路麵檢測技術的應用與發展趨勢

路麵檢測技術的應用與(yu) 發展趨勢

 近幾年來，隨著交通基礎建設投資力度的加大，我國公路通車裏程逐年快速增長。截止到2006年底，全國公路通車總裏程已達345萬(wan) 公裏，其中高速公路達4 53萬(wan) 公裏。可以預見，與(yu) 我國公路建設的快速發展相對應，未來一段時期內(nei) 大量的原有路麵需要維修改造，以保持良好的路用性能。路麵性能檢測是公路建設與(yu) 管理中的關(guan) 鍵性、基礎性技術，它不僅(jin) 對檢測和控製工程質量至關(guan) 重要，而且決(jue) 定著路網養(yang) 護決(jue) 策的科學性，直接影響養(yang) 護資金分配的合理性。  
    根據我國相關(guan) 規範，舊路麵檢測的主要指標包括彎沉、平整度、摩擦係數、破損狀況等。此外，還可根據實際項目需求加入車轍、厚度、基層完整性等指標。傳(chuan) 統的檢測手段主要包括：(1)采用貝克曼梁彎沉儀(yi) ，百分表，配合標準軸載黃河車，利用杠杆原理測試路表回彈彎沉；(2)采用3米直尺，測試路麵縱向平整度、橫向斷麵車轍狀況；(3)采用擺式摩擦係數儀(yi) ，人工逐點測試路麵摩擦係數；(4)采用取芯機，鑽取芯樣測試路麵厚度，判斷芯樣完整性；(5)采用人工破損調查，了解路麵破損狀況。這些早期測試方法不僅(jin) 費時費力、影響交通，而且有些還要破壞路麵結構，數據精度也難以得到可靠保證，因此，已經在逐步被新型檢測設備所取代。下麵重點介紹目前應用較多的一些新型檢測技術。  

路麵彎沉檢測  
    彎沉作為(wei) 路麵檢測的重要指標，其檢測與(yu) 分析技術發展十分迅速。自1 953年貝克曼(BenkeIman)發明梁式彎沉儀(yi) 以來，路麵彎沉檢測設備已從(cong) 靜力彎沉儀(yi) 、穩態動力彎沉儀(yi) 發展到脈衝(chong) 式動力彎沉儀(yi) ，從(cong) 單點大彎沉檢測發展到對路麵彎沉盆的檢測，並將僅(jin) 局限於(yu) 柔性路麵意義(yi) 上的彎沉概念，發展到剛性路麵的結構評價(jia) 與(yu) 設計分析中，路麵結構性能的評價(jia) 也從(cong) 路麵整體(ti) 強度評定發展到對路麵各層剛度的反分析。  
    利用貝克曼梁法測定路麵回彈彎沉值操作簡便、應用廣泛，但測試為(wei) 人工操作，測試結果受人為(wei) 因素影響較大，測速慢。自動彎沉儀(yi) 的基本工作原理與(yu) 貝克曼梁原理相同，均采用簡單的杠杆原理，測定車在檢測路段以一定速度行駛，將安裝在測試車前，後軸之間底盤下麵的彎沉測定梁放到車輛底盤的前端，並支於(yu) 地麵保持不動，當後軸雙輪隙通過測頭時，彎沉通過位移傳(chuan) 感器等裝置被自動記錄下來，這時，測定梁被拖動，以二倍的汽車速度拖到下一測點，周而複始地向前連續測定，一般測試速度保持在1.5km／h-4 0km／h之間。  
　　落錘式彎沉儀(yi) (FWD)是脈衝(chong) 式動力彎沉儀(yi) 的典型代表，其技術特點主要表現在：測速快，精度高，並較好地模擬了實際行車荷載對路麵的動力作用，已被許多國家廣泛地應用到路麵檢測和評價(jia) 中。其主要原理如下：通過計算機控製下的液壓係統提升並釋放一重錘，從(cong) 而對路麵施加脈衝(chong) 荷載，荷載大小通過改變錘重和提升高度調整，並通過剛性圓盤作用到路麵上。路麵的彎沉由5個(ge) ～9個(ge) 傳(chuan) 感器測定，這樣就能較準確地反映彎沉盆的形狀，從(cong) 而為(wei) 路麵模量反算提供基礎。有了模量，就能進一步分析出路麵結構的應力，應變狀況，評價(jia) 承載能力。自20世紀80年代以來，FWD在上得到了廣泛的應用，至今已有50多個(ge) 國家和地區引進了FWD。美國聯邦公路局經過對比分析，確認FWD是較理想的路麵承載能力評定設備，並選為(wei) 實施SHRP計劃中路麵承載能力評定部分的重要設備。  
　　目前，國內(nei) 外圍繞FWD開展的主要研究是穩定可靠的模量反演技術。通過對FWD彎沉盆數據的分析，反演路麵各結構層的動態模量，進而判別承載矽力。國內(nei) 外對這項技術的關(guan) 注重點是路麵力學特性模擬，模量反分析的可靠性、反演結果的驗證等。此外，FWD還可用於(yu) 舊水泥混凝土路麵板體(ti) 脫空判定，接縫傳(chuan) 荷能力判定，路基施工過程中動態監控、路基衝(chong) 擊壓實效果評價(jia) 等多方麵，應用日趨廣泛。 
　　除FWD之後，丹麥、美國等預期開發的新一代彎沉儀(yi) RWD(滾輪式彎成沉儀(yi) )正處於(yu) 研究階段，它采用高頻激光掃描，能夠連續記錄行駛中測試車在路表產(chan) 生的彎沉，其優(you) 點是記錄了路麵真實受力狀態，測速遠大於(yu) FWD，因此對交通的影響較小，是較為(wei) 理想的彎沉檢測設備。  

路麵平整度檢測  
　　路麵平整度是路麵評價(jia) 及路麵施工質量驗收中的一個(ge) 重要指標，主要反映路麵縱斷麵曲線的平整性。當路麵縱斷麵曲線相對平滑時，則表示路麵相對平整，行駛舒適性好，反之則表示平整度相對較差。路麵平整度的檢測能為(wei) 決(jue) 策者提供重要的信息，使決(jue) 策者能為(wei) 路麵的維修養(yang) 護做出優(you) 化決(jue) 策。另一方麵路麵平整度的檢測能準確地提供路麵施工質量的信息，為(wei) 路麵施工提供一個(ge) 質量評定的客觀指標。  
　　在20世紀70年代，平整度測量主要是水平儀(yi) 、三米直尺等，精度低、速度慢。90年代後，平整度檢測手段逐步得到了提高，出現了連續式平整度儀(yi) 、顛簸累積儀(yi) ，激光斷麵儀(yi) 等一批新型檢測設備。  
　　目前，路麵平整度測試設備主要分為(wei) 斷麵類及反應類兩(liang) 大類。斷麵類實際上是測定路麵表麵凹凸情況，如連續式平整度儀(yi) 、激光斷麵儀(yi) 等。反應類是司機和乘客直接感受到的平整度指標，因此，它實際上是舒適性能指標，如顛簸累積儀(yi) 等，其原理是測試車以一定的速度在路麵上行駛，由於(yu) 路麵不平整引起汽車激振，通過機械傳(chuan) 感器測量後軸同車廂之間的單向位移累積值VBI，VBI值越大，則行車越不舒適。由於(yu) VBl不是標準的平整度指標，因此，需通過標定試驗建立與(yu) 斷麵類設備平整度指數IRI值之間的轉換關(guan) 係予以標定轉換。  
　　總體(ti) 而言，斷麵類設備是目前國內(nei) 外平整度檢測發展的主要產(chan) 品。早期產(chan) 品為(wei) 連續式平整度儀(yi) ，其檢測原理很簡單，即由間距為(wei) 三米的前後輪作為(wei) 支點，架起平衡梁，而由一位移傳(chuan) 感器檢測出平衡梁中點至路麵的垂直距離的變化量，然後換算成平整度標準差。連續式平整度儀(yi) 由於(yu) 測試速度較慢，正常測速在5km／h左右，主要用於(yu) 施工過程中檢測。  
　　激光斷麵儀(yi) 是目前應用較多的斷麵類測試設備，正常測速在80 km／h左右，具有測試速度快、精度高的特點，可用於(yu) 平整度等指標的測試，其基本原理是利用激光傳(chuan) 感器測量車體(ti) 到路麵的距離，同時利用加速度計測量車體(ti) 本身的豎向位移，從(cong) 而得到路麵縱斷麵的剖麵，然後利用該剖麵實時計算平整度指數。圍繞激光斷麵儀(yi) 所展開的研究主要是測試的可重複性，可再現性。歐洲和美國均進行過較大規模的可重複性和可再現性研究，在其所使用主流設備之間建立了相關(guan) 關(guan) 係。目前我國使用的激光斷麵儀(yi) 有多種品牌，這些設備已經開始大量使用，但由於(yu) 尚沒有進行係統的可再現性研究，不同設備之間數據的可比性有待考察。  

路麵車轍檢測  
　　車轍是指沿道路縱向在車輛集中位置處路麵產(chan) 生的帶狀凹槽，由於(yu) 交通量的增長、車輛渠化交通、持續高溫等因素的綜合影響，車轍已經成為(wei) 我國瀝青路麵早期破壞中常見的一種路麵病害。車轍對行車安全有重大影響，尤其是在雨後，易造成車輛橫向側(ce) 滑引起交通事  
故，因此，該指標的檢測已經得到了人們(men) 的普遍關(guan) 注。  
　　早期車轍測試主要采用3m直尺方法，優(you) 點是成本較低、方便直觀，缺點是速度慢、效率低、影響交通。隨著計算機技術，超聲波技術、激光技術的快速發展，出現了超聲波車轍測試儀(yi) 、激光斷麵儀(yi) 等新型車轍測試設備。其中，超聲波車轍測試儀(yi) 一般由30個(ge) 左右超聲波傳(chuan) 感器組成，傳(chuan) 感器之間間隔約100mm，測試寬度約3m。通過測量距路表距離描繪路麵橫斷麵，通過直尺分析來確定路麵大車轍深度，其優(you) 點是價(jia) 格低，可以沿橫向密布、斷麵連續性好；缺點是單個(ge) 傳(chuan) 感器精度低於(yu) 激光傳(chuan) 感器，受外界影響大，隻能垂直向下。激光斷麵儀(yi) 除測試平整度外，還可測試車轍，即通過橫向分布的5個(ge) ～9個(ge) 激光傳(chuan) 感器測試距離路麵的高度，通過幾個(ge) 測點高程模擬路麵橫斷麵從(cong) 而可以快速計算車轍。  
　　近幾年來，一種新的激光車轍掃描測試係統已經開始研發並有樣機問世，該係統包含兩(liang) 個(ge) 斷麵激光掃描器，能在m範圍內(nei) 采集1 280個(ge) 點的數據，取樣率為(wei) 25斷麵／秒，在工程應用上能更加真實地反映路麵車轍的實際情況。係統不受溫度，濕度、路麵顏色和平整度的影響，雨天也可測試。此外，激光車轍掃描測試係統具有很高的重複性以及度，測試高度的度為(wei) ±1mm，預計此類產(chan) 品將成為(wei) 未來的發展趨勢。  

路麵摩擦係數檢測  
　　路麵抗滑性能是路麵使用性能的重要組成部分，直接影響到道路行車安全性。路麵抗滑性能包括縱向和橫向兩(liang) 個(ge) 方麵，縱向抗滑性能決(jue) 定車輛在刹車時的滑行距離，對避免追尾交通事故的發生有直接的決(jue) 定作用；橫向抗滑性能決(jue) 定車輛的方向控製能力，對車輛彎道行駛安全性較為(wei) 重要。近幾年來，隨著人們(men) 安全意識的提高，路麵抗滑性能已開始得到人們(men) 的普遍重視。然而，現階段我國規範常用的擺式摩擦係數儀(yi) 在應用於(yu) 摩擦係數測試時尚存在不足之處，主要表現在影響道路交通，測試速度慢、效率低、操作者存在安全隱患等。  
　　針對這種現狀，自動化摩擦係數檢測設備近幾年來逐漸從(cong) 英國、瑞典等國家引入我國。根據測試方法的不同，此種設備可分為(wei) 三類．橫向力係數測試儀(yi) 、刹車式摩擦係數測試儀(yi) 、不*刹車式摩擦係數測試儀(yi) 等。  
　　橫向力係數測試儀(yi) 在我國應用廣泛，由於(yu) 從(cong) 國外引進價(jia) 格較高，20世紀90年代中期實現了國產(chan) 化。該設備的基本原理是設定試驗輪與(yu) 行車方向成一定角度，橫向力與(yu) 試驗輪對路麵荷載的比值即為(wei) 橫向力係數，反映車輛在路麵上側(ce) 滑的危險性，正常測速約50km／h，刹車式摩擦係數測試儀(yi) 是在行駛的過程中，每間隔的距離自動對測試輪刹車，刹車期間測試輪在路麵上滑動。根據傳(chuan) 感器所記錄的  
力，即可計算製動力係數。該設備在美國是抗滑能力測試標準設備之一，測試速度高可以達到110km／h。不*刹車式摩擦係數測試儀(yi) 的測試輪和行駛輪之間，用不等直徑的同軸齒輪和鏈條連接，使得測試輪的滾動線速度小於(yu) 行駛輪的滾動線速度。在正常測試時呈現連滾帶滑的運動狀態，根據力傳(chuan) 感器記錄的數據即可計算路麵摩擦係數。該設備在路麵上的測試速度為(wei) 50km／h左右，在歐洲應用較多，由於(yu) 不是現行規範規定的采集設備，在進行摩擦係數測試時需進行與(yu) 擺式儀(yi) 或橫向力係數測試儀(yi) 間的對比試驗，建立兩(liang) 者之間的關(guan) 係。  
　　目前在路麵抗滑能力測試方麵仍主要采用擺式儀(yi) ，橫向力係數儀(yi) 已逐漸擁有了相當多的用戶，刹車式和不*刹車式摩擦係數測試儀(yi) 目前僅(jin) 有少數用戶。可以預見，由於(yu) 在安全性和精度方麵的優(you) 勢，自動化摩擦係數儀(yi) 在我國將成為(wei) 主流。  

路表破損狀況調查  
　　路表破損狀況往往是道路使用者對於(yu) 路麵施工及養(yang) 護質量的直觀感受，因此，我國各級公路部門對路麵破損狀況一向都比較重視。目前該項指標主要還是依靠人工采集，除了主觀性大、效率低外，還存在很大的安全隱患。針對這種狀況，國內(nei) 部分單位近年來引進了路表破損測試係統，其基本原理是通過攝像係統連續采集路表圖像，然後通過後處理軟件自動處理與(yu) 人工判讀相結合識別，分類與(yu) 統計路表破損。路表破損測試係統極大地提高了二作效率，避免了人工破損調查的危險性隨著我國公路建設的快速發展，必將成為(wei) 廣泛應用的設備。 
　　目前，路表破損測試係統主要有美國、加拿大等幾個(ge) 國家的產(chan) 品，由於(yu) 進口設備價(jia) 格較昂貴，國內(nei) 也有少數單位進行了自主研發並有早期產(chan) 品投入使用。根據對此類產(chan) 品的調查，存在的主要問題包括：(1)目前設備主要能識別裂縫類病害，對於(yu) 擁包、沉陷等三維病害尚不能準確識別；(2)後處理工作量較大，由於(yu) 此類產(chan) 品尚不能實現破損的自動識別，誤判、漏判率較高，如易將距麵汙染判別為(wei) 坑槽等，因此需由人工後期逐圖判讀，造成處理時間過長：(3)人為(wei) 及天氣因素對於(yu) 測試結果準確性有一定的影響，如不同天氣狀況下識別的效果均不一樣。針對這一問題，各設備商正在加以改進，重點是表麵破損的自動識別、歸類，減少誤判，漏判率，並自動輸出路麵破損率等指標。  

路麵厚度、完整性檢測  
　　目前，我國公路路麵厚度測試主要采用取芯法來測定，同時通過人工觀察判定基層完整性狀況。隨著電磁波技術的發展，路麵雷達已經開始在國內(nei) 外嚐試使用，該技術結合了瞬態電磁場理論，時域測量技術、納秒脈衝(chong) 源技術、超寬帶天線技術和信號處理技術等多門學科，主要原理是利用電磁波在路麵結構層中的傳(chuan) 播和反射，根據回波時間、波幅與(yu) 波形，確定厚度，同時通過基層鬆散後介電常數的變化，判定基層鬆散率，從(cong) 而了解基層完整性狀況。在此過程中，重點是對路麵介質介電特性進行分析研究，由於(yu) 雷達接收到的反射波是介質介電特性的函數，對路麵雷達圖像數據的解釋、判讀和反演都依賴於(yu) 對介質介電性能的分析，因此，介電特性的深入分析是目前雷達技術應用的關(guan) 鍵技術點。  
　　路麵雷達在工程中的應用剛剛起步，目前國內(nei) 約有20台左右，這些設備的品牌不同，主要產(chan) 於(yu) 美國和歐洲，但測試原理基本相同，測試頻率越高則精度越高，探測深度則越淺。路麵雷達已成為(wei) 路麵無損檢測技術的重要組成部分，並代表了路麵結構層厚度、壓實度，基層狀況、含水量、瀝青含量等檢測技術的發展方向。  
　　目前路麵雷達在瀝青混凝土麵層厚度檢測上的精度約為(wei) 3％，在結構層完整性如水泥混凝土板體(ti) 脫空判定，基層鬆散判定等方麵的研究仍有待於(yu) 進一步深化。對路麵其它重要性能指標如壓實度、空隙率，含水量，瀝青含量等的研究也還處於(yu) 探索階段，尚未在工程中廣泛應用。此外，由於(yu) 實際情況往往難以客觀判定，可采用不同的檢測方法來相互印證，例如采用落錘式彎沉儀(yi) 和路用雷達聯合探測板塊脫空情況、基層承載能力狀況，從(cong) 而及時發現路麵結構層中存在的隱患，掌握道路的內(nei) 在質量和使用壽命，指導道路的養(yang) 護維修。  
　　路麵雷達的應用，除了雷達天線本身的精度外，後處理軟件也非常關(guan) 鍵，可以說，設備提供了檢測的手段，而軟件決(jue) 定了應用的廣度和深度，應當引起國內(nei) 用戶足夠的重視。各雷達廠家都有配套的後處理軟件，另外也有一些專(zhuan) 業(ye) 性研究所開發的更為(wei) 專(zhuan) 業(ye) 的後處理軟件，尤其以美國和芬蘭(lan) 的研究較深入。  
　　可以認為(wei) ，未來路麵雷達技術推廣應用的速度主要取決(jue) 於(yu) 實用軟件的開發速度及深度。  
　　 
      整體(ti) 而言，新型檢測設備近幾年來不斷湧現，為(wei) 我們(men) 提供了更豐(feng) 富的信息，因此，如何更好地利用自動化檢測技術評價(jia) 路麵使用性能，提出合理的維修方案，將是下一階段檢測設備用戶關(guan) 注的重點。  
　　路麵檢測技術的總體(ti) 趨勢是由人工檢測向自動化檢測技術發展，由破損類檢測向無損檢測技術發展，由低速度、低精度向高速度、高精度發展。近幾年，自動化路麵無損檢測設備越來越多，與(yu) 此對應的，圍繞自動化檢測設備所開展的研究也將在深度上得到提高。綜合而言，路麵檢測技術在我國的發展方向如下；(1)先進無損測試設備用戶越來越多，並逐步實現國內(nei) 組裝及國產(chan) 化；(2)圍繞測試技術所展開的研究將逐步深化，尤其是評價(jia) 技術，並通過相關(guan) 實用軟件的市場化來推廣；(3)利用多種無損檢測設備測試結果對路麵狀況進行綜合評價(jia) ，並進行養(yang) 護技術路線決(jue) 策；(4)各種檢測數據直接導入路麵管理係統，實現信息化管理。