具体实施方式

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下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

实施例1

为了实现对路基健康状态的快速无损检测，在该实施例中公开了一种路基服役性能的健康诊断装置，包括：

加载装置，用于向道路施加荷载；

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；

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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，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置传感器和安装于缓冲钢盘上的应力传感器。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，路基土体模量计算模型采用神经网络模型。

结合图1-3对本实施例公开的一种路基服役性能的健康诊断装置进行详细说明。

一种路基服役性能的健康诊断装置，包括加载装置、数据采集装置和数据分析装置。

如图1所示，加载装置包括测试车及安装于测试车1上的落锤7和缓冲钢盘8。

其中，落锤7能够从测试车1上自由降落，缓冲钢盘8通过落锤导杆6与测试车1连接，落锤导杆6为伸缩杆，能够相对于测试车伸出与收回，落锤导杆6的伸缩带动缓冲钢盘8相对于测试车伸出或收回。

落锤7沿落锤导杆6自由降落至缓冲钢盘8上。

数据采集装置包括安装于测试车1上的位移传感器4和安装于缓冲钢盘8上的应力传感器。

位移传感器4能够从测试车1上伸出与收回。

数据分析装置9安装于测试车1上，通过同步导线5与位移传感器4和应力传感器连接。

当对道路进行测试时，将测试车1行驶至道路的预定位置处，将位移传感器4、落锤导杆6和缓冲钢盘8从测试车内放出。

将落锤7放出做自由落体，砸至缓冲钢盘8上，对道路进行激振。

当落锤7砸至缓冲钢盘8上时，通过位移传感器4采集道路产生的竖向位移，通过应力传感器采集道路产生的应力。

将道路产生的竖向位移和应力发送至数据分析装置9，通过数据分析装置9对竖向位移和应力进行分析，进而对路基的健康状态进行评估，当路基土体健康状态较差时，发出报警，提示该处路基土体的健康状况较差，需要及时采取措施补强。

当道路该处测量完成后，如图2所示，将位移传感器4、落锤7、落锤导杆6和缓冲钢盘8收回测试车内，将车辆向前行驶出该段有效测量区，并行驶至下一测量点进行测试，实现了对整条道路路基健康状态的评估。

数据分析装置9对竖向位移和应力进行分析，获取路基健康状态评估结果的具体过程为：

S1：对位移传感器4获得的竖向位移信号进行频谱分析，获得测试段的频散曲线，进而获得路面层瑞利波的传播速度V_R和路面层厚度h₁，利用传播速度V_R获得路面层弹性模量E₁。

其中，路面层弹性模量E₁的计算公式为：

其中ρ是路面介质的密度，ν是路面介质的泊松比。

S2：将应力P、竖向位移路面层弹性模量E₁和路面层厚度h₁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E₂。

其中，路基土体模量计算模型采用神经网络模型或机器学习算法，为：

通过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。

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

在落锤的轴对称竖向冲击荷载作用下，路基的动力响应问题可以简化成空间轴对称模型，为了便于说明，这里以如图3所示的双层模型为例，基于非饱和多孔弹性介质计算模型，使用精确刚度矩阵法和积分变换方法可以得到双层非饱和多孔弹性介质模型整体的应力与位移关系：

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，使用精确刚度矩阵法和积分变换方法可以从非饱和多孔介质的控制方程(4)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；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。

将通过缓冲钢盘8上的应力传感器采集的样本道路路面产生应力进行积分变换后获得应力输入公式(3)表述的双层非饱和多孔弹性介质模型中获得路面竖向位移。

由于双层非饱和多孔弹性介质模型中不同层位有不同的力学参数，根据实际的样本道路结构以及规范的要求，在可能的范围内对各个力学参数取大量的组合P E₁ E₂ h₁进行路面竖向位移的计算，得到在道路顶面与位移传感器4相同位置处的竖向位移，例如

S3：通过路面层弹性模量E₁、路基土体弹性模量E₂和路面层厚度h₁，获得路基在标准荷载下的动变形值u_z，路基在标准荷载下的动变形值u_z的计算公式为：

式中： α＝-ω²+2Vωβ-V²β²；V、ω分别为测试车的行驶速度和振动频率；β、γ为积分变换参数；A₂、B₂、C₂、D₂为积分常数。

S4：根据路基在标准荷载下的动变形值u_z对路基的健康状态进行评估。

具体为：将路基在标准荷载下的动变形值u_z与路基顶面允许动变形值u_dr进行比较，评估道路的健康状态。

当u_z>u_dr时自动记录当前测试位置，发出警报，提示该处路基土体的健康状况较差，需要及时采取措施补强。

其中，路基顶面允许动变形值u_dr为：

其中A_c、A_s、A_b为与公路等级、结构层类型和性质有关的系数，A_a为路基顶面动变形与路表面动变形幅值之比。

本公开通过向道路施加荷载，并采集施加荷载时路面产生的应力和竖向位移，通过对应力和竖向位移分析，获得路基在标准荷载下的动变形值，进而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了诊断，实现了对路基健康状态的快速无损检测。

另：本实施例中的位移传感器4可以采用速度传感器或加速度传感器代替，当采用速度传感器或加速度传感器时，需要对传感器采集的信号进行时间积分获得位移信号，之后对位移信号进行分析，获得路基在标准荷载下的动变形值。

实施例2

在该实施例中，公开了一种路基服役性能的健康诊断方法，包括：

采集向道路施加荷载时路面产生的应力和竖向位移；

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。

实施例3

在该实施例中，公开了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例2公开的一种路基服役性能的健康诊断方法所述的步骤。

实施例4

在该实施例中，公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例2公开的一种路基服役性能的健康诊断方法所述的步骤。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。