PRODUCT CLASSIFICATION
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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(shù)、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(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(shù)儀,人工逐點測試路面摩擦系數(shù);(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(shù)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(xiàn)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(tǒng)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,F(xiàn)WD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(lián)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(shù)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,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(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(shù)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(shù)。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(xiàn)性。歐洲和美國均進行過較大規(guī)模的可重復性和可再現(xiàn)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(tǒng)的可再現(xiàn)性研究,不同設備之間數(shù)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(xiàn)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(tǒng)已經開始研發(fā)并有樣機問世,該系統(tǒng)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(shù)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(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(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(xiàn)階段我國規(guī)范常用的擺式摩擦系數(shù)儀在應用于摩擦系數(shù)測試時尚存在不足之處,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。
針對這種現(xiàn)狀,自動化摩擦系數(shù)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(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)測試儀在我國應用廣泛,由于從國外引進價格較高,20世紀90年代中期實現(xiàn)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(shù),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(shù)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(shù)。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(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,使得測試輪的滾動線速度小于行駛輪的滾動線速度。在正常測試時呈現(xiàn)連滾帶滑的運動狀態(tài),根據力傳感器記錄的數(shù)據即可計算路面摩擦系數(shù)。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(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的采集設備,在進行摩擦系數(shù)測試時需進行與擺式儀或橫向力系數(shù)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(shù)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(shù)測試儀目前僅有少數(shù)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(shù)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(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處理與人工判讀相結合識別,分類與統(tǒng)計路表破損。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(tǒng)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(shù)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(xiàn)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(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(shù),對路面雷達圖像數(shù)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(lián)合探測板塊脫空情況、基層承載能力狀況,從而及時發(fā)現(xiàn)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(xiàn),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)先進無損測試設備用戶越來越多,并逐步實現(xiàn)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(shù)據直接導入路面管理系統(tǒng),實現(xiàn)信息化管理。
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