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路面检测技术的应用与我国公路施工技术的发展趋势
近几年来,随着交通基础建设投资力度的加大,我国公路通车里程逐年快速增长。截止到2006年底,全国公路通车总里程已达345万公里,其中高速公路达4 53万公里。可以预见,与我国公路建设的快速发展相对应,未来一段时期内大量的原有路面需要维修改造,以保持良好的路用性能。路面性能检测是公路建设与管理中的关键性、基础性技术,它不仅对检测和控制工程质量至关重要,而且决定着路网养护决策的科学性,直接影响养护资金分配的合理性。
    根据我国相关规范,旧路面检测的主要指标包括弯沉、平整度、摩擦系数、破损状况等。此外,还可根据实际项目需求加入车辙、厚度、基层完整性等指标。传统的检测手段主要包括:(1)采用贝克曼梁弯沉仪,百分表,配合标准轴载黄河车,利用杠杆原理测试路表回弹弯沉;(2)采用3米直尺,测试路面纵向平整度、横向断面车辙状况;(3)采用摆式摩擦系数仪,人工逐点测试路面摩擦系数;(4)采用取芯机,钻取芯样测试路面厚度,判断芯样完整性;(5)采用人工破损调查,了解路面破损状况。这些早期测试方法不仅费时费力、影响交通,而且有些还要破坏路面结构,数据精度也难以得到可靠保证,因此,已经在逐步被新型检测设备所取代。下面重点介绍目前应用较多的一些新型检测技术。
 
路面弯沉检测
    弯沉作为路面检测的重要指标,其检测与分析技术发展十分迅速。自1 953年贝克曼(BenkeIman)发明梁式弯沉仪以来,路面弯沉检测设备已从静力弯沉仪、稳态动力弯沉仪发展到脉冲式动力弯沉仪,从单点最大弯沉检测发展到对路面弯沉盆的检测,并将仅局限于柔性路面意义上的弯沉概念,发展到刚性路面的结构评价与设计分析中,路面结构性能的评价也从路面整体强度评定发展到对路面各层刚度的反分析。
    利用贝克曼梁法测定路面回弹弯沉值操作简便、应用广泛,但测试为人工操作,测试结果受人为因素影响较大,测速慢。自动弯沉仪的基本工作原理与贝克曼梁原理相同,均采用简单的杠杆原理,测定车在检测路段以一定速度行驶,将安装在测试车前,后轴之间底盘下面的弯沉测定梁放到车辆底盘的前端,并支于地面保持不动,当后轴双轮隙通过测头时,弯沉通过位移传感器等装置被自动记录下来,这时,测定梁被拖动,以二倍的汽车速度拖到下一测点,周而复始地向前连续测定,一般测试速度保持在1.5km/h-4 0km/h之间。
  落锤式弯沉仪(FWD)是脉冲式动力弯沉仪的典型代表,其技术特点主要表现在:测速快,精度高,并较好地模拟了实际行车荷载对路面的动力作用,已被许多国家广泛地应用到路面检测和评价中。其主要原理如下:通过计算机控制下的液压系统提升并释放一重锤,从而对路面施加脉冲荷载,荷载大小通过改变锤重和提升高度调整,并通过刚性圆盘作用到路面上。路面的弯沉由5个~9个传感器测定,这样就能较准确地反映弯沉盆的形状,从而为路面模量反算提供基础。有了模量,就能进一步分析出路面结构的应力,应变状况,评价承载能力。自20世纪80年代以来,FWD在国际上得到了广泛的应用,至今已有50多个国家和地区引进了FWD。美国联邦公路局经过对比分析,确认FWD是较理想的路面承载能力评定设备,并选为实施SHRP计划中路面承载能力评定部分的重要设备。
  目前,国内外围绕FWD开展的主要研究是稳定可靠的模量反演技术。通过对FWD弯沉盆数据的分析,反演路面各结构层的动态模量,进而判别承载硅力。国内外对这项技术的关注重点是路面力学特性模拟,模量反分析的可靠性、反演结果的验证等。此外,FWD还可用于旧水泥混凝土路面板体脱空判定,接缝传荷能力判定,路基施工过程中动态监控、路基冲击压实效果评价等多方面,应用日趋广泛。
  除FWD之后,丹麦、美国等预期开发的新一代弯沉仪RWD(滚轮式弯成沉仪)正处于研究阶段,它采用高频激光扫描,能够连续记录行驶中测试车在路表产生的弯沉,其优点是记录了路面真实受力状态,测速远大于FWD,因此对交通的影响较小,是较为理想的弯沉检测设备。
 
路面平整度检测
  路面平整度是路面评价及路面施工质量验收中的一个重要指标,主要反映路面纵断面曲线的平整性。当路面纵断面曲线相对平滑时,则表示路面相对平整,行驶舒适性好,反之则表示平整度相对较差。路面平整度的检测能为决策者提供重要的信息,使决策者能为路面的维修养护做出优化决策。另一方面路面平整度的检测能准确地提供路面施工质量的信息,为路面施工提供一个质量评定的客观指标。
  在20世纪70年代,平整度测量主要是水平仪、三米直尺等,精度低、速度慢。90年代后,平整度检测手段逐步得到了提高,出现了连续式平整度仪、颠簸累积仪,激光断面仪等一批新型检测设备。
  目前,路面平整度测试设备主要分为断面类及反应类两大类。断面类实际上是测定路面表面凹凸情况,如连续式平整度仪、激光断面仪等。反应类是司机和乘客直接感受到的平整度指标,因此,它实际上是舒适性能指标,如颠簸累积仪等,其原理是测试车以一定的速度在路面上行驶,由于路面不平整引起汽车激振,通过机械传感器测量后轴同车厢之间的单向位移累积值VBI,VBI值越大,则行车越不舒适。由于VBl不是标准的国际平整度指标,因此,需通过标定试验建立与断面类设备国际平整度指数IRI值之间的转换关系予以标定转换。
  总体而言,断面类设备是目前国内外平整度检测发展的主流产品。早期产品为连续式平整度仪,其检测原理很简单,即由间距为三米的前后轮作为支点,架起平衡梁,而由一位移传感器检测出平衡梁中点至路面的垂直距离的变化量,然后换算成平整度标准差。连续式平整度仪由于测试速度较慢,正常测速在5km/h左右,主要用于施工过程中检测。
  激光断面仪是目前应用较多的断面类测试设备,正常测速在80 km/h左右,具有测试速度快、精度高的特点,可用于平整度等指标的测试,其基本原理是利用激光传感器测量车体到路面的距离,同时利用加速度计测量车体本身的竖向位移,从而得到路面纵断面的剖面,然后利用该剖面实时计算国际平整度指数。围绕激光断面仪所展开的研究主要是测试的可重复性,可再现性。欧洲和美国均进行过较大规模的可重复性和可再现性研究,在其所使用主流设备之间建立了相关关系。目前我国使用的激光断面仪有多种品牌,这些设备已经开始大量使用,但由于尚没有进行系统的可再现性研究,不同设备之间数据的可比性有待考察。
 
路面车辙检测
  车辙是指沿道路纵向在车辆集中位置处路面产生的带状凹槽,由于交通量的增长、车辆渠化交通、持续高温等因素的综合影响,车辙已经成为我国沥青路面早期破坏中常见的一种路面病害。车辙对行车安全有重大影响,尤其是在雨后,易造成车辆横向侧滑引起交通事
故,因此,该指标的检测已经得到了人们的普遍关注。
  早期车辙测试主要采用3m直尺方法,优点是成本较低、方便直观,缺点是速度慢、效率低、影响交通。随着计算机技术,超声波技术、激光技术的快速发展,出现了超声波车辙测试仪、激光断面仪等新型车辙测试设备。其中,超声波车辙测试仪一般由30个左右超声波传感器组成,传感器之间间隔约100mm,测试宽度约3m。通过测量距路表距离描绘路面横断面,通过直尺分析来确定路面最大车辙深度,其优点是价格低,可以沿横向密布、断面连续性好;缺点是单个传感器精度低于激光传感器,受外界影响大,只能垂直向下。激光断面仪除测试平整度外,还可测试车辙,即通过横向分布的5个~9个激光传感器测试距离路面的高度,通过几个测点高程模拟路面横断面从而可以快速计算车辙。
  近几年来,一种新的激光车辙扫描测试系统已经开始研发并有样机问世,该系统包含两个断面激光扫描器,能在m范围内采集1 280个点的数据,取样率为25断面/秒,在工程应用上能更加真实地反映路面车辙的实际情况。系统不受温度,湿度、路面颜色和平整度的影响,雨天也可测试。此外,激光车辙扫描测试系统具有很高的重复性以及精确度,测试高度的精确度为±1mm,预计此类产品将成为未来的发展趋势。
 
路面摩擦系数检测
  路面抗滑性能是路面使用性能的重要组成部分,直接影响到道路行车安全性。路面抗滑性能包括纵向和横向两个方面,纵向抗滑性能决定车辆在刹车时的滑行距离,对避免追尾交通事故的发生有直接的决定作用;横向抗滑性能决定车辆的方向控制能力,对车辆弯道行驶安全性较为重要。近几年来,随着人们安全意识的提高,路面抗滑性能已开始得到人们的普遍重视。然而,现阶段我国规范常用的摆式摩擦系数仪在应用于摩擦系数测试时尚存在不足之处,主要表现在影响道路交通,测试速度慢、效率低、操作者存在安全隐患等。
  针对这种现状,自动化摩擦系数检测设备近几年来逐渐从英国、瑞典等国家引入我国。根据测试方法的不同,此种设备可分为三类.横向力系数测试仪、刹车式摩擦系数测试仪、不完全刹车式摩擦系数测试仪等。
  横向力系数测试仪在我国应用最广泛,由于从国外引进价格较高,20世纪90年代中期实现了国产化。该设备的基本原理是设定试验轮与行车方向成一定角度,横向力与试验轮对路面荷载的比值即为横向力系数,反映车辆在路面上侧滑的危险性,正常测速约50km/h,刹车式摩擦系数测试仪是在行驶的过程中,每间隔指定的距离自动对测试轮刹车,刹车期间测试轮在路面上滑动。根据传感器所记录的
力,即可计算制动力系数。该设备在美国是抗滑能力测试标准设备之一,测试速度最高可以达到110km/h。不完全刹车式摩擦系数测试仪的测试轮和行驶轮之间,用不等直径的同轴齿轮和链条连接,使得测试轮的滚动线速度小于行驶轮的滚动线速度。在正常测试时呈现连滚带滑的运动状态,根据力传感器记录的数据即可计算路面摩擦系数。该设备在路面上的测试速度为50km/h左右,在欧洲应用较多,由于不是现行规范规定的采集设备,在进行摩擦系数测试时需进行与摆式仪或横向力系数测试仪间的对比试验,建立两者之间的关系。
  目前在路面抗滑能力测试方面仍主要采用摆式仪,横向力系数仪已逐渐拥有了相当多的用户,刹车式和不完全刹车式摩擦系数测试仪目前仅有少数用户。可以预见,由于在安全性和精度方面的优势,自动化摩擦系数仪在我国将成为主流。
 
路表破损状况调查
  路表破损状况往往是道路使用者对于路面施工及养护质量的直观感受,因此,我国各级公路部门对路面破损状况一向都比较重视。目前该项指标主要还是依靠人工采集,除了主观性大、效率低外,还存在很大的安全隐患。针对这种状况,国内部分单位近年来引进了路表破损测试系统,其基本原理是通过摄像系统连续采集路表图像,然后通过后处理软件自动处理与人工判读相结合识别,分类与统计路表破损。路表破损测试系统极大地提高了二作效率,避免了人工破损调查的危险性随着我国公路建设的快速发展,必将成为广泛应用的设备。
  目前,路表破损测试系统主要有美国、加拿大等几个国家的产品,由于进口设备价格较昂贵,国内也有少数单位进行了自主研发并有早期产品投入使用。根据对此类产品的调查,存在的主要问题包括:(1)目前设备主要能识别裂缝类病害,对于拥包、沉陷等三维病害尚不能准确识别;(2)后处理工作量较大,由于此类产品尚不能实现破损的自动识别,误判、漏判率较高,如易将距面污染判别为坑槽等,因此需由人工后期逐图判读,造成处理时间过长:(3)人为及天气因素对于测试结果准确性有一定的影响,如不同天气状况下识别的效果均不一样。针对这一问题,各设备商正在加以改进,重点是表面破损的自动识别、归类,减少误判,漏判率,并自动输出路面破损率等指标。
 
路面厚度、完整性检测
  目前,我国公路路面厚度测试主要采用取芯法来测定,同时通过人工观察判定基层完整性状况。随着电磁波技术的发展,路面雷达已经开始在国内外尝试使用,该技术结合了瞬态电磁场理论,时域测量技术、纳秒脉冲源技术、超宽带天线技术和信号处理技术等多门学科,主要原理是利用电磁波在路面结构层中的传播和反射,根据回波时间、波幅与波形,确定厚度,同时通过基层松散后介电常数的变化,判定基层松散率,从而了解基层完整性状况。在此过程中,重点是对路面介质介电特性进行分析研究,由于雷达接收到的反射波是介质介电特性的函数,对路面雷达图像数据的解释、判读和反演都依赖于对介质介电性能的分析,因此,介电特性的深入分析是目前雷达技术应用的关键技术点。
  路面雷达在工程中的应用刚刚起步,目前国内约有20台左右,这些设备的品牌不同,主要产于美国和欧洲,但测试原理基本相同,测试频率越高则精度越高,探测深度则越浅。路面雷达已成为路面无损检测技术的重要组成部分,并代表了路面结构层厚度、压实度,基层状况、含水量、沥青含量等检测技术的发展方向。
  目前路面雷达在沥青混凝土面层厚度检测上的精度约为3%,在结构层完整性如水泥混凝土板体脱空判定,基层松散判定等方面的研究仍有待于进一步深化。对路面其它重要性能指标如压实度、空隙率,含水量,沥青含量等的研究也还处于探索阶段,尚未在工程中广泛应用。此外,由于实际情况往往难以客观判定,可采用不同的检测方法来相互印证,例如采用落锤式弯沉仪和路用雷达联合探测板块脱空情况、基层承载能力状况,从而及时发现路面结构层中存在的隐患,掌握道路的内在质量和使用寿命,指导道路的养护维修。
  路面雷达的应用,除了雷达天线本身的精度外,后处理软件也非常关键,可以说,设备提供了检测的手段,而软件决定了应用的广度和深度,应当引起国内用户足够的重视。各雷达厂家都有配套的后处理软件,另外也有一些专业性研究所开发的更为专业的后处理软件,尤其以美国和芬兰的研究较深入。
  可以认为,未来路面雷达技术推广应用的速度主要取决于实用软件的开发速度及深度。
  
      整体而言,新型检测设备近几年来不断涌现,为我们提供了更丰富的信息,因此,如何更好地利用自动化检测技术评价路面使用性能,提出合理的维修方案,将是下一阶段检测设备用户关注的重点。
  路面检测技术的总体趋势是由人工检测向自动化检测技术发展,由破损类检测向无损检测技术发展,由低速度、低精度向高速度、高精度发展。最近几年,自动化路面无损检测设备越来越多,与此对应的,围绕自动化检测设备所开展的研究也将在深度上得到提高。综合而言,路面检测技术在我国的发展方向如下;(1)先进无损测试设备用户越来越多,并逐步实现国内组装及国产化;(2)围绕测试技术所展开的研究将逐步深化,尤其是评价技术,并通过相关实用软件的市场化来推广;(3)利用多种无损检测设备测试结果对路面状况进行综合评价,并进行养护技术路线决策;(4)各种检测数据直接导入路面管理系统,实现信息化管理。
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