格栅加筋沥青面层结构，以及开发更好、更有效的沥青路面加固的土工格栅产品。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体流程示意图；

图2为本发明实施例的剪切波测量系统示意图；

图3为本发明实施例的土工格栅加筋沥青面层结构示意图；其中，(a)为正视图，(b)为俯视图，(c)为左视图；

图4为本发明实施例的可移动弯曲单元示意图；其中，(d)为正视图，(e)为俯视图，(f)为左视图；

其中，1-弯曲单元、2-土工格栅、3-沥青混合料、4-保护杆、5-安装座、6-弯曲单元、7-电缆孔、8-电缆、9-保护板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图4所示，

本发明的目的在于提供一种利用剪切波评价土工格栅加筋沥青面层刚度的新方法，采用弯曲元件或弯曲单元(Bender Element，简称BE)作为剪切波传感器，通过剪切波测量系统获得剪切波形并进行相关处理，得到剪切波速、剪切模量、剪切模量比以及剪切模量曲线等有用信息。利用剪切波形得到剪切模量和剪切模量比来评价土工格栅加筋沥青路面刚度，并通过剪切波特征估计剪切模量曲线来有效地量化从约距土工格栅十分之一试件高度至约距土工格栅三分之一试件高度范围内局部刚度的增强，以及开发更好、更有效的沥青路面加固的土工格栅产品。评价的过程为：基于通过比较土工格栅加筋沥青面层结构或试件与未加筋沥青面层结构或试件的剪切模量以及相应的剪切模量比或通过比较距土工格栅不同高度处的剪切模量以及相应的剪切模量比来评价土工格栅加筋沥青路面刚度。

一种利用剪切波评价土工格栅加筋沥青面层刚度的方法，采用BE作为剪切波传感器，在外力作用下，通过剪切波测量系统获得典型剪切波形并进行相关处理，得到剪切波速，剪切模量、剪切模量比以及剪切模量曲线等有用信息。利用剪切波形得到剪切模量和剪切模量比来评价土工格栅加筋沥青路面刚度，并通过剪切波特征估计剪切模量曲线来有效地量化从约距土工格栅十分之一试件高度至约距土工格栅三分之一试件高度范围内局部刚度的增强，以及开发更好、更有效的沥青路面加固的土工格栅产品。

获得所述剪切波形的具体方法为：当所述左侧剪切波传感器和所述右侧剪切波传感器同一水平面上时，将所选剪切波从信号发射器传输到所述左侧剪切波传感器，并用前置放大器对输入信号进行放大，穿过土工格栅加筋沥青混合料试件，所述右侧剪切波传感器接收到输出信号，用滤波器进行筛选，去除信号中不希望的频率，在经过后置放大器进行放大，此后通过示波器记录输出信号，获得剪切波形，最后传入计算机进行相关处理。

所述剪切波测量系统包括信号发生器、放大器、前置放大器、装有可移动BE(剪切波传感器)的土工格栅加筋沥青面层结构或试件、滤波器、后置放大器、示波器和计算机。

所述作为剪切波传感器的BE的尺寸具体由所选用的波长和沥青混合料的平均直径等确定。

所述土工格栅加筋沥青面层或试件所用土工格栅为单向、双向、三向土工格栅。

对于所述可移动BE(剪切波传感器)而言，需要在沥青面层结构或试件两侧设有专门供BE移动的凹槽，BE一端在凹槽中，另一端在有刻度的杆上移动，通过开关阀控制BE停止和移动。当两侧BE位于相同刻度值时，表明一对BE在同一水平面上。

剪切波速通常由两个剪切波传感器测量剪切波来估算。为了量测剪切波，将一对剪切波传感器嵌入在土工格栅加筋沥青面层结构或试件两侧的凹槽中，接着，一个传感器作为发生器发出剪切波并通过土工格栅加筋沥青面层结构或试件传播，另一个传感器作为接收器获得典型剪切波变形。用两个剪切波传感器之间的传播距离除以初至时间可计算出剪切波速。通过体积密度乘以剪切波速的平方来估算剪切模量。

通过剪切波特征估计剪切模量曲线来有效地量化从约距土工格栅十分之一试件高度至约距土工格栅三分之一试件高度范围内局部刚度的增强，以及开发更好、更有效的沥青路面加固的土工格栅产品。通过处理距土工格栅不同高度的不同水平面的剪切波形获得剪切模量，并绘制相应的剪切模量曲线即剪切模量剖面图，从而有效地量化由于土工格栅与沥青混合料互锁所提供的土工格栅附近局部刚度的增强作用。土工格栅孔径尺寸与沥青混合料的平均粒径的比值应大于3.5。

本发明的有益效果为：

(1)本发明能够获得不同类型土工格栅加筋沥青面层结构或试件不同平面上的剪切模量，即剪切模量随着距土工格栅距离的变化的情况，表明土工格栅加筋沥青面层结构或试件的刚度情况，同时获得不同土工格栅加筋的有效范围。

(2)本发明能够通过计算不同类型土工格栅加筋沥青面层结构或试件与未加筋沥青面层结构或试件的剪切模量比，来量化不同类型土工格栅对沥青面层局部刚度的增强作用。

(3)本发明能够通过剪切波形特征来估计剪切模量曲线，进而有效地用于量化土工格栅加筋沥青面层结构中局部刚度增强，优化土工格栅加筋沥青面层结构，以及开发更好、更有效的沥青路面加固的土工格栅产品。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。