路面檢測技術的應用與發(fā)展趨勢

 近幾年來，隨著交通基礎建設投資力度的加大，我國公路通車里程逐年快速增長。截止到2006年底，全國公路通車總里程已達345萬公里，其中高速公路達4 53萬公里?？梢灶A見，與我國公路建設的快速發(fā)展相對應，未來一段時期內大量的原有路面需要維修改造，以保持良好的路用性能。路面性能檢測是公路建設與管理中的關鍵性、基礎性技術，它不僅對檢測和控制工程質量至關重要，而且決定著路網養(yǎng)護決策的科學性，直接影響?zhàn)B護資金分配的合理性。  
    根據我國相關規(guī)范，舊路面檢測的主要指標包括彎沉、平整度、摩擦系數、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。傳統的檢測手段主要包括：(1)采用貝克曼梁彎沉儀，百分表，配合標準軸載黃河車，利用杠桿原理測試路表回彈彎沉；(2)采用3米直尺，測試路面縱向平整度、橫向斷面車轍狀況；(3)采用擺式摩擦系數儀，人工逐點測試路面摩擦系數；(4)采用取芯機，鉆取芯樣測試路面厚度，判斷芯樣完整性；(5)采用人工破損調查，了解路面破損狀況。這些早期測試方法不僅費時費力、影響交通，而且有些還要破壞路面結構，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。下面重點介紹目前應用較多的一些新型檢測技術。  

路面彎沉檢測  
    彎沉作為路面檢測的重要指標，其檢測與分析技術發(fā)展十分迅速。自1 953年貝克曼(BenkeIman)發(fā)明梁式彎沉儀以來，路面彎沉檢測設備已從靜力彎沉儀、穩(wěn)態(tài)動力彎沉儀發(fā)展到脈沖式動力彎沉儀，從單點大彎沉檢測發(fā)展到對路面彎沉盆的檢測，并將僅局限于柔性路面意義上的彎沉概念，發(fā)展到剛性路面的結構評價與設計分析中，路面結構性能的評價也從路面整體強度評定發(fā)展到對路面各層剛度的反分析。  
    利用貝克曼梁法測定路面回彈彎沉值操作簡便、應用廣泛，但測試為人工操作，測試結果受人為因素影響較大，測速慢。自動彎沉儀的基本工作原理與貝克曼梁原理相同，均采用簡單的杠桿原理，測定車在檢測路段以一定速度行駛，將安裝在測試車前，后軸之間底盤下面的彎沉測定梁放到車輛底盤的前端，并支于地面保持不動，當后軸雙輪隙通過測頭時，彎沉通過位移傳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，周而復始地向前連續(xù)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(FWD)是脈沖式動力彎沉儀的典型代表，其技術特點主要表現在：測速快，精度高，并較好地模擬了實際行車荷載對路面的動力作用，已被許多國家廣泛地應用到路面檢測和評價中。其主要原理如下：通過計算機控制下的液壓系統提升并釋放一重錘，從而對路面施加脈沖荷載，荷載大小通過改變錘重和提升高度調整，并通過剛性圓盤作用到路面上。路面的彎沉由5個～9個傳感器測定，這樣就能較準確地反映彎沉盆的形狀，從而為路面模量反算提供基礎。有了模量，就能進一步分析出路面結構的應力，應變狀況，評價承載能力。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多個國家和地區(qū)引進了FWD。美國聯邦公路局經過對比分析，確認FWD是較理想的路面承載能力評定設備，并選為實施SHRP計劃中路面承載能力評定部分的重要設備。  
　　目前，國內外圍繞FWD開展的主要研究是穩(wěn)定可靠的模量反演技術。通過對FWD彎沉盆數據的分析，反演路面各結構層的動態(tài)模量，進而判別承載硅力。國內外對這項技術的關注重點是路面力學特性模擬，模量反分析的可靠性、反演結果的驗證等。此外，FWD還可用于舊水泥混凝土路面板體脫空判定，接縫傳荷能力判定，路基施工過程中動態(tài)監(jiān)控、路基沖擊壓實效果評價等多方面，應用日趨廣泛。 
　　除FWD之后，丹麥、美國等預期開發(fā)的新一代彎沉儀RWD(滾輪式彎成沉儀)正處于研究階段，它采用高頻激光掃描，能夠連續(xù)記錄行駛中測試車在路表產生的彎沉，其優(yōu)點是記錄了路面真實受力狀態(tài)，測速遠大于FWD，因此對交通的影響較小，是較為理想的彎沉檢測設備。  

路面平整度檢測  
　　路面平整度是路面評價及路面施工質量驗收中的一個重要指標，主要反映路面縱斷面曲線的平整性。當路面縱斷面曲線相對平滑時，則表示路面相對平整，行駛舒適性好，反之則表示平整度相對較差。路面平整度的檢測能為決策者提供重要的信息，使決策者能為路面的維修養(yǎng)護做出優(yōu)化決策。另一方面路面平整度的檢測能準確地提供路面施工質量的信息，為路面施工提供一個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、三米直尺等，精度低、速度慢。90年代后，平整度檢測手段逐步得到了提高，出現了連續(xù)式平整度儀、顛簸累積儀，激光斷面儀等一批新型檢測設備。  
　　目前，路面平整度測試設備主要分為斷面類及反應類兩大類。斷面類實際上是測定路面表面凹凸情況，如連續(xù)式平整度儀、激光斷面儀等。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，如顛簸累積儀等，其原理是測試車以一定的速度在路面上行駛，由于路面不平整引起汽車激振，通過機械傳感器測量后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。由于VBl不是標準的平整度指標，因此，需通過標定試驗建立與斷面類設備平整度指數IRI值之間的轉換關系予以標定轉換。  
　　總體而言，斷面類設備是目前國內外平整度檢測發(fā)展的主要產品。早期產品為連續(xù)式平整度儀，其檢測原理很簡單，即由間距為三米的前后輪作為支點，架起平衡梁，而由一位移傳感器檢測出平衡梁中點至路面的垂直距離的變化量，然后換算成平整度標準差。連續(xù)式平整度儀由于測試速度較慢，正常測速在5km／h左右，主要用于施工過程中檢測。  
　　激光斷面儀是目前應用較多的斷面類測試設備，正常測速在80 km／h左右，具有測試速度快、精度高的特點，可用于平整度等指標的測試，其基本原理是利用激光傳感器測量車體到路面的距離，同時利用加速度計測量車體本身的豎向位移，從而得到路面縱斷面的剖面，然后利用該剖面實時計算平整度指數。圍繞激光斷面儀所展開的研究主要是測試的可重復性，可再現性。歐洲和美國均進行過較大規(guī)模的可重復性和可再現性研究，在其所使用主流設備之間建立了相關關系。目前我國使用的激光斷面儀有多種品牌，這些設備已經開始大量使用，但由于尚沒有進行系統的可再現性研究，不同設備之間數據的可比性有待考察。  

路面車轍檢測  
　　車轍是指沿道路縱向在車輛集中位置處路面產生的帶狀凹槽，由于交通量的增長、車輛渠化交通、持續(xù)高溫等因素的綜合影響，車轍已經成為我國瀝青路面早期破壞中常見的一種路面病害。車轍對行車安全有重大影響，尤其是在雨后，易造成車輛橫向側滑引起交通事  
故，因此，該指標的檢測已經得到了人們的普遍關注。  
　　早期車轍測試主要采用3m直尺方法，優(yōu)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(fā)展，出現了超聲波車轍測試儀、激光斷面儀等新型車轍測試設備。其中，超聲波車轍測試儀一般由30個左右超聲波傳感器組成，傳感器之間間隔約100mm，測試寬度約3m。通過測量距路表距離描繪路面橫斷面，通過直尺分析來確定路面大車轍深度，其優(yōu)點是價格低，可以沿橫向密布、斷面連續(xù)性好；缺點是單個傳感器精度低于激光傳感器，受外界影響大，只能垂直向下。激光斷面儀除測試平整度外，還可測試車轍，即通過橫向分布的5個～9個激光傳感器測試距離路面的高度，通過幾個測點高程模擬路面橫斷面從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系統已經開始研發(fā)并有樣機問世，該系統包含兩個斷面激光掃描器，能在m范圍內采集1 280個點的數據，取樣率為25斷面／秒，在工程應用上能更加真實地反映路面車轍的實際情況。系統不受溫度，濕度、路面顏色和平整度的影響，雨天也可測試。此外，激光車轍掃描測試系統具有很高的重復性以及度，測試高度的度為±1mm，預計此類產品將成為未來的發(fā)展趨勢。  

路面摩擦系數檢測  
　　路面抗滑性能是路面使用性能的重要組成部分，直接影響到道路行車安全性。路面抗滑性能包括縱向和橫向兩個方面，縱向抗滑性能決定車輛在剎車時的滑行距離，對避免追尾交通事故的發(fā)生有直接的決定作用；橫向抗滑性能決定車輛的方向控制能力，對車輛彎道行駛安全性較為重要。近幾年來，隨著人們安全意識的提高，路面抗滑性能已開始得到人們的普遍重視。然而，現階段我國規(guī)范常用的擺式摩擦系數儀在應用于摩擦系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，自動化摩擦系數檢測設備近幾年來逐漸從英國、瑞典等國家引入我國。根據測試方法的不同，此種設備可分為三類．橫向力系數測試儀、剎車式摩擦系數測試儀、不*剎車式摩擦系數測試儀等。  
　　橫向力系數測試儀在我國應用廣泛，由于從國外引進價格較高，20世紀90年代中期實現了國產化。該設備的基本原理是設定試驗輪與行車方向成一定角度，橫向力與試驗輪對路面荷載的比值即為橫向力系數，反映車輛在路面上側滑的危險性，正常測速約50km／h，剎車式摩擦系數測試儀是在行駛的過程中，每間隔的距離自動對測試輪剎車，剎車期間測試輪在路面上滑動。根據傳感器所記錄的  
力，即可計算制動力系數。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*剎車式摩擦系數測試儀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于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(tài)，根據力傳感器記錄的數據即可計算路面摩擦系數。該設備在路面上的測試速度為50km／h左右，在歐洲應用較多，由于不是現行規(guī)范規(guī)定的采集設備，在進行摩擦系數測試時需進行與擺式儀或橫向力系數測試儀間的對比試驗，建立兩者之間的關系。  
　　目前在路面抗滑能力測試方面仍主要采用擺式儀，橫向力系數儀已逐漸擁有了相當多的用戶，剎車式和不*剎車式摩擦系數測試儀目前僅有少數用戶?？梢灶A見，由于在安全性和精度方面的優(yōu)勢，自動化摩擦系數儀在我國將成為主流。  

路表破損狀況調查  
　　路表破損狀況往往是道路使用者對于路面施工及養(yǎng)護質量的直觀感受，因此，我國各級公路部門對路面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，國內部分單位近年來引進了路表破損測試系統，其基本原理是通過攝像系統連續(xù)采集路表圖像，然后通過后處理軟件自動處理與人工判讀相結合識別，分類與統計路表破損。路表破損測試系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(fā)展，必將成為廣泛應用的設備。 
　　目前，路表破損測試系統主要有美國、加拿大等幾個國家的產品，由于進口設備價格較昂貴，國內也有少數單位進行了自主研發(fā)并有早期產品投入使用。根據對此類產品的調查，存在的主要問題包括：(1)目前設備主要能識別裂縫類病害，對于擁包、沉陷等三維病害尚不能準確識別；(2)后處理工作量較大，由于此類產品尚不能實現破損的自動識別，誤判、漏判率較高，如易將距面污染判別為坑槽等，因此需由人工后期逐圖判讀，造成處理時間過長：(3)人為及天氣因素對于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，重點是表面破損的自動識別、歸類，減少誤判，漏判率，并自動輸出路面破損率等指標。  

路面厚度、完整性檢測  
　　目前，我國公路路面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(fā)展，路面雷達已經開始在國內外嘗試使用，該技術結合了瞬態(tài)電磁場理論，時域測量技術、納秒脈沖源技術、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面結構層中的傳播和反射，根據回波時間、波幅與波形，確定厚度，同時通過基層松散后介電常數的變化，判定基層松散率，從而了解基層完整性狀況。在此過程中，重點是對路面介質介電特性進行分析研究，由于雷達接收到的反射波是介質介電特性的函數，對路面雷達圖像數據的解釋、判讀和反演都依賴于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鍵技術點。  
　　路面雷達在工程中的應用剛剛起步，目前國內約有20臺左右，這些設備的品牌不同，主要產于美國和歐洲，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。路面雷達已成為路面無損檢測技術的重要組成部分，并代表了路面結構層厚度、壓實度，基層狀況、含水量、瀝青含量等檢測技術的發(fā)展方向。  
　　目前路面雷達在瀝青混凝土面層厚度檢測上的精度約為3％，在結構層完整性如水泥混凝土板體脫空判定，基層松散判定等方面的研究仍有待于進一步深化。對路面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于探索階段，尚未在工程中廣泛應用。此外，由于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和路用雷達聯合探測板塊脫空情況、基層承載能力狀況，從而及時發(fā)現路面結構層中存在的隱患，掌握道路的內在質量和使用壽命，指導道路的養(yǎng)護維修。  
　　路面雷達的應用，除了雷達天線本身的精度外，后處理軟件也非常關鍵，可以說，設備提供了檢測的手段，而軟件決定了應用的廣度和深度，應當引起國內用戶足夠的重視。各雷達廠家都有配套的后處理軟件，另外也有一些專業(yè)性研究所開發(fā)的更為專業(yè)的后處理軟件，尤其以美國和芬蘭的研究較深入。  
　　可以認為，未來路面雷達技術推廣應用的速度主要取決于實用軟件的開發(fā)速度及深度。  
　　 
      整體而言，新型檢測設備近幾年來不斷涌現，為我們提供了更豐富的信息，因此，如何更好地利用自動化檢測技術評價路面使用性能，提出合理的維修方案，將是下一階段檢測設備用戶關注的重點。  
　　路面檢測技術的總體趨勢是由人工檢測向自動化檢測技術發(fā)展，由破損類檢測向無損檢測技術發(fā)展，由低速度、低精度向高速度、高精度發(fā)展。近幾年，自動化路面無損檢測設備越來越多，與此對應的，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，路面檢測技術在我國的發(fā)展方向如下；(1)*無損測試設備用戶越來越多，并逐步實現國內組裝及國產化；(2)圍繞測試技術所展開的研究將逐步深化，尤其是評價技術，并通過相關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面狀況進行綜合評價，并進行養(yǎng)護技術路線決策；(4)各種檢測數據直接導入路面管理系統，實現信息化管理。