路面無損檢測新技術及發(fā)展方向
[摘要] 綜合介紹了國內外在路面使用性能無損檢測上的最新技術及相關的研究領域。在此基礎上，分析了我國在新型檢測設備的應用和相關研究方面的現(xiàn)狀與不足，探討了未來的發(fā)展趨勢。
關鍵詞 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，其使用性能直接關系到道路為用戶提供的舒適性、安全性、快捷性等服務的水平，關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水平。自20世紀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：大量的設備在使用時費時、費力、對交通影響大，有些還要破壞路面結構的完整性，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開展了深入研究，并且隨著計算機技術、自動化控制技術、高精度測微技術的進步，在最近的20年里有突破的進展。我國從20世紀80年代后期開始，通過設備與技術引進和自主開發(fā)，在路面檢測方面也有了巨大的發(fā)展。本文在國內外考察與研究的基礎上，總結了路面主要無損檢測技術和相關研究的最新進展，分析了在我國的應用與研究情況及發(fā)展趨勢。
2 檢測技術與相關研究2.1 彎沉測試 落錘式彎沉儀（fwd）是目前應用較為廣泛的彎沉檢測設備，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，荷載大小由落錘質量和起落高度控制，荷載時程和動態(tài)彎沉盆均由相應的傳感器測定。20世紀60年代，法國首先提出沖擊式動力彎沉儀的初步設想，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，fwd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80年代初以來，fwd在國際上得到日益廣泛的應用，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；殼牌石油公司也已正式將fwd的應用納入殼牌路面設計手冊[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（rolling wheel deflectometer 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生的彎沉，測試速度約55英里/小時。目前主要有dynatest（丹麥）與quest integrated（美國）合作、美國密西西比州的ara (applied research associates)公司和瑞典的rdt等機構從事rwd的研制工作，第一代產品已經(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備，因此是此類設備的重要發(fā)展方向。 得克薩斯大學開發(fā)的rdd（rolling dynamic wheel deflectometer 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，fwd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。通過對fwd所測彎沉盆數(shù)據(jù)的分析，反演路面結構層的彈性模量。目前的重點和需要解決的問題包括路面結構力學特性的模擬、反分析的適定性（存在性、唯一性、穩(wěn)定性）、反演結果的驗證與應用等。 與加速路面試驗（apt）相結合的試驗研究。在試驗路上進行加速破壞試驗，路面結構內設置各種傳感器，測試應力、應變、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測等試驗和分析，并與荷載重復作用次數(shù)、應力、應變、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，平整度（縱斷面）和車轍（橫斷面）。其中平整度是評定路面質量的重要指標，是道路使用者判斷道路好壞的直接依據(jù)。在20世紀70、80年代，平整度測量設備主要是水平儀、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，但仍存在可重復性差、測試速度慢的缺點。而車轍的產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用，是目前最先進的平整度和車轍檢測設備，正常測試速度為80km/h，并且同時還可以測量橫坡、縱坡、轉彎曲率等指標[2]，目前在國內約有近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性、可再現(xiàn)性研究。對同一個測試路段，采用同一個設備進行多次測量，各次數(shù)據(jù)間的吻合性稱為可重復性；對同一個測試路段，采用原理相同或類似的不同設備進行測量，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)模的可重復性和可再現(xiàn)性研究，在其所使用的主流設備類型和品牌之間建立了相關關系。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品和第二代產品，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)的可比性就不得而知。
激光傳感器個數(shù)和車轍測試精度的關系。由于激光斷面儀是一種離散的車轍檢測設備，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個傳感器后測試結果仍與橫向連續(xù)測試的結果有較大差異，但相關性較好，相關系數(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個傳感器的測試結果約為連續(xù)測量結果的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，因此精度是相當高的。兩種設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)測試儀是在我國應用最為廣泛的自動摩擦系數(shù)儀，20世紀90年代中期實現(xiàn)了國產化[4]。該設備的基本原理是設定試驗輪與行車方向成一定角度，以便產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)。該設備在美國是抗滑能力測試標準設備之一，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)。該設備在路面上的測試速度為50km/h左右，在歐洲應用較多，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，進口的和國產的都有；橫向力系數(shù)儀已逐漸擁有了相當多的用戶；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)越來越不適應我國高速公路建設的需要，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造對摩擦系數(shù)的影響，而宏觀紋理構造是高速公路路面抗滑能力的決定因素。因此，應當大力推廣自動化的抗滑能力測試儀在中國的應用。
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，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。國內少數(shù)單位在20世紀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)字攝像系統(tǒng)連續(xù)高速采集路表的圖像，然后在室內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查的危險性，隨著我國高速公路建設的快速發(fā)展，必將成為廣泛應用的設備。由于市場需求的大量存在和進口設備的價格居高不下，國內有幾家研究單位開始國產化的探索，并已有原型機問世。
根據(jù)對該設備用戶的調查了解，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，該設備制造商和國內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，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。目前該類型的設備在國際上的用戶非常少，在國內還沒有用戶。
2.5 路面雷達測試路面雷達是利用電磁波在路面結構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，確定目標體的空間位置或結構。用于路面測試最早出現(xiàn)于20世紀70年代，80年代后期在設備技術上和應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，通常約60km/h左右。目前國內約有20臺路面雷達，并且每年都在增加，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。可以說，路面雷達為路面厚度測試、相對高含水區(qū)域檢測、結構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%；在結構層完整性，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，但這方面的國內外研究成果較少，僅有的少數(shù)成果也多沒有得出相關性良好的結論。 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。另外，根據(jù)雷達測試數(shù)據(jù)分析路面結構的壓實度和含水量也是一個研究方向，目前國內尚沒有見到公開發(fā)表的實際應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，分析路面病害原因，評價其使用性能，并提出相應的養(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和分析方法，評價路面使用性能，深入分析病害產生的原因，以提出經(jīng)濟上優(yōu)化、技術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，并結合路面使用性能退化機理、力學分析、壽命周期費用分析等理論，建立了集病害原因分析的力學～經(jīng)驗方法、基于經(jīng)濟分析的路面養(yǎng)護及補強設計優(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 小結道路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。最近幾年，自動化路面無損檢測設備在中國越來越多，這與我們的公路建設事業(yè)的發(fā)展是相對應的。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和綜合性上得到加強�？梢哉J為，道路無損檢測技術及路面使用性能評價在中國的發(fā)展方向為：
1）測試設備的需求量越來越大，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逐步深化，并通過相關軟件的市場化來推廣；
3）集成多種設備檢測結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)的應用，或直接集成到路面管理系統(tǒng)中。
參考文獻
1. 梁新政. 柔性路面結構層應力非線性反演研究. 大連理工大學博士論文.2000年7月
2. 王鐵兵，王成竹. rspii路面檢測車系統(tǒng)在路面平整度檢測中的應用. 東北公路. 2001年第三期
3. dar-hao chen. study of rut-depth measurements. transportation research board 80th annual meeting. january 7-11,2001. washington, d.c
4. 劉清泉. 路面抗滑能力測量. 公路交通科技，1993年。 |
