用于測(cè)定道路硬度的方法和設(shè)備的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種用于壓實(shí)道路材料的設(shè)備，包括用于在構(gòu)建道路期間計(jì)算硬度的壓實(shí)分析儀。所述設(shè)備生成每一層道路的動(dòng)態(tài)模量，所述動(dòng)態(tài)模量可用于計(jì)算整體有效模量。一種用于測(cè)定硬度的方法，包括生成每一層的動(dòng)態(tài)模量以及使用每一層的模量來(lái)計(jì)算整體有效模量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于測(cè)定道路硬度的方法和設(shè)備
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 要求 2012 年 4 月 6 日提交的標(biāo)題為"Method of Determining Stiffness (測(cè)定 硬度的方法）"的序列號(hào)為61/621，259的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。
[0003] 發(fā)明背景
[0004] 本公開(kāi)涉及用于壓實(shí)道路材料的方法和設(shè)備，且更具體來(lái)說(shuō)，涉及用于校準(zhǔn)壓實(shí) 分析儀以及在構(gòu)建期間測(cè)定硬度的方法和設(shè)備。
[0005] 浙青經(jīng)常用作路面。在浙青鋪路過(guò)程中，使用各種等級(jí)的骨料（aggregate)。骨 料與浙青膠結(jié)料（焦油）和沙子混合并加熱到大約150°C至169°C，且鋪路機(jī)鋪設(shè)熱浙青 混合料，并且使用一系列鉆孔機(jī)（auger)和鏟土機(jī)將浙青混合料攤平。所述材料在鋪設(shè)時(shí) 由于浙青混合料中的氣隙而不夠致密。因此，壓路機(jī)在浙青材料層（本文中稱(chēng)為浙青面層 (asphalt mat))上來(lái)回駕駛通過(guò)多遍，或以不同方式產(chǎn)生充分壓實(shí)以形成路面或個(gè)別路面 層所需的浙青強(qiáng)度。
[0006] 在壓實(shí)期間監(jiān)控的關(guān)鍵工藝參數(shù)中的一者是浙青面層的壓實(shí)密度。雖然有許多標(biāo) 準(zhǔn)和程序確保達(dá)到了所需密度，但是這些標(biāo)準(zhǔn)中的大多數(shù)僅需要3-5個(gè)密度讀數(shù)每車(chē)道英 里。通常，密度讀數(shù)將來(lái)自所提取的道路核芯（roadway core)。在壓實(shí)過(guò)程期間浙青面層 的密度測(cè)量過(guò)程麻煩、耗時(shí)并且不代表達(dá)到了整體壓實(shí)，除非測(cè)量值是通過(guò)大量以網(wǎng)格形 式分布的點(diǎn)取得的，因此僅由于成本考慮，這種方式便難以在本領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)。不滿足目標(biāo)密 度是不可接受的并且補(bǔ)救措施可導(dǎo)致顯著的成本超支。由于不能直接測(cè)量密度，因此研究 人員嘗試了不同的間接測(cè)量方法。這些方法中的一些在標(biāo)題為Method and Apparatus for Compaction of Roadway Materials (用于壓實(shí)道路材料的方法和設(shè)備）的第8, 190, 338號(hào) 美國(guó)專(zhuān)利中表示和說(shuō)明。
[0007] 硬度同樣是直接影響道路路面的負(fù)荷承載能力的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素。路面因車(chē)轍、疲 勞裂紋和其他類(lèi)型危害導(dǎo)致的早期損壞可歸因于在壓實(shí)過(guò)程中未達(dá)到足夠硬度。路面的硬 度通常用術(shù)語(yǔ)模量表示。雖然路面性能對(duì)硬度的依賴性眾所周知，但是在構(gòu)建路面期間，在 現(xiàn)場(chǎng)很難測(cè)量或監(jiān)控硬度。在路面冷卻之后糾正未充分壓實(shí)的補(bǔ)救措施費(fèi)錢(qián)且耗時(shí)。由于 路面設(shè)計(jì)為具有足夠強(qiáng)度和硬度來(lái)承載交通負(fù)載，因此知道完工路面層的硬度是期望的。 雖然浙青混合料的密度是其質(zhì)量的一個(gè)量度，但是其并不直接提供路面在負(fù)載條件下的性 能信息。在另一方面，硬度直接影響路面在交通負(fù)載下的性能。因此需要提供用于在壓實(shí) 過(guò)程中測(cè)量和監(jiān)控硬度的設(shè)備和方法。
[0008] 發(fā)明概述
[0009] 本文中所公開(kāi)的設(shè)備包括具有傳感器的振動(dòng)式壓實(shí)機(jī)或壓路機(jī)以及與其相關(guān)聯(lián) 的壓實(shí)分析儀。壓實(shí)分析儀具有特征提取模塊（feature extraction module)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 塊和分析儀模塊。傳感器可包括用于測(cè)量壓路機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的加速計(jì)，且壓實(shí)分析儀 利用振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的特性實(shí)時(shí)生成表示正被壓實(shí)材料密度的模量信號(hào)。另外，壓實(shí)分析儀 將生成表示路面動(dòng)態(tài)模量的信號(hào)。一種使用壓路機(jī)壓實(shí)道路段（roadway section)的方法， 壓路機(jī)具有與其可操作地相關(guān)聯(lián)的壓實(shí)分析儀，該方法包括將初始輸入?yún)?shù)錄入到壓實(shí)分 析儀中以及使壓路機(jī)在所述道路段的一部分的一層上進(jìn)行多次通過(guò)。所述方法還可包括當(dāng) 壓路機(jī)在所述道路段的所述部分的所述層上移動(dòng)時(shí)，通過(guò)壓路機(jī)向所述道路段的所述部分 施加振動(dòng)能量以及當(dāng)壓路機(jī)在所述道路段的層部分上移動(dòng)時(shí)，重復(fù)收集壓路機(jī)的響應(yīng)振動(dòng) 信號(hào)。附加步驟可包括基于壓路機(jī)的響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)和錄入到壓實(shí)分析儀中的初始輸入?yún)?shù) 通過(guò)壓實(shí)分析儀生成表示估算動(dòng)態(tài)模量的估算模量信號(hào)以及在所述道路段的所述部分上 的多個(gè)位置處，測(cè)量所述道路段的所述層的模量。可將所述多個(gè)位置處的測(cè)量模量與估算 模量進(jìn)行比較以確定測(cè)量模量與估算模量之間的差。接著，可基于測(cè)量模量與估算模量之 間的差調(diào)整錄入到分析儀的初始輸入?yún)?shù)中的選定參數(shù)。壓實(shí)分析儀將生成調(diào)整模量輸出 信號(hào)，所述調(diào)整模量輸出信號(hào)將比估算模量信號(hào)更密切地接近于道路段的實(shí)際模量。滾壓 所述道路段的所述層的剩余部分直到具有調(diào)整輸入?yún)?shù)的壓實(shí)分析儀生成所需的調(diào)整輸 出模量信號(hào)為止。在多層道路段的每一層上執(zhí)行所述方法并且使用每一層的模量來(lái)測(cè)定所 述多層道路段的有效模量。
[0010] 另一方法可包括將初始輸入?yún)?shù)錄入到壓實(shí)分析儀中以及在道路段的一部分的 一層上進(jìn)行多次通過(guò)。在進(jìn)行多次通過(guò)時(shí)可向所述道路段的層的一部分施加振動(dòng)能量，收 集響應(yīng)于施加的振動(dòng)能量生成的壓路機(jī)的響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)?？蓪⑦x定的響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)指定為 對(duì)應(yīng)于規(guī)定的壓實(shí)水平，并且在壓路機(jī)沿著所述道路段的所述部分移動(dòng)時(shí)，將表示響應(yīng)振 動(dòng)信號(hào)的所述道路段的所述部分的壓實(shí)水平實(shí)時(shí)遞送到壓實(shí)分析儀的分析儀模塊中。在壓 路機(jī)沿著所述道路的所述部分滾動(dòng)時(shí)，基于遞送的壓實(shí)水平和初始輸入?yún)?shù)，通過(guò)壓實(shí)分 析儀實(shí)時(shí)生成估算模量?？稍谒龅缆范蔚乃霾糠值拿恳粚由系亩鄠€(gè)位置處對(duì)所述道路 段的所述部分進(jìn)行模量測(cè)量以測(cè)定每一層上多個(gè)位置中的每一個(gè)位置處的測(cè)量模量。將由 壓實(shí)分析儀生成的多個(gè)位置處的估算模量與所述多個(gè)位置處的測(cè)量模量進(jìn)行比較，并且基 于估算模量與測(cè)量模量之間的差調(diào)整初始輸入?yún)?shù)中的選定參數(shù)?；谶f送的壓實(shí)水平和 比估算模量更密切地接近于實(shí)際模量的調(diào)整輸入?yún)?shù)實(shí)時(shí)生成層道路段的調(diào)整模量?；?每一層的模量測(cè)定多層道路段的有效模量。
[0011] 附圖簡(jiǎn)述
[0012] 圖1是具有壓實(shí)分析儀的壓路機(jī)的示意圖。
[0013] 圖2是壓實(shí)分析儀組件的示意圖。
[0014] 圖3是示例圖且顯示在一個(gè)時(shí)間瞬間的頻譜特征。
[0015] 圖4是頻譜圖且顯示壓路機(jī)通過(guò)的五秒數(shù)據(jù)集。
[0016] 圖5顯示圖4中所表示的信號(hào)的功率量。
[0017] 圖6是顯示多層道路的截面。
[0018] 優(yōu)選實(shí)施方式描述
[0019] 本公開(kāi)涉及用于壓實(shí)道路以及用于使用和校準(zhǔn)智能浙青壓實(shí)分析儀（IACA)的方 法和設(shè)備。本公開(kāi)還涉及測(cè)定道路的動(dòng)態(tài)模量的方法，道路的動(dòng)態(tài)模量是道路硬度的一個(gè) 量度。
[0020] 圖1示意性地顯示了 IACA 5, IACA 5是可在路面構(gòu)建期間在路面的整個(gè)長(zhǎng)度上實(shí) 時(shí)連續(xù)測(cè)量浙青路面密度的裝置。當(dāng)前，本領(lǐng)域中所用的質(zhì)量控制技術(shù)涉及在完工路面上 數(shù)個(gè)位置處密度的測(cè)量或道路核芯（roadway core)的提取。這些方法通常耗時(shí)且并未展 現(xiàn)構(gòu)建的整體質(zhì)量。并且，所有識(shí)別的壓實(shí)問(wèn)題在浙青面層冷卻之后都不能容易地補(bǔ)救。
[0021] 近年來(lái)，振動(dòng)式壓實(shí)機(jī)的制造商已引進(jìn)了數(shù)種智能壓實(shí)（IC)技術(shù)。通過(guò)機(jī)器參 數(shù)（振動(dòng)的幅值和頻率、推力的向量化等）的變化達(dá)到了土壤和骨料基底兩者的均勻壓實(shí)。 機(jī)器參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制允許僅向未壓實(shí)區(qū)域施加振動(dòng)能量且因此防止過(guò)度壓實(shí)并確保土壤/ 骨料基底的均勻壓實(shí)。雖然這些IC技術(shù)很有前景，但是仍不能充分評(píng)估其性能。另外，這 些IC產(chǎn)品需要購(gòu)買(mǎi)配備有所述技術(shù)的新振動(dòng)式壓實(shí)機(jī)。
[0022] 與當(dāng)今市場(chǎng)上提供的IC技術(shù)形成對(duì)比，IACA 5是不控制機(jī)器行為的任何方面的 測(cè)量裝置。另外，IACA 5是可在任何現(xiàn)有振動(dòng)式壓實(shí)機(jī)上改裝的獨(dú)立裝置。IACA 5的主要 用途是提供在構(gòu)建情況下路面上每一個(gè)位置處浙青面層密度的實(shí)時(shí)測(cè)量。壓路機(jī)操作員可 利用該信息來(lái)確保均勻壓實(shí)，處理未壓實(shí)部分以及防止路面過(guò)度壓實(shí)。
[0023] 如圖1中所示，IACA 5基于振動(dòng)式壓路機(jī)（例如振動(dòng)式壓路機(jī)10)和下面的鋪路 材料（其可以是例如熱拌浙青混合料（HM))形成耦合系統(tǒng)的假設(shè)運(yùn)行。通過(guò)振動(dòng)式壓路機(jī) 10的振動(dòng)馬達(dá)的頻率和耦合系統(tǒng)的自然振動(dòng)模式測(cè)定振動(dòng)式壓路機(jī)10的響應(yīng)。浙青面層 的壓實(shí)增加其硬度且因此改變壓實(shí)機(jī)的振動(dòng)。因此對(duì)路面材料的性質(zhì)和壓實(shí)機(jī)振動(dòng)頻譜的 了解可用來(lái)估算浙青面層的硬度。HMA的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定為氣隙百分比，使得例如100% 密度意味著沒(méi)有氣隙存在，且90%密度意味著存在10%的氣隙。由于質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定為 氣隙含量百分比或者浙青面層的最大理論密度（MTD)的百分比，因此IACA 5可估算路面的 壓實(shí)密度。
[0024] 現(xiàn)在參考附圖，圖1中顯示振動(dòng)式壓實(shí)機(jī)或壓路機(jī)10。振動(dòng)式壓實(shí)機(jī)10,例如其 可以是DD-138 HFA英格索蘭振動(dòng)式壓實(shí)機(jī)，包括前滾筒12和后滾筒14,前滾筒12具有安 裝在其中的偏心重錘（eccentric weight) 16,且若需要，前滾筒12和后滾筒14兩者可具 有安裝在其中的偏心重錘16。偏心重錘16通過(guò)馬達(dá)（未顯示）轉(zhuǎn)動(dòng)，使得重錘16在滾筒 12和14內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)在滾筒12和14與基底18之間的接觸處產(chǎn)生沖擊，所述基底18可包括 HMA。基底18可稱(chēng)為浙青面層18。沖擊之間的間隔是壓路機(jī)10速度和偏心重錘16速度的 函數(shù)，且可為例如10-12脈沖每縱尺。與IACA 5相關(guān)聯(lián)的傳感器模塊22包括安裝到機(jī)架 30以用于測(cè)量壓實(shí)機(jī)10在操作期間的振動(dòng)的加速計(jì)24,且可包括用于測(cè)量浙青基底的表 面溫度的紅外溫度傳感器26。加速計(jì)24和溫度傳感器26可安裝到壓路機(jī)10的機(jī)架30。 傳感器26大體包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。IACA 5可包括用戶界面28,所述用戶界面28可以 是基于Intel Pentium的筆記本電腦，其用于列舉振動(dòng)馬達(dá)的幅值和頻率以及輸入面層性 質(zhì)，例如混合類(lèi)型和增填厚度。還可利用用戶界面28錄入其他初始輸入?yún)?shù)，下文將對(duì)此 進(jìn)行詳細(xì)解釋。加速計(jì)24可以是Crossbow生產(chǎn)的能夠測(cè)量高達(dá)IOkHz頻率的IOg加速度 的CXL10HF3三軸加速計(jì)。浙青面層18的表面溫度可使用安裝在機(jī)架30上的紅外溫度傳 感器26測(cè)量。全球定位系統(tǒng)（GPS)32也可安裝到壓路機(jī)10。正如本領(lǐng)域中公知的，GPS將 提供壓路機(jī)10的位置且將與IACA 5配合以便將知道由IACA 5產(chǎn)生的密度的位置。例如， GPS接收器32可以是在壓路機(jī)10移動(dòng)時(shí)用于記錄壓路機(jī)10的位置的Trimble Pro XT GPS 接收器。
[0025] IACA 5包括特征提取（FE)模塊34,所述特征提取模塊34計(jì)算輸入信號(hào)的快速傅 里葉變換（FFT)并且提取對(duì)應(yīng)于以不同突出頻率（salient frequency)振動(dòng)的特征。輸入 信號(hào)是壓路機(jī)10的響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)，其由偏心重錘16制造的沖擊而產(chǎn)生。響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)由 加速計(jì)24測(cè)量或收集。IACA 5還包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN)分類(lèi)器36,所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器36 是經(jīng)過(guò)訓(xùn)練以將提取的特征分類(lèi)成不同類(lèi)別的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中每一種類(lèi)別表示針對(duì)預(yù) 先規(guī)定壓實(shí)水平的振型（vibration pattern)。IACA 5中的壓實(shí)分析儀模塊38后處理神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出并且估算實(shí)時(shí)壓實(shí)程度。下文中將更加詳細(xì)地闡述IACA 5的每一個(gè)組件。
[0026] 特征提取器模塊34執(zhí)行快速傅里葉變換以有效地提取壓路機(jī)10的響應(yīng)振動(dòng)信號(hào) 的不同頻率分量。FFT的輸出是具有256個(gè)元素的向量，其中每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)于以相應(yīng)頻率 的歸一化信號(hào)功率。應(yīng)理解，歸一化信號(hào)功率是頻率幅值的平方，因此提取的特征是頻率以 及頻率幅值。圖3是振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征的實(shí)例且顯示頻率和頻率的歸一化功率（即，幅 值的平方）。以IkHz (lOOOHz/sec)的速率對(duì)壓路機(jī)10的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣。由于以速率 IkHz對(duì)壓路機(jī)10的響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，因此應(yīng)理解頻譜從0到500Hz均勻分布。由于 FFT輸出是具有256個(gè)元素的向量，因此特征是以大約2Hz的頻帶進(jìn)行提取的。特征可以重 疊方式每秒提取八次，使得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)36的輸入將包括來(lái)自提取特征的前一時(shí)刻的128個(gè) 元素以及來(lái)自當(dāng)前或直接特征提取的128個(gè)元素。
[0027] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器36是具有200個(gè)輸入、輸入層中的10個(gè)節(jié)點(diǎn)、隱蔽層中的4個(gè)節(jié) 點(diǎn)和輸出層中的1個(gè)節(jié)點(diǎn)的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入對(duì)應(yīng)于特征提取模塊的輸出， 即在這種情況下頻譜中的200個(gè)特征。在優(yōu)選實(shí)施例中，只考慮頻譜（即，從100-500HZ) 中的上部200個(gè)特征。下部范圍中的那些表示壓路機(jī)10的頻率并且可忽略。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)36 將壓路機(jī)10的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)分類(lèi)成表示不同壓實(shí)水平的類(lèi)別。
[0028] 在校準(zhǔn)過(guò)程期間在數(shù)次壓路機(jī)通過(guò)遍數(shù)上分析特征提取模塊34的輸出并且計(jì)算 每一時(shí)刻壓路機(jī)10的響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)中的總功率量。下文將陳述功率計(jì)算。識(shí)別最小功率 水平、最大功率水平和等間隔功率水平并且使用對(duì)應(yīng)于識(shí)別的功率水平的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的 特征來(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)36。識(shí)別的最小功率水平、最大功率水平和等間隔功率水平被指定為 對(duì)應(yīng)于規(guī)定的壓實(shí)水平。在壓實(shí)過(guò)程期間，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)36觀察壓路機(jī)的響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)的特征 并將所述特征分類(lèi)為對(duì)應(yīng)于壓實(shí)水平中的一者。
[0029] 將用編號(hào)識(shí)別或指定多個(gè)預(yù)先規(guī)定的壓實(shí)水平。在規(guī)定五個(gè)壓實(shí)水平的情況下， 最小壓實(shí)水平可被識(shí)別或指定為壓實(shí)水平0,且最大壓實(shí)水平可被指定為壓實(shí)水平4。最小 壓實(shí)水平和最大壓實(shí)水平之間的壓實(shí)水平可被指定為對(duì)應(yīng)于最小功率水平和最大功率水 平之間的等間隔功率水平的壓實(shí)水平1、2和3。圖3是示例且顯示對(duì)應(yīng)于五個(gè)不同壓實(shí)水 平的特征，其中最低水平對(duì)應(yīng)于壓路機(jī)隨著振動(dòng)馬達(dá)啟動(dòng)而操作的情況并且被指定為水平 〇,水平4被指定為對(duì)應(yīng)于其中觀察到最大振動(dòng)的情況，且水平1至3對(duì)應(yīng)于其之間的間隔 水平。
[0030] IACA 5的初始校準(zhǔn)假定壓實(shí)水平0對(duì)應(yīng)于浙青面層的鋪設(shè)密度并且壓實(shí)水平4 對(duì)應(yīng)于混合料配比設(shè)計(jì)表中規(guī)定的目標(biāo)密度（以高性能路面旋轉(zhuǎn)式壓實(shí)機(jī)（superpave gyratory compactor)的100次旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)）。例如，浙青的鋪設(shè)密度一般假定為85%至88%, 且目標(biāo)或最大密度一般為94-97 %。壓實(shí)水平1、2和3被指定為對(duì)應(yīng)于其之間的等間隔密 度。
[0031] 在校準(zhǔn)操作期間，壓路機(jī)10將在浙青面層18上通過(guò)數(shù)遍。浙青面層18可包括將 要壓實(shí)的道路段42的一部分40。部分40將包括定義的長(zhǎng)度，例如30英尺。將在道路的所 述部分上識(shí)別多個(gè)位置，標(biāo)記為在圖1上的位置A、B、C、D和E。所述位置將用于獲得道路 段42的部分40的實(shí)際測(cè)量密度。應(yīng)理解，道路段42可延伸數(shù)英里并且一旦發(fā)生本文中所 述的校準(zhǔn)，那么只要該道路段包括與部分42相同的道路材料即可基于IACA顯示器44上表 示的IACA 5的輸出而發(fā)生對(duì)道路段42的剩余部分的滾壓，而無(wú)需其他的密度實(shí)際測(cè)量。
[0032] 當(dāng)壓路機(jī)10在道路段42的部分40上進(jìn)行多次通過(guò)時(shí)，偏心重錘16將如本文中 所述產(chǎn)生沖擊。在壓路機(jī)10通過(guò)加速計(jì)24沿著部分40移動(dòng)時(shí)，壓路機(jī)10的響應(yīng)振動(dòng)信 號(hào)由加速計(jì)24收集。
[0033] 當(dāng)響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)變得一致時(shí)，壓路機(jī)10將停止通過(guò)操作，這表明壓實(shí)中不再出現(xiàn) 其他改變。例如，壓路機(jī)10應(yīng)在翻轉(zhuǎn)發(fā)生之前停止。
[0034] 使用由特征提取器34提取的特征計(jì)算壓路機(jī)10的響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)的功率量。每次 發(fā)生特征提取時(shí)便計(jì)算功率量，如本文中所述可為八次每秒。
[0035] 可如下計(jì)算壓路機(jī)10的響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)的功率水平或功率量。使用i作為頻域中 的指數(shù)，使得i = 1，. . .，Iii,且使用' j'作為時(shí)域中的指數(shù)，使得j = 1，. . .，rij，Iii表示從 振動(dòng)信號(hào)提取的特征的最大數(shù)且1^_表示振動(dòng)信號(hào)的樣本的最大數(shù)。振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖可由 Hi行和列的矩陣表示，其中頻譜圖中的每一個(gè)元素's'表示給定特征在特定時(shí)刻的歸一 化功率（即頻率的幅值的平方）。例如，ith行和jth列中的元素表示在j*Ts時(shí)刻的i th特征 中含有的歸一化功率，其中Ts是采樣時(shí)間。
[0036] 如果&是ith特征的頻率，那么在以時(shí)間指數(shù)'j'的振動(dòng)信號(hào)中含有的總功率計(jì) 算為：
[0037]
【權(quán)利要求】
1. 一種使用壓路機(jī)壓實(shí)多層道路段的方法，所述壓路機(jī)具有與其可操作地相關(guān)聯(lián)的壓 實(shí)分析儀，所述方法包括： 將所述道路段的第一層的初始輸入?yún)?shù)錄入所述壓實(shí)分析儀中； 使所述壓路機(jī)在所述道路段的一部分的所述第一層上進(jìn)行多次通過(guò)； 當(dāng)所述壓路機(jī)在所述道路段的所述部分的所述第一層上移動(dòng)時(shí)，通過(guò)所述壓路機(jī)向所 述道路段的所述部分的所述第一層施加振動(dòng)能量； 當(dāng)所述壓路機(jī)在所述道路段的所述第一層部分上移動(dòng)時(shí)，重復(fù)收集所述壓路機(jī)的響應(yīng) 振動(dòng)信號(hào)； 基于所述壓路機(jī)的所述響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)以及錄入到所述壓實(shí)分析儀中的所述初始輸入 參數(shù)，使用所述壓實(shí)分析儀生成表示估算模量的估算動(dòng)態(tài)模量信號(hào)； 在所述道路段的所述部分上的多個(gè)位置處，測(cè)量所述道路段的所述第一層的動(dòng)態(tài)模 量； 將所述多個(gè)位置處的測(cè)量模量與所述估算模量進(jìn)行比較以確定所述測(cè)量模量與所述 估算模量之間的差； 基于所確定的模量與所述估算模量之間的差來(lái)調(diào)整錄入至所述分析儀的所述初始輸 入?yún)?shù)中的選定參數(shù)，使得由所述壓實(shí)分析儀生成的調(diào)整模量輸出信號(hào)將比所述估算模量 信號(hào)更密切地接近于所述道路段的實(shí)際模量；以及 滾壓所述道路段的剩余部分直到具有調(diào)整輸入?yún)?shù)的所述壓實(shí)分析儀生成需要的調(diào) 整輸出模量信號(hào)為止。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述初始輸入?yún)?shù)包括道路材料的混合特性、所 述第一層的估算最小模量（Mld)和估算最大模量（Mt)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中（Mld)是規(guī)定鋪設(shè)密度的模量且Mt是達(dá)到所述第 一層中所用的所述道路材料的混合標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)密度的模量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括： 識(shí)別具有最1?功率、最低功率以及在所述最1?功率和所述最低功率之間的等間隔功率 水平的所述響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)；以及 將規(guī)定的最小壓實(shí)水平、最大壓實(shí)水平和等間隔壓實(shí)水平指定為對(duì)應(yīng)于具有所述最高 功率、所述最低功率和所述等間隔功率的所述響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)； 將所述壓實(shí)水平遞送到所述壓實(shí)分析儀的分析儀模塊；以及 根據(jù)公式Mest = M1JkiJ(C1)+Offin實(shí)時(shí)生成所述道路段的所述第一層部分的所述估算 模量（Mest)，其中kin是為初始輸入?yún)?shù)的初始斜率參數(shù)，OfTin是從所述最小估算模量偏移 的估算偏移并且還是初始偏移參數(shù)，且C1是遞送到所述分析儀模塊的所述壓實(shí)水平。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述調(diào)整步驟包括調(diào)整所述初始斜率參數(shù)和所述 初始偏移參數(shù)，使得所述壓實(shí)分析儀將根據(jù)公式Matu = Mld+ka(U (C1) +offset^生成調(diào)整密度 (Matu)，其中ka(U和OfTatu分別為調(diào)整斜率參數(shù)和調(diào)整偏移參數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中使用方程
動(dòng)信號(hào)的功率，其中fi表示所述給定響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)中包含的多個(gè)頻率且Si是所述頻率的幅 值的平方。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述初始斜率參數(shù)kin由方程式kin = Mt-MwA^1-I 表示，其中1?是壓實(shí)水平的總數(shù)，且其中估算初始偏移為零。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述調(diào)整步驟包括調(diào)整所述初始斜率參數(shù)和所 述初始偏移參數(shù)，且根據(jù)公式Matu = M+ka(U (C1) +OfTsetatu生成調(diào)整密度（Matu)，其中kadJ和 Offatu分別為調(diào)整斜率參數(shù)和調(diào)整偏移參數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中使用 偏移，其中n是測(cè)量密度的所述多個(gè)位置的數(shù)量，Mest是在所述多個(gè)位置處的估算模量，M_s是所述多個(gè)位置處的測(cè)量模量，且使用以下方程式來(lái)計(jì)算所述調(diào)整斜率：
10. -種壓實(shí)方法，包括在道路段的部分的每一附加層上執(zhí)行權(quán)利要求1至5的步驟以 測(cè)定所述道路段的每一層的Madj。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括基于所述道路段的每一層的Matu測(cè)定整體有 效模量Erff。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述道路是三層道路段，并且使用以下方程式 測(cè)定Efiff :
其中ELpEL2和EL3分別為層L1、L2和L3的動(dòng)態(tài)模量，且hi、h2和h3為各自層的厚度 并且為校正因子。
13. -種測(cè)定多層道路的硬度的方法，包括： (a) 使壓路機(jī)在道路段的第一層上進(jìn)行多次通過(guò)； (b) 使用所述壓路機(jī)向所述道路段的所述部分的所述第一層施加振動(dòng)能量； (c) 基于所述壓路機(jī)的響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)，使用與所述壓路機(jī)可操作地相關(guān)聯(lián)的壓實(shí)分析 儀生成估算模量信號(hào)； (d) 獨(dú)立測(cè)定所述第一層上的多個(gè)位置處的動(dòng)態(tài)模量； (e) 基于所述估算模量與在所述多個(gè)位置處獨(dú)立測(cè)定的模量之間的差來(lái)調(diào)整用于所述 壓實(shí)分析儀的輸入?yún)?shù)中的選定參數(shù)以達(dá)到比所述估算模量更密切地接近于實(shí)際模量的 調(diào)整模量； (f) 對(duì)所述道路段的每一層執(zhí)行步驟（a)-(e);以及 (g) 對(duì)于所述道路的每一層，使用所述調(diào)整模量Matu計(jì)算整體模量Erff。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述獨(dú)立測(cè)定步驟包括： 用落錘式彎沉儀測(cè)定所述多個(gè)位置處的所述模量。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述道路是三層道路，并且用下列方程式計(jì)算 Eeff :
其中ELpEL2和EL3分別是層L1、L2和L3的動(dòng)態(tài)模量，且hi、h2和h3是各自層的厚度， 且C1和C2是校正因子。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述初始輸入?yún)?shù)包括道路材料的混合特性、 所述第一層的估算最小模量（Mld)和估算最大模量（Mt)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中（Mld)是規(guī)定鋪設(shè)密度的模量且Mt是達(dá)到所述 道路材料的混合標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)密度的模量。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括： 識(shí)別具有最1?功率、最低功率以及在所述最1?功率和最低功率之間的等間隔功率水平 的所述響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)；以及 將規(guī)定的最小壓實(shí)水平、最大壓實(shí)水平和等間隔壓實(shí)水平指定為對(duì)應(yīng)于具有所述最高 功率、所述最低功率和所述等間隔功率的所述響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)； 將所述壓實(shí)水平遞送到所述壓實(shí)分析儀的分析儀模塊；以及 根據(jù)公式Mest = Mld+kin* (C1) +Offin實(shí)時(shí)生成所述道路段的所述第一層部分的估算模量 (Mest)，其中kin是為初始輸入?yún)?shù)的初始斜率參數(shù)，OfTin是從所述最小估算模量偏移的估 算偏移并且還是初始偏移參數(shù)，且C1是遞送到所述分析儀模塊的所述壓實(shí)水平。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述調(diào)整步驟包括調(diào)整所述初始斜率參數(shù)和初 始偏移參數(shù)，使得所述壓實(shí)分析儀將根據(jù)公式Matu = M1Jkat^(C1)+offsets生成調(diào)整密度 (Matu)，其中ka(U和OfTatu分別是調(diào)整斜率參數(shù)和調(diào)整偏移參數(shù)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述獨(dú)立測(cè)定步驟包括： 從所述多個(gè)位置切割核芯，測(cè)量所述核芯的密度；以及 基于分別用于每一層的混合料的主曲線找到對(duì)應(yīng)于所測(cè)量的密度的模量。
21. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述獨(dú)立測(cè)定步驟包括使用用于所述混合料的 已知經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)測(cè)定所述模量。
22. -種測(cè)定道路硬度的方法，包括： 壓實(shí)用于所述道路的每一層的浙青混合料以獲得每一層的多個(gè)密度的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室樣 品； 測(cè)定對(duì)應(yīng)于用于每一層的所述樣品的鋪設(shè)密度和目標(biāo)密度的鋪設(shè)模量Mld和目標(biāo)模量 Mt ； 使用每一層的所述鋪設(shè)模量和所述目標(biāo)模量來(lái)計(jì)算每一道路層的模量；以及 使用每一層的模量來(lái)計(jì)算所述道路的整體有效模量。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述使用步驟包括： 使壓路機(jī)從第一層開(kāi)始在所述道路段的一部分的每一層上進(jìn)行多次通過(guò)，所述壓路機(jī) 具有與其可操作地相關(guān)聯(lián)的壓實(shí)分析儀； 當(dāng)所述壓路機(jī)在所述道路段的所述部分的每一層上移動(dòng)時(shí)，通過(guò)所述壓路機(jī)向所述道 路段的所述部分的每一層施加振動(dòng)能量； 當(dāng)所述壓路機(jī)在所述道路段的每一層部分上移動(dòng)時(shí)，重復(fù)收集所述壓路機(jī)的響應(yīng)振動(dòng) 信號(hào)； 根據(jù)公式Mest = Mld+kin(C1Hoffin計(jì)算在每一層上多個(gè)位置處所述道路段的每一層的 估算模量Mest，其中初始斜率參數(shù)kin是（Mt-Mw) Ana-I)并且是初始輸入?yún)?shù)，Offin是從最 小估算模量偏移的估算偏移并且還是初始偏移參數(shù)，C1是遞送到所述分析儀模塊的壓實(shí)水 平，且na是壓實(shí)水平的數(shù)量； 在所述道路段的所述部分上的所述多個(gè)位置處測(cè)量所述道路段的每一層的動(dòng)態(tài)模 量； 將所述多個(gè)位置處的測(cè)量模量與所述估算模量進(jìn)行比較以確定所述測(cè)量模量與所述 估算模量之間的差；以及 基于所確定的模量與所述估算模量之間的差來(lái)調(diào)整錄入至所述分析儀的所述初始輸 入?yún)?shù)中的選定參數(shù)，使得由所述壓實(shí)分析儀生成的調(diào)整模量輸出信號(hào)將比所述估算模量 信號(hào)更密切地接近于所述道路段的實(shí)際模量，所述調(diào)整步驟包括調(diào)整所述初始斜率參數(shù)和 所述初始偏移參數(shù)，使得所述壓實(shí)分析儀將根據(jù)公式Matu = Mld+ka(U (C1) +offset^生成調(diào)整 密度（Matu)，其中ka(U和OfTatu分別是調(diào)整斜率參數(shù)和調(diào)整偏移參數(shù)。
24. 根據(jù)權(quán)利23所述的方法，其中所述道路是三層道路，且其中使用下列方程式計(jì)算 所述道路的整體模量：
其中ELpEL2和EL3分別是層L1、L2和L3的動(dòng)態(tài)模量，且hi、h2和h3是各自層的厚度， 且C1和C2是校正因子。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，所述測(cè)定步驟包括： 產(chǎn)生主曲線來(lái)表示每一層的所述樣品的密度與每一層的所述樣品的模量之間的關(guān)系； 以及 定位所述主曲線上的Mld和Mt。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述測(cè)量步驟包括使用FWD找到所述多個(gè)位置 處的所述模量。
27. -種壓實(shí)多層道路的方法，包括： 測(cè)定每一層上多個(gè)位置處的模量；以及 使用所述層中的每一層的所述模量計(jì)算所述道路的整體有效模量。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述道路是三層道路，且使用下列方程式來(lái)計(jì) 算所述模量：
其中ELpEL2和EL3分別是層L1、L2和L3的動(dòng)態(tài)模量，且hi、h2和h3是各自層的厚度， 且C1和C2是校正因子。
29. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，所述測(cè)定步驟包括： 使具有壓實(shí)分析儀的壓路機(jī)在所述道路段的一部分的每一層上進(jìn)行多次通過(guò)； 當(dāng)所述壓路機(jī)在所述道路段的所述部分的每一層上移動(dòng)時(shí)，通過(guò)所述壓路機(jī)向所述道 路段的所述部分的每一層施加振動(dòng)能量； 當(dāng)所述壓路機(jī)在所述道路段的所述第一層部分上移動(dòng)時(shí)，重復(fù)收集所述壓路機(jī)的響應(yīng) 振動(dòng)信號(hào)； 基于所述壓路機(jī)的所述響應(yīng)振動(dòng)信號(hào)以及錄入到所述壓實(shí)分析儀中的所述初始輸入 參數(shù)，通過(guò)所述壓實(shí)分析儀生成表示估算模量的估算動(dòng)態(tài)模量信號(hào)； 在所述道路段的所述部分上的多個(gè)位置處，測(cè)量所述道路段的所述第一層的動(dòng)態(tài)模 量； 將所述多個(gè)位置處的測(cè)量模量與所述估算模量進(jìn)行比較以確定所述測(cè)量模量與所述 估算模量之間的差； 基于所確定的模量與所述估算模量之間的差來(lái)調(diào)整錄入至所述分析儀的所述初始輸 入?yún)?shù)中的選定參數(shù)，使得由所述壓實(shí)分析儀生成的調(diào)整模量輸出信號(hào)將比所述估算模量 信號(hào)更密切地接近于所述道路段的實(shí)際模量。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括滾壓所述道路段的每一層的剩余部分直到具 有所述調(diào)整輸入?yún)?shù)的所述壓實(shí)分析儀生成需要的調(diào)整輸出模量信號(hào)為止。
【文檔編號(hào)】E01C19/28GK104364445SQ201380029906
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2013年4月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月6日
【發(fā)明者】賽希·康姆里, 穆沙拉夫·扎曼 申請(qǐng)人:俄克拉何馬大學(xué)董事會(huì)