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路面無損檢測技術(shù)新發(fā)展
2009-09-28 

綜合介紹了國內(nèi)外在路面使用性能無損檢測上的最新技術(shù)及相關(guān)的研究領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上,分析了我國在新型檢測設(shè)備的應(yīng)用和相關(guān)研究方面的現(xiàn)狀與不足,探討了未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞路面無損檢測,路面彎沉,抗滑能力,平整度,車轍,表面破損 1概述路面是公路的重要組成部分,其使用性能直接關(guān)系到道路為用戶提供的舒適性、安全性、快捷性等服務(wù)的水平,關(guān)系到道路本身的使用壽命。因此,必須加強對路面的養(yǎng)護管理,確保提供可接受的服務(wù)水平。自20世紀(jì)60、70年代以來,許多國家都陸續(xù)建立了較為完善的道路養(yǎng)護管理系統(tǒng),這些系統(tǒng)的建立有效地保證了養(yǎng)護的科學(xué)性,但普遍面臨數(shù)據(jù)采集手段相對落后的問題:大量的設(shè)備在使用時費時、費力、對交通影響大,有些還要破壞路面結(jié)構(gòu)的完整性,而且數(shù)據(jù)的精度也難以得到保證。為此,各國針對道路檢測技術(shù)開展了深入研究,并且隨著計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)、高精度測微技術(shù)的進步,在最近的20年里有突破的進展。我國從20世紀(jì)80年代后期開始,通過設(shè)備與技術(shù)引進和自主開發(fā),在路面檢測方面也有了巨大的發(fā)展。本文在國內(nèi)外考察與研究的基礎(chǔ)上,總結(jié)了路面主要無損檢測技術(shù)和相關(guān)研究的最新進展,分析了在我國的應(yīng)用與研究情況及發(fā)展趨勢。

2檢測技術(shù)與相關(guān)研究 2.1彎沉測試落錘式彎沉儀(FWD)是目前應(yīng)用較為廣泛的彎沉檢測設(shè)備,代表了彎沉檢測的發(fā)展方向。它的基本原理是通過液壓系統(tǒng)提升和釋放荷載塊對路面施加沖擊荷載,荷載大小由落錘質(zhì)量和起落高度控制,荷載時程和動態(tài)彎沉盆均由相應(yīng)的傳感器測定。20世紀(jì)60年代,法國首先提出沖擊式動力彎沉儀的初步設(shè)想,70年代后期丹麥和瑞典首先研制成FWD。80年代以后,美國、英國和日本等相繼引進和仿制了這種彎沉儀。研究表明,F(xiàn)WD的沖擊荷載與時速60~80公里的車輛對路面的荷載相似,可以較好地模擬行車荷載作用,并且測速快,精度高,因此自20世紀(jì)80年代初以來,F(xiàn)WD在國際上得到日益廣泛的應(yīng)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(rèn)FWD是較理想的路面承載能力評定設(shè)備,并選為實施SHRP計劃中路面承載能力評定部分的重要設(shè)備;殼牌石油公司也已正式將FWD的應(yīng)用納入殼牌路面設(shè)計手冊[1]。美國早在1994年就有80%的州擁有至少一臺FWD,我國到2001年底有約40臺FWD在各地使用,并且用戶數(shù)還在不斷地增加。繼FWD之后,新一代彎沉儀RWD(RollingWheelDeflectometer滾輪式彎沉儀)正處于研究階段。它是采用高頻激光掃描,連續(xù)地記錄行駛中的測試車在路表產(chǎn)生的彎沉,測試速度約55英里/小時。目前主要有Dynatest(丹麥)與QuestIntegrated(美國)合作、美國密西西比州的ARA(AppliedResearchAssociates)公司和瑞典的RDT等機構(gòu)從事RWD的研制工作,第一代產(chǎn)品已經(jīng)問世,精度適合于路網(wǎng)普查。RWD的最大優(yōu)點是:所記錄的是真實受力狀態(tài)、而不是模擬荷載狀態(tài)下的彎沉,并且測速遠大于FWD,因此對交通的影響較小,是較為理想的彎沉檢測設(shè)備,因此是此類設(shè)備的重要發(fā)展方向。得克薩斯大學(xué)開發(fā)的RDD(RollingDynamicWheelDeflectometer滾動動力彎沉儀)的加載原理與RWD相似,但彎沉的測量采用的是滾動式彎沉傳感器。它的測試速度約2.5Km/h,可以同時提供路表破損攝像。RDD的主要優(yōu)點是連續(xù)測量,信息量大,但由于測試速度慢等原因,用戶很少。在美國,擁有FWD的用戶絕大部分都配套使用分析軟件,最常用的為DARWIN、AASHTO、MODULUS、EVERCALC、ILLIBACK、EVERPAVE等,主要分析功能是性能評價和罩面設(shè)計。這與我國的情況有較大區(qū)別,據(jù)了解,我國絕大部分FWD用戶單位沒有配套的分析軟件,F(xiàn)WD也僅作為一種高精度的彎沉測量儀器在使用,僅有少數(shù)研究性單位在進行深入探討。國內(nèi)外圍繞著FWD所開展的研究主要包括:更可靠的模量反演技術(shù)。通過對FWD所測彎沉盆數(shù)據(jù)的分析,反演路面結(jié)構(gòu)層的彈性模量。目前的重點和需要解決的問題包括路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的模擬、反分析的適定性(存在性、唯一性、穩(wěn)定性)、反演結(jié)果的驗證與應(yīng)用等。與加速路面試驗(APT)相結(jié)合的試驗研究。在試驗路上進行加速破壞試驗,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置各種傳感器,測試應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、含水量等信息。在試驗過程中,采用FWD進行彎沉檢測、模量反演、性能評價及剩余壽命預(yù)測等試驗和分析,并與荷載重復(fù)作用次數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變、表面破損等信息建立聯(lián)系,從而修正FWD的性能評價和剩余壽命預(yù)測方法。 2.2斷面測試(平整度與車轍)路面斷面測試主要用于計算兩個指標(biāo),平整度(縱斷面)和車轍(橫斷面)。其中平整度是評定路面質(zhì)量的重要指標(biāo),是道路使用者判斷道路好壞的直接依據(jù)。在20世紀(jì)70、80年代,平整度測量設(shè)備主要是水平儀、三米直尺等,測試精度低、速度慢,一般只能抽樣調(diào)查;到90年代初,檢測手段有一定的提高,如連續(xù)式平整度儀,但仍存在可重復(fù)性差、測試速度慢的缺點。而車轍的產(chǎn)生將對行車安全帶來重大影響,尤其是在雨后的高速公路上,常用的檢測設(shè)備是路面橫斷面儀和橫斷面尺。90年代中、后期,連續(xù)式激光斷面儀在我國逐漸得到應(yīng)用,是目前最先進的平整度和車轍檢測設(shè)備,正常測試速度為80km/h,并且同時還可以測量橫坡、縱坡、轉(zhuǎn)彎曲率等指標(biāo)[2],目前在國內(nèi)約有近20臺。激光斷面儀的基本原理是:通過橫向分布的若干個(國內(nèi)通常為5~9個)激光傳感器測試距離路面的高度,得到一個橫斷面,從而可以計算車轍;通過對應(yīng)于輪跡位置的激光傳感器測得距離路面的高度,隨著車輛的行駛可以得到路面縱向斷面,即可計算縱向平整度,其中車輛振動帶來的影響通過加速度傳感器(對應(yīng)左右輪跡各一個)記錄數(shù)據(jù)的兩次積分來扣除;慣性運動傳感器(1個)可以反映水平縱向、水平橫向和豎向的角度。圍繞激光斷面儀所展開的研究主要是:平整度測試的可重復(fù)性、可再現(xiàn)性研究。對同一個測試路段,采用同一個設(shè)備進行多次測量,各次數(shù)據(jù)間的吻合性稱為可重復(fù)性;對同一個測試路段,采用原理相同或類似的不同設(shè)備進行測量,數(shù)據(jù)間的吻合性稱為可再現(xiàn)性。歐洲和美國均進行過較大規(guī)模的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性研究,在其所使用的主流設(shè)備類型和品牌之間建立了相關(guān)關(guān)系。目前在我國使用的激光斷面儀有多種品牌,有的一種品牌還有第一代產(chǎn)品和第二代產(chǎn)品,這些設(shè)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(shè)備之間數(shù)據(jù)的可比性就不得而知。激光傳感器個數(shù)和車轍測試精度的關(guān)系。由于激光斷面儀是一種離散的車轍檢測設(shè)備,通常用若干個點的連線來代表橫斷面,同時,其測試寬度小于一個車道的寬度。因此,它所反映的道路橫斷面是近似的,由此所計算的車轍也必然是近似的。美國的LTPP項目認(rèn)為沿橫向分布3個傳感器的斷面儀不能用于車轍測量,配置5個傳感器后測試結(jié)果仍與橫向連續(xù)測試的結(jié)果有較大差異,但相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)為80%,建議在修正后用于路網(wǎng)普查;美國得州運輸部的研究表明,5個傳感器的測試結(jié)果約為連續(xù)測量結(jié)果的80%,并推薦橫向每100mm配置一個傳感器,這樣精度可以達到95%[3]。由于激光傳感器價格昂貴,橫向每100mm配置一個是不經(jīng)濟的。目前在加拿大出現(xiàn)了兩種不同的車轍檢測設(shè)備,可以較好地解決這個問題:一種是在輪跡處仍采用激光傳感器測試平整度,而其它位置采用密布超聲波傳感器代替激光傳感器,由于超聲波傳感器的價格只有激光傳感器的幾十分之一,雖然單個傳感器的測試精度有所降低,但用于繪制橫斷面和計算車轍是足夠精確和經(jīng)濟的;另一種是用兩個激光束接發(fā)器發(fā)射激光束,橫向連續(xù)覆蓋整個車道,因此精度是相當(dāng)高的。兩種設(shè)備在配置完整的情況下均可以同時高速采集平整度數(shù)據(jù)。 2.3抗滑能力測試目前車載或車牽引的高速自動化路面抗滑能力測試設(shè)備主要有三種:橫向力系數(shù)測試儀、剎車式摩擦系數(shù)測試儀、不完全剎車式摩擦系數(shù)測試儀。橫向力系數(shù)測試儀是在我國應(yīng)用最為廣泛的自動摩擦系數(shù)儀,20世紀(jì)90年代中期實現(xiàn)了國產(chǎn)化[4]。該設(shè)備的基本原理是設(shè)定試驗輪與行車方向成一定角度,以便產(chǎn)生一個同試驗輪平面垂直的橫向力,該橫向力與試驗輪對路面荷載的比值即為橫向力系數(shù),橫向力系數(shù)反映的是車輛在路面上側(cè)滑的危險性,正常測試速度約50Km/h;剎車式摩擦系數(shù)測試儀是在行駛的過程中,每間隔指定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(shè)備在美國是抗滑能力測試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一,測試速度最高可以達到110Km/h;不完全剎車式摩擦系數(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(shè)備在路面上的測試速度為50Km/h左右,在歐洲應(yīng)用較多,尤其在機場道面的抗滑能力測試方面。我國目前在路面抗滑能力測試方面仍主要采用擺式摩擦系數(shù)儀,進口的和國產(chǎn)的都有;橫向力系數(shù)儀已逐漸擁有了相當(dāng)多的用戶;剎車式和不完全剎車式摩擦系數(shù)測試儀目前僅有極少數(shù)用戶。很明顯地,擺式摩擦系數(shù)儀已經(jīng)越來越不適應(yīng)我國高速公路建設(shè)的需要,一方面該測試方法對交通的影響較大,存在不安全因素,另一方面它不能較好地反映路面的宏觀紋理構(gòu)造對摩擦系數(shù)的影響,而宏觀紋理構(gòu)造是高速公路路面抗滑能力的決定因素。因此,應(yīng)當(dāng)大力推廣自動化的抗滑能力測試儀在中國的應(yīng)用。 2.4路表破損采集路面表面破損率是路面養(yǎng)護決策的重要指標(biāo),也是群眾評價公路管理部門工作效率的最直觀依據(jù)。我國各級公路管理部門對表面破損一向都比較重視,但該項指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集工作是一個令人頭疼的問題,目前還主要依靠人工采集,除了主觀性大、效率低外,也存在很大的安全隱患,尤其在高速公路上。國內(nèi)少數(shù)單位在20世紀(jì)90年代中后期以來陸續(xù)引進了路表破損數(shù)字圖像采集系統(tǒng),它的基本原理是采用車載式數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)連續(xù)高速采集路表的圖像,然后在室內(nèi)通過后處理軟件自動處理與人工判讀相結(jié)合,識別、分類與統(tǒng)計路表破損。路表破損攝像系統(tǒng)極大地提高了工作效率,避免了高速公路人工破損調(diào)查的危險性,隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展,必將成為廣泛應(yīng)用的設(shè)備。由于市場需求的大量存在和進口設(shè)備的價格居高不下,國內(nèi)有幾家研究單位開始國產(chǎn)化的探索,并已有原型機問世。根據(jù)對該設(shè)備用戶的調(diào)查了解,路表破損攝像系統(tǒng)在使用中的不便之處主要是室內(nèi)后處理的工作量較大。由于現(xiàn)階段廠家提供的后處理軟件在圖像的自動識別方面存在誤判、漏判及難以判定等現(xiàn)象,必須由人工來輔助處理,這種情況下工作人員所面臨的圖像數(shù)量是龐大的。針對這一問題,該設(shè)備制造商和國內(nèi)的研制單位目前的工作重點是表面破損的自動識別、歸類,并自動輸出路面破損率(DR)、路面狀況指數(shù)(PCI)等指標(biāo),生成路面破損表格。路表三維激光可視化系統(tǒng)是一種新型的路表破損數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)采用激光傳感器(橫向4個,縱向兩個)隨著車輛的高速行駛,連續(xù)掃描一個車道,得到路表的三維可視圖,并實時處理,通過對該圖的分析,可得到裂縫、變形、松散及泛油等各種病害;同時,還可以測試平整度和車轍。與數(shù)字圖像系統(tǒng)相比,激光三維可視化系統(tǒng)的優(yōu)勢是可以較好地反映變形類破損,分析不受陰影的影響,采集數(shù)據(jù)精確度較高;缺點是數(shù)據(jù)量大,硬件要求高,價格較高,約100萬美元。目前該類型的設(shè)備在國際上的用戶非常少,在國內(nèi)還沒有用戶。 2.5路面雷達測試路面雷達是利用電磁波在路面結(jié)構(gòu)層和路基中的傳播和反射,根據(jù)回波的傳播時間、波幅與波形,確定目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)。用于路面測試最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代,80年代后期在設(shè)備技術(shù)上和應(yīng)用水平上有很大的進步。路面雷達的測試速度與采樣頻率直接相關(guān),通常約60Km/h左右。目前國內(nèi)約有20臺路面雷達,并且每年都在增加,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。可以說,路面雷達為路面厚度測試、相對高含水區(qū)域檢測、結(jié)構(gòu)層完整性判定等提供了難以替代的手段。目前的路面雷達在瀝青砼面層厚度檢測上的精度約為3%,在水泥砼面層厚度檢測上的精度約為5%;在結(jié)構(gòu)層完整性,如水泥砼板的脫空判定、橋面鋪裝的剝離等方面的研究仍有待于進一步深化,由于實際情況往往難以客觀判定,往往采用不同的檢測方法來相互印證,例如用落錘式彎沉儀與路面雷達同時作脫空判定,用紅外熱成像儀和路面雷達同時作橋面鋪裝剝離判定,但這方面的國內(nèi)外研究成果較少,僅有的少數(shù)成果也多沒有得出相關(guān)性良好的結(jié)論。路面雷達的應(yīng)用,除了雷達天線本身的精度外,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。另外,根據(jù)雷達測試數(shù)據(jù)分析路面結(jié)構(gòu)的壓實度和含水量也是一個研究方向,目前國內(nèi)尚沒有見到公開發(fā)表的實際應(yīng)用情況的論文或報告。3數(shù)據(jù)分析與評價目前我國的公路科研和管理部門在綜合各項檢測指標(biāo),分析路面病害原因,評價其使用性能,并提出相應(yīng)的養(yǎng)護措施方面已經(jīng)建立了自己的體系。但近年來早期建設(shè)的道路開始進入了大中修或改建的高峰期,新建高速公路的一些路段也出現(xiàn)了早期損壞;與此同時,新型檢測設(shè)備不斷涌現(xiàn),提供了更豐富、更精確的信息。因此,如何更好地利用自動化的無損檢測技術(shù)和分析方法,評價路面使用性能,深入分析病害產(chǎn)生的原因,以提出經(jīng)濟上優(yōu)化、技術(shù)上合理可行的維修方案,對于創(chuàng)造更好的社會效益和經(jīng)濟效益是至關(guān)重要的。美國、加拿大、芬蘭、荷蘭等國在這方面的研究較為成熟,已開發(fā)了一批專家系統(tǒng)軟件,并結(jié)合路面使用性能退化機理、力學(xué)分析、壽命周期費用分析等理論,建立了集病害原因分析的力學(xué)~經(jīng)驗方法、基于經(jīng)濟分析的路面養(yǎng)護及補強設(shè)計優(yōu)化方法為一體的系統(tǒng)化的分析理論。 而在我國,目前大多數(shù)自動化檢測設(shè)備的用戶尚停留在簡單使用的層次上,僅有個別單位在進行相互獨立的研究。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是: 1大部分用戶單位科研力量較弱; 2自動化檢測設(shè)備價格昂貴,很多科研單位限于資金問題尚沒有購買,或僅有一、兩種; 3科研單位的研究成果在系統(tǒng)化、集成化和市場化上不夠,因此難以推廣。隨著我國高等級公路建設(shè)的日新月異,以及公路管理機制、科研單位體制的改革,對公路養(yǎng)護管理水平,科研單位的科技、市場競爭力的要求越來越高,相信這種情況將很快出現(xiàn)變化。 4小結(jié)道路檢測技術(shù)的總體趨勢是:由人工檢測向自動化檢測技術(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。最近幾年,自動化路面無損檢測設(shè)備在中國越來越多,這與我們的公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展是相對應(yīng)的。與此對應(yīng)的,圍繞自動化檢測設(shè)備所開展的研究也將在深度和綜合性上得到加強。可以認(rèn)為, 道路無損檢測技術(shù)及路面使用性能評價在中國的發(fā)展方向為: 1)測試設(shè)備的需求量越來越大,用戶越來越多,并逐步實現(xiàn)國內(nèi)組裝及國產(chǎn)化; 2)圍繞測試技術(shù)所展開的研究逐步深化,并通過相關(guān)軟件的市場化來推廣; 3)集成多種設(shè)備檢測結(jié)果的路面使用性能評價與病害原因分析、養(yǎng)護與改建措施的專家系統(tǒng)的應(yīng)用,或直接集成到路面管理系統(tǒng)中。

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