路面檢測技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

 近幾年來，隨著交通基礎(chǔ)建設(shè)投資力度的加大，我國公路通車?yán)锍讨鹉昕焖僭鲩L。截止到2006年底，全國公路通車總里程已達(dá)345萬公里，其中高速公路達(dá)4 53萬公里?？梢灶A(yù)見，與我國公路建設(shè)的快速發(fā)展相對(duì)應(yīng)，未來一段時(shí)期內(nèi)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(shè)與管理中的關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性技術(shù)，它不僅對(duì)檢測和控制工程質(zhì)量至關(guān)重要，而且決定著路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)決策的科學(xué)性，直接影響?zhàn)B護(hù)資金分配的合理性。  
    根據(jù)我國相關(guān)規(guī)范，舊路面檢測的主要指標(biāo)包括彎沉、平整度、摩擦系數(shù)、破損狀況等。此外，還可根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求加入車轍、厚度、基層完整性等指標(biāo)。傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)儀，人工逐點(diǎn)測試路面摩擦系數(shù)；(4)采用取芯機(jī)，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(diào)查，了解路面破損狀況。這些早期測試方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、影響交通，而且有些還要破壞路面結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)精度也難以得到可靠保證，因此，已經(jīng)在逐步被新型檢測設(shè)備所取代。下面重點(diǎn)介紹目前應(yīng)用較多的一些新型檢測技術(shù)。  

路面彎沉檢測  
    彎沉作為路面檢測的重要指標(biāo)，其檢測與分析技術(shù)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(shè)備已從靜力彎沉儀、穩(wěn)態(tài)動(dòng)力彎沉儀發(fā)展到脈沖式動(dòng)力彎沉儀，從單點(diǎn)大彎沉檢測發(fā)展到對(duì)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(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)分析中，路面結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)也從路面整體強(qiáng)度評(píng)定發(fā)展到對(duì)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(yīng)用廣泛，但測試為人工操作，測試結(jié)果受人為因素影響較大，測速慢。自動(dòng)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(dòng)，當(dāng)后軸雙輪隙通過測頭時(shí)，彎沉通過位移傳感器等裝置被自動(dòng)記錄下來，這時(shí)，測定梁被拖動(dòng)，以二倍的汽車速度拖到下一測點(diǎn)，周而復(fù)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(dòng)力彎沉儀的典型代表，其技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：測速快，精度高，并較好地模擬了實(shí)際行車荷載對(duì)路面的動(dòng)力作用，已被許多國家廣泛地應(yīng)用到路面檢測和評(píng)價(jià)中。其主要原理如下：通過計(jì)算機(jī)控制下的液壓系統(tǒng)提升并釋放一重錘，從而對(duì)路面施加脈沖荷載，荷載大小通過改變錘重和提升高度調(diào)整，并通過剛性圓盤作用到路面上。路面的彎沉由5個(gè)～9個(gè)傳感器測定，這樣就能較準(zhǔn)確地反映彎沉盆的形狀，從而為路面模量反算提供基礎(chǔ)。有了模量，就能進(jìn)一步分析出路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，應(yīng)變狀況，評(píng)價(jià)承載能力。自20世紀(jì)80年代以來，F(xiàn)WD在上得到了廣泛的應(yīng)用，至今已有50多個(gè)國家和地區(qū)引進(jìn)了FWD。美國聯(lián)邦公路局經(jīng)過對(duì)比分析，確認(rèn)FWD是較理想的路面承載能力評(píng)定設(shè)備，并選為實(shí)施SHRP計(jì)劃中路面承載能力評(píng)定部分的重要設(shè)備。  
　　目前，國內(nèi)外圍繞FWD開展的主要研究是穩(wěn)定可靠的模量反演技術(shù)。通過對(duì)FWD彎沉盆數(shù)據(jù)的分析，反演路面各結(jié)構(gòu)層的動(dòng)態(tài)模量，進(jìn)而判別承載硅力。國內(nèi)外對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)注重點(diǎn)是路面力學(xué)特性模擬，模量反分析的可靠性、反演結(jié)果的驗(yàn)證等。此外，F(xiàn)WD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(dòng)態(tài)監(jiān)控、路基沖擊壓實(shí)效果評(píng)價(jià)等多方面，應(yīng)用日趨廣泛。 
　　除FWD之后，丹麥、美國等預(yù)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(chǎn)生的彎沉，其優(yōu)點(diǎn)是記錄了路面真實(shí)受力狀態(tài)，測速遠(yuǎn)大于FWD，因此對(duì)交通的影響較小，是較為理想的彎沉檢測設(shè)備。  

路面平整度檢測  
　　路面平整度是路面評(píng)價(jià)及路面施工質(zhì)量驗(yàn)收中的一個(gè)重要指標(biāo)，主要反映路面縱斷面曲線的平整性。當(dāng)路面縱斷面曲線相對(duì)平滑時(shí)，則表示路面相對(duì)平整，行駛舒適性好，反之則表示平整度相對(duì)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(hù)做出優(yōu)化決策。另一方面路面平整度的檢測能準(zhǔn)確地提供路面施工質(zhì)量的信息，為路面施工提供一個(gè)質(zhì)量評(píng)定的客觀指標(biāo)。  
　　在20世紀(jì)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(xiàn)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(shè)備。  
　　目前，路面平整度測試設(shè)備主要分為斷面類及反應(yīng)類兩大類。斷面類實(shí)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(yīng)類是司機(jī)和乘客直接感受到的平整度指標(biāo)，因此，它實(shí)際上是舒適性能指標(biāo)，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(jī)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(biāo)準(zhǔn)的平整度指標(biāo)，因此，需通過標(biāo)定試驗(yàn)建立與斷面類設(shè)備平整度指數(shù)IRI值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系予以標(biāo)定轉(zhuǎn)換。  
　　總體而言，斷面類設(shè)備是目前國內(nèi)外平整度檢測發(fā)展的主要產(chǎn)品。早期產(chǎn)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(diǎn)，架起平衡梁，而由一位移傳感器檢測出平衡梁中點(diǎn)至路面的垂直距離的變化量，然后換算成平整度標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用較多的斷面類測試設(shè)備，正常測速在80 km／h左右，具有測試速度快、精度高的特點(diǎn)，可用于平整度等指標(biāo)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(shí)利用加速度計(jì)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(shí)時(shí)計(jì)算平整度指數(shù)。圍繞激光斷面儀所展開的研究主要是測試的可重復(fù)性，可再現(xiàn)性。歐洲和美國均進(jìn)行過較大規(guī)模的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性研究，在其所使用主流設(shè)備之間建立了相關(guān)關(guān)系。目前我國使用的激光斷面儀有多種品牌，這些設(shè)備已經(jīng)開始大量使用，但由于尚沒有進(jìn)行系統(tǒng)的可再現(xiàn)性研究，不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)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(chǎn)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(jīng)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(duì)行車安全有重大影響，尤其是在雨后，易造成車輛橫向側(cè)滑引起交通事  
故，因此，該指標(biāo)的檢測已經(jīng)得到了人們的普遍關(guān)注。  
　　早期車轍測試主要采用3m直尺方法，優(yōu)點(diǎn)是成本較低、方便直觀，缺點(diǎn)是速度慢、效率低、影響交通。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，超聲波技術(shù)、激光技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了超聲波車轍測試儀、激光斷面儀等新型車轍測試設(shè)備。其中，超聲波車轍測試儀一般由30個(gè)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(diǎn)是價(jià)格低，可以沿橫向密布、斷面連續(xù)性好；缺點(diǎn)是單個(gè)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(gè)～9個(gè)激光傳感器測試距離路面的高度，通過幾個(gè)測點(diǎn)高程模擬路面橫斷面從而可以快速計(jì)算車轍。  
　　近幾年來，一種新的激光車轍掃描測試系統(tǒng)已經(jīng)開始研發(fā)并有樣機(jī)問世，該系統(tǒng)包含兩個(gè)斷面激光掃描器，能在m范圍內(nèi)采集1 280個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，取樣率為25斷面／秒，在工程應(yīng)用上能更加真實(shí)地反映路面車轍的實(shí)際情況。系統(tǒng)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(tǒng)具有很高的重復(fù)性以及度，測試高度的度為±1mm，預(yù)計(jì)此類產(chǎn)品將成為未來的發(fā)展趨勢。  

路面摩擦系數(shù)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(gè)方面，縱向抗滑性能決定車輛在剎車時(shí)的滑行距離，對(duì)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(duì)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(shí)的提高，路面抗滑性能已開始得到人們的普遍重視。然而，現(xiàn)階段我國規(guī)范常用的擺式摩擦系數(shù)儀在應(yīng)用于摩擦系數(shù)測試時(shí)尚存在不足之處，主要表現(xiàn)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(duì)這種現(xiàn)狀，自動(dòng)化摩擦系數(shù)檢測設(shè)備近幾年來逐漸從英國、瑞典等國家引入我國。根據(jù)測試方法的不同，此種設(shè)備可分為三類．橫向力系數(shù)測試儀、剎車式摩擦系數(shù)測試儀、不*剎車式摩擦系數(shù)測試儀等。  
　　橫向力系數(shù)測試儀在我國應(yīng)用廣泛，由于從國外引進(jìn)價(jià)格較高，20世紀(jì)90年代中期實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。該設(shè)備的基本原理是設(shè)定試驗(yàn)輪與行車方向成一定角度，橫向力與試驗(yàn)輪對(duì)路面荷載的比值即為橫向力系數(shù)，反映車輛在路面上側(cè)滑的危險(xiǎn)性，正常測速約50km／h，剎車式摩擦系數(shù)測試儀是在行駛的過程中，每間隔的距離自動(dòng)對(duì)測試輪剎車，剎車期間測試輪在路面上滑動(dòng)。根據(jù)傳感器所記錄的  
力，即可計(jì)算制動(dòng)力系數(shù)。該設(shè)備在美國是抗滑能力測試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一，測試速度高可以達(dá)到110km／h。不*剎車式摩擦系數(shù)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(dòng)線速度小于行駛輪的滾動(dòng)線速度。在正常測試時(shí)呈現(xiàn)連滾帶滑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)力傳感器記錄的數(shù)據(jù)即可計(jì)算路面摩擦系數(shù)。該設(shè)備在路面上的測試速度為50km／h左右，在歐洲應(yīng)用較多，由于不是現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的采集設(shè)備，在進(jìn)行摩擦系數(shù)測試時(shí)需進(jìn)行與擺式儀或橫向力系數(shù)測試儀間的對(duì)比試驗(yàn)，建立兩者之間的關(guān)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(shù)儀已逐漸擁有了相當(dāng)多的用戶，剎車式和不*剎車式摩擦系數(shù)測試儀目前僅有少數(shù)用戶?？梢灶A(yù)見，由于在安全性和精度方面的優(yōu)勢，自動(dòng)化摩擦系數(shù)儀在我國將成為主流。  

路表破損狀況調(diào)查  
　　路表破損狀況往往是道路使用者對(duì)于路面施工及養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的直觀感受，因此，我國各級(jí)公路部門對(duì)路面破損狀況一向都比較重視。目前該項(xiàng)指標(biāo)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(duì)這種狀況，國內(nèi)部分單位近年來引進(jìn)了路表破損測試系統(tǒng)，其基本原理是通過攝像系統(tǒng)連續(xù)采集路表圖像，然后通過后處理軟件自動(dòng)處理與人工判讀相結(jié)合識(shí)別，分類與統(tǒng)計(jì)路表破損。路表破損測試系統(tǒng)極大地提高了二作效率，避免了人工破損調(diào)查的危險(xiǎn)性隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展，必將成為廣泛應(yīng)用的設(shè)備。 
　　目前，路表破損測試系統(tǒng)主要有美國、加拿大等幾個(gè)國家的產(chǎn)品，由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格較昂貴，國內(nèi)也有少數(shù)單位進(jìn)行了自主研發(fā)并有早期產(chǎn)品投入使用。根據(jù)對(duì)此類產(chǎn)品的調(diào)查，存在的主要問題包括：(1)目前設(shè)備主要能識(shí)別裂縫類病害，對(duì)于擁包、沉陷等三維病害尚不能準(zhǔn)確識(shí)別；(2)后處理工作量較大，由于此類產(chǎn)品尚不能實(shí)現(xiàn)破損的自動(dòng)識(shí)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(shí)間過長：(3)人為及天氣因素對(duì)于測試結(jié)果準(zhǔn)確性有一定的影響，如不同天氣狀況下識(shí)別的效果均不一樣。針對(duì)這一問題，各設(shè)備商正在加以改進(jìn)，重點(diǎn)是表面破損的自動(dòng)識(shí)別、歸類，減少誤判，漏判率，并自動(dòng)輸出路面破損率等指標(biāo)。  

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(shí)通過人工觀察判定基層完整性狀況。隨著電磁波技術(shù)的發(fā)展，路面雷達(dá)已經(jīng)開始在國內(nèi)外嘗試使用，該技術(shù)結(jié)合了瞬態(tài)電磁場理論，時(shí)域測量技術(shù)、納秒脈沖源技術(shù)、超寬帶天線技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)等多門學(xué)科，主要原理是利用電磁波在路面結(jié)構(gòu)層中的傳播和反射，根據(jù)回波時(shí)間、波幅與波形，確定厚度，同時(shí)通過基層松散后介電常數(shù)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(diǎn)是對(duì)路面介質(zhì)介電特性進(jìn)行分析研究，由于雷達(dá)接收到的反射波是介質(zhì)介電特性的函數(shù)，對(duì)路面雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)的解釋、判讀和反演都依賴于對(duì)介質(zhì)介電性能的分析，因此，介電特性的深入分析是目前雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。  
　　路面雷達(dá)在工程中的應(yīng)用剛剛起步，目前國內(nèi)約有20臺(tái)左右，這些設(shè)備的品牌不同，主要產(chǎn)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(dá)已成為路面無損檢測技術(shù)的重要組成部分，并代表了路面結(jié)構(gòu)層厚度、壓實(shí)度，基層狀況、含水量、瀝青含量等檢測技術(shù)的發(fā)展方向。  
　　目前路面雷達(dá)在瀝青混凝土面層厚度檢測上的精度約為3％，在結(jié)構(gòu)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(jìn)一步深化。對(duì)路面其它重要性能指標(biāo)如壓實(shí)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(yīng)用。此外，由于實(shí)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(dá)聯(lián)合探測板塊脫空情況、基層承載能力狀況，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)層中存在的隱患，掌握道路的內(nèi)在質(zhì)量和使用壽命，指導(dǎo)道路的養(yǎng)護(hù)維修。  
　　路面雷達(dá)的應(yīng)用，除了雷達(dá)天線本身的精度外，后處理軟件也非常關(guān)鍵，可以說，設(shè)備提供了檢測的手段，而軟件決定了應(yīng)用的廣度和深度，應(yīng)當(dāng)引起國內(nèi)用戶足夠的重視。各雷達(dá)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(rèn)為，未來路面雷達(dá)技術(shù)推廣應(yīng)用的速度主要取決于實(shí)用軟件的開發(fā)速度及深度。  
　　 
      整體而言，新型檢測設(shè)備近幾年來不斷涌現(xiàn)，為我們提供了更豐富的信息，因此，如何更好地利用自動(dòng)化檢測技術(shù)評(píng)價(jià)路面使用性能，提出合理的維修方案，將是下一階段檢測設(shè)備用戶關(guān)注的重點(diǎn)。  
　　路面檢測技術(shù)的總體趨勢是由人工檢測向自動(dòng)化檢測技術(shù)發(fā)展，由破損類檢測向無損檢測技術(shù)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(dòng)化路面無損檢測設(shè)備越來越多，與此對(duì)應(yīng)的，圍繞自動(dòng)化檢測設(shè)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(shù)在我國的發(fā)展方向如下；(1)*無損測試設(shè)備用戶越來越多，并逐步實(shí)現(xiàn)國內(nèi)組裝及國產(chǎn)化；(2)圍繞測試技術(shù)所展開的研究將逐步深化，尤其是評(píng)價(jià)技術(shù)，并通過相關(guān)實(shí)用軟件的市場化來推廣；(3)利用多種無損檢測設(shè)備測試結(jié)果對(duì)路面狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)技術(shù)路線決策；(4)各種檢測數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入路面管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息化管理。