一种基于光纤光栅传感的沥青路面压实监测方法与流程

本发明涉及沥青路面施工过程压实度质量控制领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感技术的公路沥青路面施工过程压实监测方法。

背景技术：
沥青路面是我国高等级路面主要采用的结构形式。众所周知，压实对沥青路面的使用性能具有重要影响，若沥青路面压实不当，压实不足或过压，即使所采用的沥青路面材料具有很高的质量也难以获得较好的路面使用性能，也直接导致一些沥青路面病害的发生，如压实不足的沥青路面极容易发生车辙、水损害和裂缝等病害，而过压沥青路面容易出现泛油和一些失稳现象。因此，压实是沥青路面建设过程中的十分重要的环节，合理控制压实度是沥青路面获得更长使用寿命的关键。为此，沥青路面压实度被当作沥青路面施工质量评定的关键指标。一些传统的技术手段如路面取芯、密度仪及探地雷达等压实度检测方法得到了广泛应用，但是这些传统检测方法往往在路面压实结束后得到结果，不具备实时性，不能作为沥青路面碾压合理次数的控制依据，因此，沥青路面的压实次数一般根据经验确定，随意性较大，但是不同级配及沥青材料配制的沥青混合料所需要的压实次数并不相同，导致沥青路面过压和压实不足的问题难以得到有效解决。针对传统手段的不足，一些新的技术手段如GIS/GPS(地理信息系统/全球定位系统)及数值仿真分析等方法也被应用到沥青路面压实监测中来，但是，由于GIS/GPS数据量较大及仿真分析具有较多的假设条件，因此，这些方法在实际工程中没有得到广泛应用。光纤光栅传感技术是以光波为载体，光纤为媒介，感知和传输外界被测信号的新型传感技术，与传统的传感技术相比，具有灵敏度高、结构简单、抗电磁干扰、体积小、稳定性好等优越性能，在土木工程领域的重大工程健康监测中得到广泛应用，近几年也被尝试应用到沥青路面结构信息监测中，大量研究表明，光纤传感器在沥青路面动态变形响应监测中具有较高的精度和稳定性。而相关研究表明，沥青路面的压实过程是沥青混合料从松散、塑态到具有较高抗拉强度性能逐步稳定的过程，整个过程中的每一个状态下材料都具有一定的变形特性，因此，光纤光栅传感技术可作为监测沥青路面材料在压路机碾压作用下动态变形的有效手段，应变信息可作为合理压实次数的判据。综上所述，目前还没有一种简便有效地实时控制沥青路面压实次数的方法。

技术实现要素：
本发明为了满足对一种简便有效地实时控制沥青路面压实次数的方法的需求，提出了一种基于光纤光栅传感的沥青路面压实监测方法。一种基于光纤光栅传感的沥青路面压实监测方法，该方法是基于沥青路面压实监测装置实现的，沥青路面压实监测装置包括n个光纤光栅竖向应变传感器2、m个光纤光栅温度传感器8、光纤光栅解调仪10、中央处理器11和电缆；光纤光栅竖向应变传感器2的数据信号输入输出端通过电缆连接光纤光栅解调仪10的数据信号输出输入端；光纤光栅温度传感器8的数据信号输入输出端通过电缆连接光纤光栅解调仪10的数据信号输出输入端；光纤光栅解调仪10的数据输出端连接中央处理器11的输出输入端；n和m均为正整数；该方法包括下述步骤：步骤一、将光纤光栅竖向应变传感器2植入被监测沥青路面1所在层的层底，且光纤光栅竖向应变传感器2垂直于被监测沥青路面埋设，光纤光栅竖向应变传感器2的受压端3朝上放置；埋设的具体步骤如下：步骤一一、确定光纤光栅竖向应变传感器2埋设位置：选择被监测沥青路面1的任一断面，将一个光纤光栅竖向应变传感器2置于断面中间位置，另一个光纤光栅竖向应变传感器2置于距离路缘石91m±0.1m处被监测沥青路面1所在层的底部，将光纤光栅温度传感器埋设于距离路缘石920cm±0.1cm处，被监测沥青路面1的断面间距为100m±1m；步骤一二、在光纤光栅竖向应变传感器2和光纤光栅温度传感器8埋设位置进行人工刻槽，对连接光纤光栅竖向应变传感器2和光纤光栅解调仪10的光缆埋设位置进行人工刻槽，对连接光纤光栅温度传感器8和光纤光栅解调仪10的光缆埋设位置进行人工刻槽：在光纤光栅竖向应变传感器2埋设位置处刻槽，该槽为圆柱形槽，且槽深×槽直径为7cm×10cm；光纤光栅温度传感器8埋设位置处刻槽，该槽为长方体槽，且槽深×槽宽为1cm×3cm；在光缆埋设位置处刻槽，该槽称为线槽，线槽的槽深×槽宽为1cm×1cm；步骤一三、布置光纤光栅竖向应变传感器2、光纤光栅温度传感器8和光缆：将光纤光栅竖向应变传感器2放置在圆柱形槽内，将光纤光栅温度传感器8放置在长方体槽内，将光缆放置在线槽内；光纤光栅竖向应变传感器2的受压端3高出圆柱形槽的顶面1cm±0.1cm，且光纤光栅竖向应变传感器2的底面放平，然后用粒径小于5mm的小粒径沥青混合料填充圆柱形槽、长方体槽及线槽并压实；然后执行步骤二；步骤二、通过电缆连接光纤光栅竖向应变传感器2的数据信号输入输出端和光纤光栅解调仪10的数据信号输出输入端；通过电缆连接光纤光栅温度传感器8的数据信号输入输出端和光纤光栅解调仪10的数据信号输出输入端；启动光纤光栅解调仪10；步骤三、将沥青混合料摊铺在被监测沥青路面1上以后，采用b台压路机7碾压被监测沥青路面1，b为正整数；当压路机7碾压光纤光栅竖向应变传感器2、光纤光栅温度传感器8埋设位置时，压路机7的荷载作用于光纤光栅竖向应变传感器2和光纤光栅温度传感器8，此时光纤光栅竖向应变传感器2将应变响应数据发送至光纤光栅解调仪10，光纤光栅温度传感器8将温度响应数据发送至光纤光栅解调仪10；光纤光栅解调仪10将应变响应数据和温度响应数据发送至中央处理器11，中央处理器11对接收的数据进行处理并显示碾压结果，获得合理碾压次数。中央处理器11包括车辆拍照模块12、图像识别及图像数量统计模块13、数据存储及处理模块14和显示模块15；车辆拍照模块12用于在第b台压路机7碾压第n个光纤光栅竖向应变传感器2或第m个光纤光栅温度传感器8时拍照，并将拍照获得的图像发送至图像识别及图像数量统计模块13；图像识别及图像数量统计模块13用于对接收的图像进行识别，并统计第b台压路机7碾压第n个光纤光栅竖向应变传感器2或第m个光纤光栅温度传感器8的图像个数，即碾压次数a，并将该碾压次数发送至数据存储及处理模块14；a为正整数；数据存储及处理模块14用于存储及处理所述光纤光栅竖向应变传感器2的应变响应数据、光纤光栅温度传感器8的温度响应数据、图像、第b台压路机7碾压第n个光纤光栅竖向应变传感器2或第m个光纤光栅温度传感器8的碾压次数a；显示模块15用于显示数据存储及处理模块14处理后的结果。步骤三中的中央处理器11对接收的数据进行处理并显示碾压结果，获得合理碾压次数，其过程为：步骤三一、当b台压路机7匀速行驶且同时作业时，中央处理器11对b台压路机进行编号，中央处理器11中的图像识别及图像数量统计模块13统计第b台压路机7碾压第n个光纤光栅竖向应变传感器2或第m个光纤光栅温度传感器8的碾压次数a；a为正整数；步骤三二、中央处理器11中的数据存储及处理模块14使光纤光栅温度传感器8的温度响应数据补偿光纤光栅竖向应变传感器2的应变响应数据，得到补偿后的应变响应数据，同时中央处理器11绘制补偿后的应变响应数据、b台压路机7与碾压时间之间的碾压过程中沥青路面的应变时程曲线；步骤三三、中央处理器11中的数据存储及处理模块14提取碾压过程中沥青路面的应变时程曲线中同一台压路机7作用下的应变峰值，并在中央处理器11中的显示模块15上显示每一台压路机作用下补偿后的应变响应数据随碾压次数的变化曲线；步骤三四、中央处理器11中的数据存储及处理模块14对每一台压路机作用下补偿后的应变响应数据随碾压次数的变化曲线进行曲线微分，曲线微分计算结果记为SDI，其计算方法如下式所示，然后绘制SDI值随碾压次数的变化曲线；式中：SDI—应变谷值随碾压次数的曲线微分结果；Si-1,Si,Si+1—连续三次碾压荷载作用下的应变谷值；ti-1,ti,ti+1—碾压次数；为微分计算公式；步骤三五、中央处理器11中的数据存储及处理模块14显示曲线微分计算结果SDI值连续两次接近0时，沥青路面压实，即达到合理碾压次数。压路机7的碾压速度保持不变，速度变化不超过±0.5Km/h。光线光栅传感技术以其优良的动态应变感应能力，为路面压实监测与控制提供了条件。本发明采用光纤光栅传感技术监测压实过程中沥青路面变形时程变化，依据变形规律提出路面压实次数的判据。本发明公开了一种应用于沥青路面施工过程压实度监测的方法。为了合理控制沥青路面的压实次数，本发明建立了一套基于光纤光栅传感技术的沥青路面压实度控制方法，依据沥青路面碾压过程中路面结构响应信息判断沥青路面是否达到了合理的压实度。其过程为：在被监测沥青层的下层植入光纤光栅竖向应变传感器与温度传感器；将光纤光栅竖向应变传感器与光纤光栅解调仪对接，摊铺被监测层沥青混合料；压路机碾压的同时收集光纤光栅竖向应变传感器传出的信息；提取光纤光栅竖向应变传感器的应变响应峰值随碾压次数变化曲线，经过曲线微分得到压实判别指标SDI，当SDI连续两次接近0时，停止碾压，完成沥青路面的压实控制。该方法实用、简便，可有效对沥青路面压实过程进行监测，并实时监控沥青路面压实次数，防止沥青路面过压或压实不足，提高沥青路面的施工质量，进而起到减少沥青路面早期病害的作用，具有极强的社会经济意义，推广应用价值显著。本发明适用于其他路面的压实质量监测。附图说明图1为一种基于光纤光栅传感的沥青路面压实监测方法的使用方法示意图；图2为光纤光栅竖向应变传感器的结构及工作原理示意图；图3为实施例中的基于光纤光栅传感的沥青路面压实监测方法的使用方法示意图；图4为沥青路面压实监测装置的连接关系示意图；图5为碾压过程中沥青路面的应变时程曲线；图6为SDI值随碾压次数的变化曲线；图7为沥青路面监测范围内的压实度和与测点距离之间的曲线；图中，1—被监测沥青路面；2—光纤光栅竖向应变传感器；3—受压端；4—传感部分；5—固定端；6—支脚；7—压路机；8—光纤光栅温度传感器；9—路缘石。具体实施方式具体实施方式一、参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于光纤光栅传感的沥青路面压实监测方法，该方法是基于沥青路面压实监测装置实现的，沥青路面压实监测装置包括n个光纤光栅竖向应变传感器2、m个光纤光栅温度传感器8、光纤光栅解调仪10、中央处理器11和电缆；光纤光栅竖向应变传感器2的数据信号输入输出端通过电缆连接光纤光栅解调仪10的数据信号输出输入端；光纤光栅温度传感器8的数据信号输入输出端通过电缆连接光纤光栅解调仪10的数据信号输出输入端；光纤光栅解调仪10的数据输出端连接中央处理器11的输出输入端；n和m均为正整数；该方法包括下述步骤：步骤一、将光纤光栅竖向应变传感器2植入被监测沥青路面1所在层的层底，且光纤光栅竖向应变传感器2垂直于被监测沥青路面埋设，光纤光栅竖向应变传感器2的受压端3朝上放置；埋设的具体步骤如下：步骤一一、确定光纤光栅竖向应变传感器2埋设位置：选择被监测沥青路面1的任一断面，将一个光纤光栅竖向应变传感器2置于断面中间位置，另一个光纤光栅竖向应变传感器2置于距离路缘石91m±0.1m处被监测沥青路面1所在层的底部，将光纤光栅温度传感器埋设于距离路缘石920cm±0.1cm处，被监测沥青路面1的断面间距为100m±1m；步骤一二、在光纤光栅竖向应变传感器2和光纤光栅温度传感器8埋设位置进行人工刻槽，对连接光纤光栅竖向应变传感器2和光纤光栅解调仪10的光缆埋设位置进行人工刻槽，对连接光纤光栅温度传感器8和光纤光栅解调仪10的光缆埋设位置进行人工刻槽：在光纤光栅竖向应变传感器2埋设位置处刻槽，该槽为圆柱形槽，且槽深×槽直径为7cm×10cm；光纤光栅温度传感器8埋设位置处刻槽，该槽为长方体槽，且槽深×槽宽为1cm×3cm；在光缆埋设位置处刻槽，该槽称为线槽，线槽的槽深×槽宽为1cm×1cm；步骤一三、布置光纤光栅竖向应变传感器2、光纤光栅温度传感器8和光缆：将光纤光栅竖向应变传感器2放置在圆柱形槽内，将光纤光栅温度传感器8放置在长方体槽内，将光缆放置在线槽内；光纤光栅竖向应变传感器2的受压端3高出圆柱形槽的顶面1cm±0.1cm，且光纤光栅竖向应变传感器2的底面放平，然后用粒径小于5mm的小粒径沥青混合料填充圆柱形槽、长方体槽及线槽并压实；然后执行步骤二；步骤二、通过电缆连接光纤光栅竖向应变传感器2的数据信号输入输出端和光纤光栅解调仪10的数据信号输出输入端；通过电缆连接光纤光栅温度传感器8的数据信号输入输出端和光纤光栅解调仪10的数据信号输出输入端；启动光纤光栅解调仪10；步骤三、将沥青混合料摊铺在被监测沥青路面1上以后，采用b台压路机7碾压被监测沥青路面1，b为正整数；当压路机7碾压光纤光栅竖向应变传感器2、光纤光栅温度传感器8埋设位置时，压路机7的荷载作用于光纤光栅竖向应变传感器2和光纤光栅温度传感器8，此时光纤光栅竖向应变传感器2将应变响应数据发送至光纤光栅解调仪10，光纤光栅温度传感器8将温度响应数据发送至光纤光栅解调仪10；光纤光栅解调仪10将应变响应数据和温度响应数据发送至中央处理器11，中央处理器11对接收的数据进行处理并显示碾压结果，获得合理碾压次数。本实施方式中，光纤光栅竖向应变传感器2为LFRP应变传感器，由受压端3、传感部分4、固定端5和三根支脚6组成。光纤光栅温度传感器8为金属封装光纤温度传感器。光纤光栅解调仪10采用SI425型光纤光栅解调仪。本方法满足了对简便有效地实时控制沥青路面压实次数的方法的需求。该方法实用、简便，可有效对沥青路面压实过程进行监测，并实时监控沥青路面压实次数，防止沥青路面过压或压实不足，提高沥青路面的施工质量，进而起到减少沥青路面早期病害的作用，具有极强的社会经济意义，推广应用价值显著。具体实施方式二、参照图4说明本实施方式，本具体实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于光纤光栅传感的沥青路面压实监测方法的进一步说明，本实施方式中，中央处理器11包括车辆拍照模块12、图像识别及图像数量统计模块13、数据存储及处理模块14和显示模块15；车辆拍照模块12用于在第b台压路机7碾压第n个光纤光栅竖向应变传感器2或第m个光纤光栅温度传感器8时拍照，并将拍照获得的图像发送至图像识别及图像数量统计模块13；图像识别及图像数量统计模块13用于对接收的图像进行识别，并统计第b台压路机7碾压第n个光纤光栅竖向应变传感器2或第m个光纤光栅温度传感器8的图像个数，即碾压次数a，并将该碾压次数发送至数据存储及处理模块14；数据存储及处理模块14用于存储及处理所述光纤光栅竖向应变传感器2的应变响应数据、光纤光栅温度传感器8的温度响应数据、图像、第b台压路机7碾压第n个光纤光栅竖向应变传感器2或第m个光纤光栅温度传感器8的碾压次数a；显示模块15用于显示数据存储及处理模块14处理后的结果。具体实施方式三、本具体实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于光纤光栅传感的沥青路面压实监测方法的进一步说明，本实施方式中，步骤三中的中央处理器11对接收的数据进行处理并显示碾压结果，获得合理碾压次数，其过程为：步骤三一、当b台压路机7匀速行驶且同时作业时，中央处理器11对b台压路机进行编号，中央处理器11中的图像识别及图像数量统计模块13统计第b台压路机7碾压第n个光纤光栅竖向应变传感器2或第m个光纤光栅温度传感器8的碾压次数a；a为正整数；步骤三二、中央处理器11中的数据存储及处理模块14使光纤光栅温度传感器8的温度响应数据补偿光纤光栅竖向应变传感器2的应变响应数据，得到补偿后的应变响应数据，同时中央处理器11绘制补偿后的应变响应数据、b台压路机7与碾压时间之间的碾压过程中沥青路面的应变时程曲线；步骤三三、中央处理器11中的数据存储及处理模块14提取碾压过程中沥青路面的应变时程曲线中同一台压路机7作用下的应变峰值，并在中央处理器11中的显示模块15上显示每一台压路机作用下补偿后的应变响应数据随碾压次数的变化曲线；步骤三四、中央处理器11中的数据存储及处理模块14对每一台压路机作用下补偿后的应变响应数据随碾压次数的变化曲线进行曲线微分，曲线微分计算结果记为SDI，其计算方法如下式所示，然后绘制SDI值随碾压次数的变化曲线；式中：SDI—应变谷值随碾压次数的曲线微分结果；Si-1,Si,Si+1—连续三次碾压荷载作用下的应变谷值；ti-1,ti,ti+1—碾压次数；为微分计算公式；步骤三五、中央处理器11中的数据存储及处理模块14显示曲线微分计算结果SDI值连续两次接近0时，沥青路面压实，即达到合理碾压次数。本实施方式中，步骤三二中，光纤光栅温度传感器8的温度响应数据补偿光纤光栅竖向应变传感器2的应变响应数据，其原理是采用光纤光栅温度传感器8的输出波长变化量补偿光纤光栅竖向应变传感器的应变变化量。具体实施方式四、本具体实施方式是对具体实施方式一或三所述的一种基于光纤光栅传感的沥青路面压实监测方法的进一步说明，本实施方式中，压路机7的碾压速度保持不变，速度变化不超过±0.5Km/h。具体实施方式五、本具体实施方式是对具体实施方式四所述的一种基于光纤光栅传感的沥青路面压实监测方法的进一步说明，本实施方式中，中央处理器11还包括人机对话模块，人机对话模块用于接收中央处理器11中的数据存储及处理模块14的达到合理碾压次数的指令，并告知工作人员，控制压路机停止碾压。具体实施方式六、下面结合附图和实施例来对本发明进一步详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。实施例：步骤A、按照图3所示平面位置布设光纤光栅竖向应变传感器2及光纤光栅温度传感器8，光纤光栅竖向应变传感器2垂直于被监测沥青路面1所在层布设，光纤光栅温度传感器8横贯于被监测沥青路面1所在层底部；步骤B、将光纤光栅竖向应变传感器2及光纤光栅温度传感器8通过电缆分别与光纤光栅解调仪10连接，启动光纤光栅解调仪10；步骤C、在被监测沥青路面摊铺沥青混合料后，在压路机7匀速碾压时获取如图5所示的碾压过程中沥青路面的应变时程曲线(该曲线为光纤光栅温度传感器8的温度响应数据补偿光纤光栅竖向应变传感器2的应变响应数据获得的应变)，同时中央处理器记录每次经过测点(光纤光栅竖向应变传感器或光纤光栅温度传感器所在位置)时压路机编号。本实施例中压路机采用XCMGXD111和DYNAPACCC324HF两辆，且保持压路机7的碾压速度为3Km/h；步骤D、中央处理器提取同一编号压路机如XCMGXD111或DYNAPACCC324HF经过监测断面时得到沥青路面应变响应，将应变响应绘制成图，其绘制结果如图5中虚线所示；步骤E、对步骤D中虚线所示曲线中的数据进行曲线微分计算，获取SDI值，当SDI值连续两次为0时，停止碾压，监测结束。图6为SDI值随碾压次数的变化曲线；图7为沥青路面监测范围内的压实度和与测点距离之间的曲线。在此实施例中对压实路段的±150m范围内的压实度进行了检测，结果如图7所示。由图7可以看出当被监测点在±100m范围内，沥青路面压实很好，压实度均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)规定的96％压实度要求，通过该方法控制路面的碾压次数，可有效控制路面压实度。