[发明专利]一种路基服役性能的健康诊断装置与方法

权利要求书

1.一种路基服役性能的健康诊断装置，其特征在于，包括：

加载装置，用于向道路施加荷载；所述加载装置包括测试车和安装于测试车上的能够自由落体的落锤和缓冲钢盘，落锤自由落体时落于缓冲钢盘上；

数据采集装置，用于采集向道路施加荷载时路面产生的应力和竖向位移；所述数据采集装置包括安装于测试车上的能够落下与收回的位移传感器和安装于缓冲钢盘上的应力传感器；

数据分析装置，安装于测试车上，通过同步导线与位移传感器和应力传感器连接；所述数据分析装置用于对竖向位移信号进行频谱分析，获得路面层瑞利波的传播速度和路面层厚度，根据传播速度获得路面层弹性模量；将应力、竖向位移、路面层弹性模量和路面层厚度输入训练好的路基土体模量计算模型中，获取路基土体弹性模量；根据路面层弹性模量、路基土体弹性模量和路面层厚度，获得路基在标准荷载下的动变形值，根据路基在标准荷载下的动变形值对路基的健康状态进行评估；

所述路基土体模量计算模型的训练过程包括：根据样本道路的路面层弹性模量、路基土体弹性模量、路面层厚度、路面产生应力和路面竖向位移构成训练样本，对路基土体模量计算模型进行训练，获得训练好的路基土体模量计算模型；

所述训练样本中的路面竖向位移，通过将路面产生应力输入双层非饱和多孔弹性介质模型中获得；所述双层非饱和多孔弹性介质模型为：

其中，是积分变换域内各层界面上的位移；是积分变换域内各层界面上的应力；[B]是双层模型的整体柔度矩阵，用精确刚度矩阵法和积分变换方法从非饱和多孔介质的控制方程推导得到：

其中σ_ij表示总应力；ρ＝(1-n)ρ_s+nS_rρ_w+n(1-S_r)ρ_a为非饱和多孔介质总密度，n为土体孔隙度，S_r表示饱和度，ρ_s、ρ_w和ρ_a分别为各相介质的物质密度；(·)表示关于时间的求导；孔隙水与孔隙气体在i方向上相对土颗粒的位移分量为W_i和V_i；g代表重力加速度；k_w和k_a分别表示孔隙水和孔隙气体的渗透系数；δ_ij为Kronecker符号；p表示作用在土颗粒周围的平均孔隙压力；λ和μ为Lame常数；第一Biot系数a＝1-K_b/K_s，K_b和K_s分别为土骨架和土颗粒的体积压缩模量，且有K_b＝λ+2μ/3和K_b＜＜K_s；e＝▽·u为体应变，u表示土颗粒位移矢量；ε_ij为应变张量；A₁₄＝1，A₂₄＝1，α、m和d为土水特征曲线模型拟合参数；S_e为有效饱和度。

2.如权利要求1所述的一种路基服役性能的健康诊断装置，其特征在于，缓冲钢盘通过能够伸缩的落锤导杆与测试车连接，落锤沿落锤导杆自由落体落于缓冲钢盘上。

3.如权利要求1所述的一种路基服役性能的健康诊断装置，其特征在于，将路基在标准荷载下的动变形值与路基顶面允许动变形值进行比较，评估路基的健康状态。