路面檢測技術的應用與我國公路施工技術的發(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(wǎng)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(jù)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(jù)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(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(jīng)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(jù)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(chǎn)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liuchan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，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(jīng)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(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(jīng)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(jīng)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(jù)，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精確度，測試高度的精確度為±1mm，預計此類產(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(jù)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(chǎn)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(jù)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(jù)力傳感器記錄的數(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)品投入使用。根據(jù)對此類產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(jù)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(jù)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(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(chǎn)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(jù)直接導入路面管理系統(tǒng)，實現(xiàn)信息化管理。