路面無損檢測技術(shù)應用簡介與評價
2012-03-26 來源：來源：中國鳴網(wǎng) 作者：邵曉良
路面檢測技術(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。近20年來，路面無損檢測與評價技術(shù)的研究和應用在國內(nèi)外受到日益廣泛的重視，其中路面強度檢測與結(jié)構(gòu)性能評價一直是道路工程領(lǐng)域的熱點課題。近幾年來，隨著交通基礎(chǔ)建設(shè)投資力度的加大，我國公路通車里程逐年快速增長，未來一段時期內(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)護決策的科學性，直接影響?zhàn)B護資金分配的合理性。
當前，我國正興起一場大規(guī)模的高等級公路建設(shè)熱潮。發(fā)展高新檢測技術(shù)是高等級公路建設(shè)與管理的必然要求，不少單位已引進FWD等快速、無破損路面檢測系統(tǒng)。新實施的路面路基現(xiàn)場測試規(guī)程，F(xiàn)WD貝克曼梁和自動彎沉儀一起列入路面彎沉檢測基本設(shè)備，對于加快FWD檢測技術(shù)的研究開發(fā)和推廣應用將起到有力的推動作用。
一、FWD（落錘式彎沉儀）簡介
FWD（FallingWeightDeflector）即落錘式彎沉儀，是目前國際上比較流行的先進的路面無損檢測設(shè)備，可很好地模擬行車荷載對路面結(jié)構(gòu)的作用，并且測速快，精度高。
1、FWD的組成
FWD由兩部分構(gòu)成，1是由引車車上裝有計算機控制系統(tǒng)及電源控制系統(tǒng)；2是由拖車（FWD）車上裝有發(fā)電機，脈沖荷載發(fā)生系統(tǒng)，承載板及四種傳感器（位移傳感器、壓力傳感器、距離傳感器和溫度傳感器）。牽引車與FWD用5條電纜相聯(lián)。FWD在野外測量所采集的信號通過電纜線送入接口箱與計算機相聯(lián)。
2、FWD路面檢測系統(tǒng)的工作原理
本文以DynatestFWD為例，簡要介紹FWD的工作原理。DynatestFWD是由Dynatest國際集團公司研制開發(fā)的高科技路面強度檢測系統(tǒng)，其技術(shù)指標的先進性和可靠性代表了當前路面無損檢測技術(shù)的發(fā)展水平，并在國際上得到廣泛應用。
DynatestFWD檢測系統(tǒng)主要包括FWD掛車、9000型信息處理系統(tǒng)和微機操作系統(tǒng)。FWD掛車由加載系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)構(gòu)成。其基本工作原理:是通過液壓系統(tǒng)提升一重錘，然后釋放下落，從而對路面施加一沖擊荷載。荷載的大小通過改變提升高度或錘重來調(diào)節(jié)，并由壓力傳感器精確測定。這種加荷方式較好地模擬了行車荷載對路面的作用。路面的變形（彎沉）由一組傳感器測定。DynatestFWD通常在距荷載中心1.8m的范圍內(nèi)布置7—9個速度傳感器。9000型信息處理系統(tǒng)記錄荷載和路面變形的全部時程信息。整個操作系統(tǒng)均通過微機實現(xiàn)。
DynatestFWD主要技術(shù)指標如表1。由于FWD檢測系統(tǒng)可精確測試路面所受荷載和完整的變形（彎沉）信息，從而可以應用力學反分析法確定路面材料性能，并對路面結(jié)構(gòu)進行較為深入的分析評價。
表1DynatestFWD主要技術(shù)指標
荷載范圍 0.7—12.0t
位移傳感器分清率 1um
位移傳感器系統(tǒng)誤差 <2%
系統(tǒng)測速 每測點約35s
FWD掛車自重量 1.0t
位移傳感器數(shù)量 9個
脈沖荷載形狀 近似半正弦波
3、目前FWD主要的應用：
1.路面彎沉盆檢測；
2.路面接縫傳荷效率檢測；
3.剛性路面板脫空檢測；
4、FWD與其他彎沉檢測設(shè)備相比，其技術(shù)特點主要表現(xiàn)在：
1.計算機自動采集數(shù)據(jù)，可以連續(xù)的快速測量，1小時大約能夠進行60次試驗；
2.準確性和精度高，彎沉分辨率達1微米；
3.加載范圍大，可以在0.7～12噸之間；
4.能夠準確的測定較完整的彎沉盆信息，為路面結(jié)構(gòu)層模量反算提供了必要的基礎(chǔ)；
5.對環(huán)境條件要求相對較低；
6.測試方便，速度快，全套系統(tǒng)由微機控制，一測點只需約40秒；
7.對交通干擾小。
二、FWD路面結(jié)構(gòu)反分析研究現(xiàn)狀
1、路面結(jié)構(gòu)反分析問題的提出
自1953年貝克曼梁式彎沉儀問世以來，路面彎沉一直被用于路面結(jié)構(gòu)性能評價。然而這種傳統(tǒng)的彎沉評價法存在明顯的缺陷。由于路面結(jié)構(gòu)是一個多層體系，僅用單點彎沉來評價路面結(jié)構(gòu)性能是不充分的。
雖然路面使用性能劣化的機理十分復雜，但一般認為，路面開裂造成的結(jié)構(gòu)性劣化主要與面層材料中的最大拉應力或最大拉應變有關(guān)，而路面轍槽或平整度降低造成的功能性劣化，主要與基層或路基散離體材料中的最大壓應力或最大壓應變有關(guān)，因此，為了準確評價路面承載能力，必須首先確定路面結(jié)構(gòu)層材料性能，進而分析路面結(jié)構(gòu)的應力狀態(tài)。
路面材料性能的確定分為破損和非破損兩類方法。破損類方法（如取芯法）不僅周期長、效率低，而且取樣過程中材料不可避免的受到“擾動”，造成試驗結(jié)果難以全面反映路面結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場特性。因此，70年代以來，隨著以落錘式彎沉儀為代表的快速，高效、無破損檢測技術(shù)在國際上得到廣泛應用，根據(jù)彎沉盆信息反演路面材料性能，逐步得到學術(shù)界和工程界的普遍關(guān)注。
2、路面結(jié)構(gòu)反分析的研究現(xiàn)狀
根據(jù)彎沉盆檢測數(shù)據(jù)反算路面結(jié)構(gòu)層摸量的早期研究，以推理法、圖解法及回歸法為基礎(chǔ)。近年來，力學反分析法成為人們研究的重點，它大致可分為數(shù)據(jù)庫搜索法和迭代法兩類。
美國德克薩斯A&M大學在數(shù)據(jù)庫方面作了長期而系統(tǒng)的研究，開發(fā)出了實用化的軟件系統(tǒng)MODULUS，其基本原理和實現(xiàn)過程為：首先根據(jù)路面各層厚度、材料迫松比和彈性模量的可能范圍，應用多層彈性體理論（BISAR程序）建立一個路面彎沉盆數(shù)據(jù)庫，然后利用模式搜索和拉格朗日插值方法確定一組模量，使計算與實際彎沉盆最為接近。數(shù)據(jù)庫法的優(yōu)點在于避開了反分析中的“病態(tài)”問題，求解過程穩(wěn)定：一旦建立了數(shù)據(jù)庫，可以快速實現(xiàn)模量的反算。缺點是對于不同的路面結(jié)構(gòu)，必須建立相應的數(shù)據(jù)庫，即數(shù)據(jù)庫不具有通用性。
迭代法的研究成果較為豐富，代表性的軟件有MODCOMP2,BISDEF,CHEVDEF等。迭代法的基本過程為：（1）輸入已知的路面各層厚度、泊松比及荷載值；（2）假定一組模量初試值；（3）應用路面力學模型計算相應于FWD傳感器位置各點的彎沉；（4）比較計算結(jié)果與試驗結(jié)果之間的誤差；（5）調(diào)整各層模量值；（6）重復（3）、（4）、（5），直至計算結(jié)果與試驗結(jié)果之間的誤差達到最小。
迭代法的關(guān)鍵在于如何保證計算過程中的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有研究成果大多對初始值的選取要求非?？量?。初始值選取不當將使計算過程不收斂，或者對不同的初始值有不同的收斂結(jié)果，其根本原因在于未能有效的處理反算方程的“病態(tài)”問題。為此，美國戰(zhàn)略性公路研究計劃路面長期使用性能研究采用數(shù)據(jù)庫法（MODULUS軟件）作為FWD數(shù)據(jù)分析的基本方法。
三、系統(tǒng)識別反分析方法
識別系統(tǒng)的目的是根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出來確定系統(tǒng)的特性。較直觀的方法是建立一個數(shù)學模型來模擬未知系統(tǒng)，然后修改模型使其與實際系統(tǒng)之間的誤差在某種意義上得到最小。常用的誤差極小化是在相同輸入條件下使模型與系統(tǒng)的輸出誤差達到最小。根據(jù)這一識別過程可建立路面結(jié)構(gòu)反分析方法：（1）利用FWD檢測系統(tǒng)對路面進行現(xiàn)場非破壞性試驗，觀測路面結(jié)構(gòu)在已知荷載作用下的變形（彎沉盆）；（2）應用路面力學模型，計算在相同荷載作用下路面的變形（正分析）；（3）建立模型修改算法，逐步調(diào)整模型參數(shù)，使計算與觀測結(jié)果之間的誤差達到最小。
由此可見，系統(tǒng)識別反分析不僅要求試驗數(shù)據(jù)準確，理論模型合理，而且需要具有較好的穩(wěn)定性和收斂性的參數(shù)改算法。
四、結(jié)束語
?。?）路面無損檢測與評價技術(shù)在公路建設(shè)與管理中具有重大應用價值和顯著的經(jīng)濟和社會效益。在工程檢測方面，應用快速、無破損檢測技術(shù)和路面力學反演方法，能夠及時準確的分析路面結(jié)構(gòu)各層強度，從而防止因材料強度不足而造成的質(zhì)量隱患，從根本上避免路面過早破壞；在養(yǎng)護決策方面，對路網(wǎng)進行定期檢測和結(jié)構(gòu)性能評價，可以科學的制定養(yǎng)護方案，合理的分配養(yǎng)護資金；在道路改造方面，準確的檢測和評價待改造路段的剩余強度，可以實現(xiàn)路面補強優(yōu)化設(shè)計。
?。?）路面無損檢測與評價技術(shù)的研究涉及許多學科分支：在學術(shù)上以路面力學反問題等現(xiàn)代力學理論為基礎(chǔ)；在技術(shù)上涉及自動化檢測、信息處理、計算機輔助工程等高新技術(shù)；在應用上密切結(jié)合工程實踐。因此，它是一個綜合性很強的科研方向，要求理論研究、技術(shù)開發(fā)和工程應用密切結(jié)合。
?。?）本方法在國際上發(fā)展很快，在理論研究、設(shè)備研制和軟件開發(fā)等方面都取得了較豐富的成果。由于我國高等級公路建設(shè)正處于迅速發(fā)展時期，加快開發(fā)先進、高效的路面檢測技術(shù)和配套、實用的路面評價系統(tǒng)已成為當務之急。
