近(jìn)幾年來,隨著交通基礎(chǔ)建(jiàn)設(shè)投資(zī)力度的加大,我國公路通車(chē)裏程逐年快(kuài)速增長。截止(zhǐ)到2006年底,全國公路通車總裏程已(yǐ)達345萬公(gōng)裏(lǐ),其中高速公(gōng)路達4 53萬公裏。可以預見,與(yǔ)我國公路建設(shè)的快速發展相對應,未來一段時期內大量的原有路麵(miàn)需要維修改造,以保持良(liáng)好的路用性能。路麵性能檢測是公路建設與(yǔ)管理中的關鍵性、基礎性技術,它不僅對檢測和控製工程質量至關重要,而且決(jué)定著路網養護決策的科學性,直接影響(xiǎng)養護資金分配(pèi)的(de)合(hé)理性。
根據我國相關規範,舊路麵檢測的(de)主要指標包括彎沉、平(píng)整度、摩擦係數、破損狀況等。此外,還可根據實際項目需(xū)求加入車轍、厚度、基層(céng)完整性(xìng)等指標。傳統的檢(jiǎn)測手段主要(yào)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(lì)用杠杆原理測試路表回彈彎沉;(2)采用(yòng)3米直尺,測試路麵縱向平整度、橫向斷麵車(chē)轍(zhé)狀況;(3)采用擺式摩(mó)擦係數儀,人工(gōng)逐點測試路麵摩擦係數;(4)采用取芯機,鑽取芯樣測試路麵厚度,判斷芯樣完整性(xìng);(5)采(cǎi)用(yòng)人工破損調查,了解路(lù)麵破損狀況。這些早期測試方法不僅(jǐn)費時費力、影響(xiǎng)交通,而且有些還要(yào)破(pò)壞路麵(miàn)結構,數據(jù)精(jīng)度也難以得到(dào)可靠(kào)保證(zhèng),因此,已經在逐步被新型檢測設備所取代。下麵重點介紹目前應用較多的一些新型檢測技(jì)術。
路麵彎沉檢測
彎沉作為路麵檢(jiǎn)測的(de)重要指標,其檢測與分析技術發展十分迅(xùn)速。自1 953年貝克曼(màn)(BenkeIman)發(fā)明梁式彎沉儀(yí)以來(lái),路麵彎沉檢測設備已從靜力彎沉儀、穩態動(dòng)力(lì)彎沉儀發展到脈衝式動力彎沉儀(yí),從單點大彎沉檢測發展到對路(lù)麵彎(wān)沉盆的檢測,並將僅局限於柔性路麵意義上的彎沉概念,發展到剛(gāng)性路麵的結構評(píng)價與設(shè)計分析中,路麵結(jié)構性能的評價(jià)也從路麵整體(tǐ)強(qiáng)度評(píng)定發展到對(duì)路麵各層剛度的反分析。
利用貝克曼梁法測定路(lù)麵回彈(dàn)彎沉值操作簡便、應用廣泛,但測試為人工操(cāo)作(zuò),測試結果受人為(wéi)因素影響(xiǎng)較大(dà),測速(sù)慢(màn)。自動彎沉儀的基本工作原理與貝克曼梁原理相同,均采(cǎi)用簡單的杠杆原理,測定車在檢測路段以一定速度行駛,將安裝在測試車前,後軸之間底盤下麵的彎沉測定梁放到車輛底盤(pán)的前端,並(bìng)支於地麵(miàn)保(bǎo)持不動,當後軸雙輪(lún)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(de)汽車速度拖到下一測點,周而複始地向(xiàng)前連續測定,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(shì)脈衝式動力彎沉儀的(de)典型代(dài)表,其技術特點主要表現在:測(cè)速快,精(jīng)度高,並較好地模擬了實際行車荷載對路麵的動力作(zuò)用,已被許(xǔ)多國家廣泛(fàn)地應用到路麵檢測和評價中。其主要原理如下:通過計算機控製下的(de)液壓係統(tǒng)提升並釋放一重錘,從而對路麵施加脈(mò)衝荷載,荷載大小通過改變錘重和提升高度調整,並(bìng)通過剛性(xìng)圓盤作用(yòng)到(dào)路麵上。路(lù)麵的彎沉由5個~9個傳感器測定,這樣就能較準(zhǔn)確地反映彎沉盆的形狀,從而為路麵模量(liàng)反算提供基礎。有了模量,就能進一步分析出路麵結構的(de)應力,應變(biàn)狀(zhuàng)況,評價承載能力。自20世紀80年代以來,FWD在國際上得到了廣泛的應用,至今已有50多個國家和地區引進了FWD。美(měi)國聯邦公路局(jú)經過對比分析,確認FWD是較理想的路麵(miàn)承載能力評定設(shè)備,並選為實(shí)施SHRP計劃中路麵承載能力評定部分的重要(yào)設備。
目前,國內外圍(wéi)繞FWD開展的主要研究(jiū)是穩定可靠的模量反演技術(shù)。通(tōng)過對FWD彎沉盆數據的分析,反(fǎn)演路麵各結構層的動態模量,進而判(pàn)別承載矽力。國內外對(duì)這項技術的關(guān)注重點是路麵力學特(tè)性模擬,模量反分析的可靠性、反演結果的驗證等。此外,FWD還可用於舊水泥混凝(níng)土路麵板(bǎn)體脫空判定,接縫傳荷能力判定(dìng),路基施工(gōng)過程中動(dòng)態監控(kòng)、路基衝擊壓實效果評價等多方麵,應用日(rì)趨廣泛。
除FWD之後,丹麥、美國等(děng)預期開發的(de)新(xīn)一代彎沉儀RWD(滾輪式彎成沉儀)正處於研究階段,它采用高頻激光掃描,能夠連續記錄(lù)行駛中測試車在路表產生的彎沉,其優點是記(jì)錄了(le)路麵真實受力狀態,測速遠大於FWD,因此對交通的影響較(jiào)小,是較為理想(xiǎng)的彎沉檢測設備。
路麵平整度檢測
路麵平整(zhěng)度是(shì)路麵(miàn)評價及路麵施工質量(liàng)驗收中的一個(gè)重要指標,主要反映路麵縱斷麵曲線的(de)平整性。當路麵縱斷麵曲線相(xiàng)對平(píng)滑時,則表(biǎo)示路麵相對(duì)平整(zhěng),行駛舒適性好,反之則表示平整度相對較差。路(lù)麵平整度的檢測能為決策者提供重要(yào)的信息,使決策者能為路麵的維修養護做出優化決策。另一方麵路麵平整度的檢測能準確地提供路麵施工質量的(de)信息,為路麵施工提供一個質量評(píng)定的客觀指標。
在20世紀70年代,平整(zhěng)度測量主要是水平儀、三米直尺等,精度低、速度慢。90年代後,平整度檢測手段逐步得到了提高,出現了連續式平整度儀、顛簸累(lèi)積儀,激(jī)光斷麵儀等一批新型檢測設備(bèi)。
目前,路麵平整度(dù)測試設備主(zhǔ)要分為斷麵類及反應類兩大類。斷麵類實際上是測定路麵表麵凹凸情況,如連續式平整度儀、激(jī)光斷麵儀等。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(jì)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(dìng)的速度(dù)在路麵上行駛,由(yóu)於路麵不平整引(yǐn)起汽車激振,通過機械(xiè)傳感器測量後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。由於VBl不是標(biāo)準的國(guó)際平整度指(zhǐ)標,因此,需通過標定試驗建立與斷麵類設備國際平整(zhěng)度指數IRI值之間的轉(zhuǎn)換關係予以(yǐ)標定轉(zhuǎn)換。
總體而言,斷麵類設備是目前國內外平整度檢測發展的主要產(chǎn)品。早期產品為連續式平整度儀,其檢測原理很簡單,即由間距為三米的前後輪作為支點,架起平(píng)衡梁,而由一位移(yí)傳感器檢測出平衡梁中點(diǎn)至路麵的垂直距離的變化量(liàng),然後換算成平整度(dù)標準差。連續式平整度儀由於測試速(sù)度較慢(màn),正常測(cè)速在5km/h左右,主要(yào)用於施工過程中(zhōng)檢測。
激光斷麵儀是(shì)目前應用較多的斷麵類測試設備,正常測速在80 km/h左右,具有測試速度快、精度高的特點,可用於平整度等指標的測(cè)試,其基本原理是利(lì)用激光(guāng)傳感器測量(liàng)車體到路(lù)麵的距離,同時利用加速度計測量車(chē)體本身的豎向位移,從而得到路麵縱斷麵的剖麵,然後利用該剖麵實時(shí)計(jì)算國際平整度指數。圍繞激光斷麵(miàn)儀所展開的研(yán)究主要是測試的(de)可重複性,可再現(xiàn)性。歐洲和美(měi)國均進行過較大規模的可重複性和可再現性研究,在其所使用(yòng)主流設備(bèi)之間建立了相關關係。目前我國使用的激光斷麵儀(yí)有多種品牌,這些(xiē)設備已經開(kāi)始大量使用,但由於(yú)尚沒有進行(háng)係統的可再現性研究,不同設備之(zhī)間數據的可比性有待考察。
路麵車轍檢測
車轍是指沿道(dào)路縱向在車輛集(jí)中位置處路麵產生的帶狀凹(āo)槽,由於交通量的增長、車輛渠化交通、持續高溫等因素的綜合影(yǐng)響,車轍已經成為我國瀝青路麵早期破壞中常見的一種路麵病害。車轍對行車安全有重大影響,尤(yóu)其是在雨後,易(yì)造(zào)成車輛橫向側滑引起交通事
故(gù),因此,該指標的檢測已經得到了人們(men)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(běn)較低、方便(biàn)直(zhí)觀,缺點是速度慢、效率低、影響交通。隨著(zhe)計算機技術,超聲波技術、激光技術的快速發展,出現了超聲波車轍測(cè)試(shì)儀、激光斷麵儀等新型(xíng)車轍測試設備。其中,超聲波車轍測試儀一般由30個左右超(chāo)聲波傳(chuán)感器組成,傳感器之間間隔約100mm,測試寬度約3m。通過測(cè)量距路表距離描繪路麵橫斷麵,通(tōng)過直尺分析來(lái)確定(dìng)路麵大車轍深度,其優點是價格低,可以沿橫向(xiàng)密(mì)布(bù)、斷麵連續性好;缺點是單個傳感器精度低於激光(guāng)傳感器,受外界影響大,隻能垂直向下。激光斷麵儀除測試平整(zhěng)度外,還可測試車轍,即通過橫向分布的5個~9個激(jī)光傳感器(qì)測試距離路麵的高度,通過幾個測點高程模擬路麵橫斷麵從(cóng)而可以快速計算車轍。
近幾(jǐ)年來,一種新的激光車(chē)轍掃描測(cè)試係統已經開始(shǐ)研發並有樣機問世,該係統包含兩個斷麵激光掃描器(qì),能在m範圍內采集1 280個點的數據,取樣率為25斷麵/秒,在工(gōng)程(chéng)應用上能更加真實地反映路麵車(chē)轍的實際情況(kuàng)。係統不受溫度,濕度、路麵顏色(sè)和平整度的影響,雨天也可測試。此外,激光車轍掃描測試係(xì)統具有很高的重複性(xìng)以及(jí)度,測試(shì)高度的度為±1mm,預(yù)計此類產品將成為未來的發展趨勢。
路麵摩擦係數檢測
路(lù)麵抗(kàng)滑性能是路麵使用性(xìng)能的重要(yào)組成部分,直接影響到道路行車安全性。路麵抗滑性能包括縱向和橫(héng)向兩個方麵,縱向抗滑性能(néng)決定車輛在刹(shā)車時的(de)滑行距(jù)離,對避免追尾交通事故的發生(shēng)有直(zhí)接(jiē)的決(jué)定作用;橫向抗滑性能決定車輛的(de)方向(xiàng)控製能力,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(gāo),路麵抗滑性能已開始得(dé)到人們的普遍重視。然(rán)而,現階段我國規範常用的擺式摩擦係(xì)數儀在應用於摩擦係(xì)數測試時尚存在不足之處,主要表現在影響道路(lù)交通,測試速度慢、效率低、操作者存在安全隱患等。
針對這種(zhǒng)現(xiàn)狀,自動化摩擦(cā)係數檢測設備近幾年來逐(zhú)漸從英國、瑞典等國家(jiā)引入我國。根據測試方法的不同,此種設備可分為三(sān)類.橫向力係數測試儀、刹車式摩擦係數測試儀、不完全刹車式摩(mó)擦係數測試儀等。
橫向力係數測試儀在我國應用(yòng)廣泛,由於(yú)從國(guó)外引進價格較高,20世紀90年(nián)代中期實現(xiàn)了國產化。該設備的(de)基本原理是設定試(shì)驗輪與行車(chē)方向(xiàng)成一定角(jiǎo)度,橫向力與(yǔ)試(shì)驗(yàn)輪對路麵荷(hé)載的比值即為橫向力係數,反(fǎn)映車輛在路麵(miàn)上側滑的危險性,正常測速約50km/h,刹車式摩擦係數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刹車,刹車期間測(cè)試輪在路麵上滑動。根(gēn)據傳感器所(suǒ)記錄的
力,即可計算製動力係數。該設備在美國是抗滑能力(lì)測試標準設備之一,測試速度高可以達到110km/h。不完全刹車式摩擦係數測試儀的測試輪和行駛輪(lún)之間,用不等直徑的同軸齒(chǐ)輪和鏈條連接,使得(dé)測試輪的滾動線速(sù)度小於行駛輪(lún)的滾動線(xiàn)速度。在正(zhèng)常測試時呈現連滾帶滑的運動狀態,根據力傳感器記錄的數據即可計算路麵(miàn)摩擦係數。該設備在路麵上(shàng)的測試速度為50km/h左右,在歐洲應用較多(duō),由於不是現行(háng)規範規定(dìng)的采集設備,在進行摩擦係數測試時需進行(háng)與擺(bǎi)式儀或(huò)橫向力係數測試儀間的對比試驗,建立兩者之間(jiān)的(de)關係。
目前(qián)在路麵抗(kàng)滑能力測試方麵(miàn)仍主要采用擺式儀,橫向力係數儀已逐漸擁有了相當多的用戶,刹(shā)車式和(hé)不完全刹車式摩擦係(xì)數測試儀目前僅(jǐn)有少數用戶。可以預見,由於在安全性和精度方麵的優勢,自(zì)動化摩擦係數儀在我國將成(chéng)為主流。
路表破損狀況調查
路(lù)表破損狀況往往是道路使用(yòng)者對於路麵施工及養護質量的直(zhí)觀感受,因此,我國各級公路部門對路麵破損(sǔn)狀況一向都比較重視。目前該項指標主要還是依靠(kào)人(rén)工采集,除了主觀性大、效率低外,還存在(zài)很大的安(ān)全隱患。針對(duì)這種狀況,國(guó)內部分單位近年來引進了路表破損測(cè)試係統,其基本原理是通過攝像係統(tǒng)連續采集路表圖像,然後通過後(hòu)處理(lǐ)軟件自動處理與人(rén)工判讀相結合識別,分類與統計路表破損。路表破損(sǔn)測試係(xì)統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(sù)發展(zhǎn),必將成(chéng)為(wéi)廣泛應(yīng)用的設備。
目前,路表破(pò)損測試係統主要有(yǒu)美(měi)國、加(jiā)拿(ná)大等幾(jǐ)個國家的產品,由於進口設備價格較昂貴,國內也有少數單位進行了自主研發並有早期產品投入使用。根據對(duì)此類產(chǎn)品的調查,存在的主要問題包括:(1)目前設(shè)備主要能識(shí)別裂縫類病害,對於擁包、沉陷等三維病(bìng)害尚不能(néng)準確識別;(2)後處理(lǐ)工(gōng)作量較大,由於此類產品尚不能實現破損的自動識別,誤判(pàn)、漏判率較高,如易將距(jù)麵汙染判別為坑槽等(děng),因此需由(yóu)人工後期逐圖(tú)判讀(dú),造成(chéng)處理時間(jiān)過長:(3)人為及(jí)天氣因素對(duì)於測試結果準確性有一定的(de)影響(xiǎng),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(yǐ)改進,重點是表麵破損的自動識(shí)別、歸類,減少誤(wù)判,漏判率,並自(zì)動輸出路麵(miàn)破損率等指標。
路麵厚度、完整性檢測
目前,我國公路路麵厚度測試主要采用取芯法來測定(dìng),同(tóng)時通過人工觀察(chá)判定基層完整性狀(zhuàng)況(kuàng)。隨著電(diàn)磁波技術的發展,路(lù)麵雷(léi)達已經開始(shǐ)在國內外嚐試使用,該技術結合了瞬態電磁(cí)場理論,時(shí)域測量技(jì)術、納秒脈衝源技術、超寬帶天線技術和信號處理技術等多門學科,主要原理(lǐ)是利(lì)用電磁波在路麵結構(gòu)層中的傳播和反射,根據回波時間、波幅與波形,確(què)定厚度,同(tóng)時通過基層鬆散後介電常數(shù)的變化,判(pàn)定基層鬆散率,從而了解基層完整性(xìng)狀況。在此過程中,重點(diǎn)是對路麵介質介電特性進行分析研究,由於雷達接收到的反射波是介質介電特性的函數,對路麵(miàn)雷達圖像數據的解釋、判讀和反演都依(yī)賴於對介質介電性能的分析(xī),因此,介電特性的深入分析是目前雷(léi)達技術應用(yòng)的關鍵技術(shù)點。
路麵(miàn)雷達在工程中的應用剛剛起步,目前國內(nèi)約有20台(tái)左右,這(zhè)些(xiē)設備(bèi)的品牌不同(tóng),主要(yào)產於(yú)美國和歐洲,但(dàn)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。路麵(miàn)雷達已成為路麵無損檢測技術的重(chóng)要(yào)組成部分,並代表了路麵結構層厚度、壓實度,基層狀況、含水量(liàng)、瀝青含量等檢測技術的發展方向。
目前路麵雷(léi)達在(zài)瀝(lì)青混凝土(tǔ)麵層厚度檢測上的精度約為3%,在結構層(céng)完整性如水(shuǐ)泥混凝土板體脫空判定,基層鬆散判定等方麵的研究仍有待於進一步深化。對路麵其它(tā)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於探(tàn)索階段,尚未在工程中廣泛應用。此(cǐ)外,由於實際(jì)情況往往難以客觀(guān)判定,可采(cǎi)用不同的檢測方(fāng)法來相互印證,例如采用落錘式(shì)彎沉儀和路用雷(léi)達聯合探測(cè)板塊脫空情況、基層承載能力狀況(kuàng),從而及時發現路麵結構層中存在的隱患,掌握道(dào)路(lù)的(de)內在(zài)質量和使用壽(shòu)命,指導道(dào)路的養護維修。
路麵雷達的應用,除了雷達天線本身的精度(dù)外,後處(chù)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(yòng)的廣度和深度,應當引(yǐn)起國內用戶足(zú)夠的重視(shì)。各雷達廠(chǎng)家都有配套的後處理軟件,另外也有一些專業性研究所(suǒ)開(kāi)發的更為專業的後處理(lǐ)軟件(jiàn),尤其以美國和芬蘭的研究較深入。
可以認為(wéi),未來(lái)路麵雷達技術推廣應用的速度主要取決於實用軟件的開(kāi)發速度(dù)及深度。
整體(tǐ)而言,新型檢測設(shè)備近幾年來(lái)不斷湧現,為我們(men)提供了更豐富的信息,因此,如何更好(hǎo)地(dì)利用自動化檢測(cè)技術評價路麵使用性能,提出(chū)合理的維修方(fāng)案,將是下一階段檢測設備用戶關注的重點。
路麵檢(jiǎn)測技術的總體趨勢是由人工檢測向自動(dòng)化檢測技術發展,由破(pò)損類檢測向無損(sǔn)檢測(cè)技術(shù)發展,由低速(sù)度(dù)、低精度向(xiàng)高(gāo)速度、高精度發展。近幾年,自(zì)動化路(lù)麵(miàn)無損檢測設備越來越多,與此對應的,圍繞自動化檢測設(shè)備所開展的研究也將在深度上(shàng)得到提高。綜合而言,路麵檢測技術在我國的(de)發展方(fāng)向如下;(1)先進(jìn)無損測試設備用戶越來越多,並逐步實現(xiàn)國內組裝及國產化;(2)圍繞測試技術所展開的研究將逐步深化,尤其是(shì)評價技術,並通過相關實用軟件的市場化來推(tuī)廣;(3)利用多種(zhǒng)無損檢測設備測試結果對路麵狀況進行綜合(hé)評價,並進行養護技術路線決策(cè);(4)各種檢(jiǎn)測(cè)數據直接導入路麵管理係統,實(shí)現(xiàn)信息化管(guǎn)理。