道路工程试验检测技术7 路基路面试验检测新技术与新设备简介
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7 路基路面试验检测新技术与新 设备简介
我国的高速公路通车里程已达１０万ｋｍ对 高速公路要求的检测水平也越来越高。随着科学 技术的突飞猛进，公路检测的新技术和新设备不 断被用于公路工程质量控制和竣工验收，使检测 手段更为方便、快捷，检测精度也更为精确、可 靠。
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７．１
无核密度仪检测压实度
压实度是公路工程质量控制的重要指标，常用 的方法有灌砂法、环刀法、钻芯法等。这些方法可 用于测试各种土或路面材料的密度，操作简单，但 测试速度慢、费时费力。无核密度仪是测定密度的 高效设备，无放射性材料，轻便、操作简单，适用 于快速测定沥青路面各层沥青混合料的密度，并计 算施工压实度，但测定结果不宜用于评定验收或仲 裁。
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７．３ 激光路面断面测试系统 公路路面表面使用性能检测是按公路断面进行 的，所检测的技术指标较多，尽管检测这些技术指 标的设备简单，但劳动强度大、工作效率低。 ７．３．１ 主要设备 ①激光横梁：安装在承载车前端，内含激光传 感器（１～１３个），惯性单元等。 ②主控箱：内含数据采集卡、激光器接口、陀 螺仪接口、加速度仪接口、多路转换器、数字控制 器、电源等。 ③距离解码器：附于承载车后轮。 ④计算机。 ⑤承载车。 10
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７．１．１ 主要设备 ①无核密度仪：内含微处理机。 ②探头：无核、无电容，用于野外测量。 ③标准密度块：供密度标准计数用。 ７．１．２ 工作原理 由于不同材料的介电常数不同，电磁波的传播 速度受介电常数的影响，即使是同一种材料，由于 碾压的密度发生变化，其电磁波在其中的传播速度 也会发生变化。
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７．１．３ 技术要点 ①标定：使用无核密度仪时，必须严格标定。 ②修正值设臵：按照仪器使用说明的规定进行 修正。 ③为了确保精确测量，仪器应与测量面紧密接 触。 ④根据需要选择测量模式进行测式。
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７．２
土工离心试验
在重力场中各种物体受到的重力加速度为ｇ， 在土工结构中，若土体高度为ｈ，土体重度为γ， 则在此高度ｈ处土体受到的自重压力为γｈ，当土 体高度较大时，此重力值将很大。 ７．２．１ 主要设备 土工离心机由主机系统和辅助系统两部分组成 。 ①主机系统：由转动系（包括转臂、吊蓝、模 型箱、平衡配重等）、传动系（包括电机、减速器 、传动支承、主轴等）和控制部分（包括计算机、 控制装臵等）组成，如图７．１所示。
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④测试车速。车速对测试结果有较大影响，车 速太慢会使测试结果失真，太快又难以保证安全， 所以车速宜在５０～８０ｋｍ／ｈ。 ⑤测试车停在测试起点约８０ｍ 处，开启激 光路面断面测试系统，开动测试车朝测试路段的起 点前行，距测试起点约１５ｍ 时，测试车应达到 测试速度（如８０ｋｍ／ｈ），并保证以稳定的 车速进入测试路段。 ⑥当测试车辆驶出测试路段后（终点），测试 人员停止数据采集，并检查测试结果是否完整，否 则需重新测试。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
图７．１ 土工离心机
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②辅助系统：由高性能作动器、伺服阀、缓冲 隔振装臵、冷却装臵、信号接收装臵和油路设施等 部分组成。 ７．２．２ 工作原理 土工离心模型试验的基本原理是：用原型材料 按一定相似比尺制作成模型，臵于由离心机生成的 离心力场中，利用离心机产生的离心加速度，在模 型上施加ｎ倍重力的离心力，补偿模型因缩尺１／ ｎ倍所造成的自重应力的损失。
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７．４．３ 工作原理 雷达是一种宽带、高频电磁波，由发射天线向 路面发射以某一频率为中心的高频电磁波，并在短 时间内穿过路面。电磁波在传播过程中，遇到不同 的介质分界面时，一部分电磁波能量被该种材料吸 收，同时，波在其中产生折射并继续向下传播；另 一部分电磁波能量会转换成反射波返回地面。
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７．４
路面雷达测试系统
路面雷达测试系统，是由多个不同频率的天线 和接收器及电脑等组成。雷达波由自身激振产生， 直接向路基路面发射射频电磁波，通过波的反射与 接收获得路基路面的采样信号，再经过硬件与软件 及图文显示系统，电脑程序便会自动分析公路或桥 面内各层厚度、湿度、空隙、位臵及破损情况。
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图７．２ 路面雷达测试原理
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７．４．４ 雷达路面快速测厚技术 用雷达进行公路路基路面的检测包括多个技术 领域，其中厚度检测是应用最多的项目之一，被广 泛地用于高速公路路基的竣工验收及旧路病害调查 等方面。
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７．２．３ 土工离心模型设计 根据土工离心模型试验原理，在进行土工离心 模型试验时，土工离心模型中的各项参数应与原型 有一定的相似关系，才能保证模型反映原型的性态 ，这种相似关系称为比尺关系。比尺关系可以通过 物理方程或量纲分析确定。
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７．２．４ 测试技术要点 ①模型设计。 ②模型制作、成型及传感器埋设安装。 ③模型重心计算与配重计算。 ④模型及配重件安装。 ⑤开机加载。 ⑥模型的土压力、结构应变、位移测试。 ⑦加载结束，关机。
７．４．１ 主要设备 ①路面探测雷达。 ②不同频率的空气耦合天线。 ③距离量测仪。 ④数据采集与处理系统，包括计算机、显示器 、打印机及数据采集系统。 ⑤Ｗｉｎｄｏｗｓ电脑操作软件：雷达专用软 件包括数据的采集、处理、回放及备份功能、自动 层分析、模量计算及３Ｄ图形软件。 ⑥雷达测试车。
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７．４．２ 雷达测试系统技术要求和参数 ①距离标定误差：≤０．１％。 ②设备工作温度：０～４０℃。 ③最小分辨层厚：≤４０ｍｍ。 ④系统测量精度要求：见表７．３。 ⑤天线：带宽能适应所选择的发射脉冲频率。 ⑥收发器：脉冲宽度≤１．０ｎｓ，时间信号 处理能力可以适应所需的测试深度。
７．３．２ 工作原理 激光路面断面测试系统向路面发射激光，激光 经路面反射后被接收器接收，如果路面高低不平， 则接收器接收到的激光反射时间就不一样，由于激 光能用反射时间差来记录所测量的极短长度，因此 ，可利用激光所走路程的时间差来反算实际长度。
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７．３．３ 测试技术要点 ①测试前应开启测试系统至少１５ｍｉｎ，并 检查设备运行状况，确保测试系统在检查过程中稳 定运行。 ②距离（里程）标定。检测前应选１０００ｍ 的直线段路面对距离解码器进行标定。 ③激光偏移标定。由于从路面到激光断面仪惯 性参照系统的距离是由激光器测量的，为了获得精 确的距离值，最重要的是知道激光的准确位臵，即 偏移。
我国的高速公路通车里程已达１０万ｋｍ对 高速公路要求的检测水平也越来越高。随着科学 技术的突飞猛进，公路检测的新技术和新设备不 断被用于公路工程质量控制和竣工验收，使检测 手段更为方便、快捷，检测精度也更为精确、可 靠。
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７．１
无核密度仪检测压实度
压实度是公路工程质量控制的重要指标，常用 的方法有灌砂法、环刀法、钻芯法等。这些方法可 用于测试各种土或路面材料的密度，操作简单，但 测试速度慢、费时费力。无核密度仪是测定密度的 高效设备，无放射性材料，轻便、操作简单，适用 于快速测定沥青路面各层沥青混合料的密度，并计 算施工压实度，但测定结果不宜用于评定验收或仲 裁。
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７．３ 激光路面断面测试系统 公路路面表面使用性能检测是按公路断面进行 的，所检测的技术指标较多，尽管检测这些技术指 标的设备简单，但劳动强度大、工作效率低。 ７．３．１ 主要设备 ①激光横梁：安装在承载车前端，内含激光传 感器（１～１３个），惯性单元等。 ②主控箱：内含数据采集卡、激光器接口、陀 螺仪接口、加速度仪接口、多路转换器、数字控制 器、电源等。 ③距离解码器：附于承载车后轮。 ④计算机。 ⑤承载车。 10
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７．１．１ 主要设备 ①无核密度仪：内含微处理机。 ②探头：无核、无电容，用于野外测量。 ③标准密度块：供密度标准计数用。 ７．１．２ 工作原理 由于不同材料的介电常数不同，电磁波的传播 速度受介电常数的影响，即使是同一种材料，由于 碾压的密度发生变化，其电磁波在其中的传播速度 也会发生变化。
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７．１．３ 技术要点 ①标定：使用无核密度仪时，必须严格标定。 ②修正值设臵：按照仪器使用说明的规定进行 修正。 ③为了确保精确测量，仪器应与测量面紧密接 触。 ④根据需要选择测量模式进行测式。
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７．２
土工离心试验
在重力场中各种物体受到的重力加速度为ｇ， 在土工结构中，若土体高度为ｈ，土体重度为γ， 则在此高度ｈ处土体受到的自重压力为γｈ，当土 体高度较大时，此重力值将很大。 ７．２．１ 主要设备 土工离心机由主机系统和辅助系统两部分组成 。 ①主机系统：由转动系（包括转臂、吊蓝、模 型箱、平衡配重等）、传动系（包括电机、减速器 、传动支承、主轴等）和控制部分（包括计算机、 控制装臵等）组成，如图７．１所示。
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④测试车速。车速对测试结果有较大影响，车 速太慢会使测试结果失真，太快又难以保证安全， 所以车速宜在５０～８０ｋｍ／ｈ。 ⑤测试车停在测试起点约８０ｍ 处，开启激 光路面断面测试系统，开动测试车朝测试路段的起 点前行，距测试起点约１５ｍ 时，测试车应达到 测试速度（如８０ｋｍ／ｈ），并保证以稳定的 车速进入测试路段。 ⑥当测试车辆驶出测试路段后（终点），测试 人员停止数据采集，并检查测试结果是否完整，否 则需重新测试。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
图７．１ 土工离心机
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②辅助系统：由高性能作动器、伺服阀、缓冲 隔振装臵、冷却装臵、信号接收装臵和油路设施等 部分组成。 ７．２．２ 工作原理 土工离心模型试验的基本原理是：用原型材料 按一定相似比尺制作成模型，臵于由离心机生成的 离心力场中，利用离心机产生的离心加速度，在模 型上施加ｎ倍重力的离心力，补偿模型因缩尺１／ ｎ倍所造成的自重应力的损失。
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７．４．３ 工作原理 雷达是一种宽带、高频电磁波，由发射天线向 路面发射以某一频率为中心的高频电磁波，并在短 时间内穿过路面。电磁波在传播过程中，遇到不同 的介质分界面时，一部分电磁波能量被该种材料吸 收，同时，波在其中产生折射并继续向下传播；另 一部分电磁波能量会转换成反射波返回地面。
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路面雷达测试系统
路面雷达测试系统，是由多个不同频率的天线 和接收器及电脑等组成。雷达波由自身激振产生， 直接向路基路面发射射频电磁波，通过波的反射与 接收获得路基路面的采样信号，再经过硬件与软件 及图文显示系统，电脑程序便会自动分析公路或桥 面内各层厚度、湿度、空隙、位臵及破损情况。
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图７．２ 路面雷达测试原理
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７．４．４ 雷达路面快速测厚技术 用雷达进行公路路基路面的检测包括多个技术 领域，其中厚度检测是应用最多的项目之一，被广 泛地用于高速公路路基的竣工验收及旧路病害调查 等方面。
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７．２．３ 土工离心模型设计 根据土工离心模型试验原理，在进行土工离心 模型试验时，土工离心模型中的各项参数应与原型 有一定的相似关系，才能保证模型反映原型的性态 ，这种相似关系称为比尺关系。比尺关系可以通过 物理方程或量纲分析确定。
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７．２．４ 测试技术要点 ①模型设计。 ②模型制作、成型及传感器埋设安装。 ③模型重心计算与配重计算。 ④模型及配重件安装。 ⑤开机加载。 ⑥模型的土压力、结构应变、位移测试。 ⑦加载结束，关机。
７．４．１ 主要设备 ①路面探测雷达。 ②不同频率的空气耦合天线。 ③距离量测仪。 ④数据采集与处理系统，包括计算机、显示器 、打印机及数据采集系统。 ⑤Ｗｉｎｄｏｗｓ电脑操作软件：雷达专用软 件包括数据的采集、处理、回放及备份功能、自动 层分析、模量计算及３Ｄ图形软件。 ⑥雷达测试车。
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７．４．２ 雷达测试系统技术要求和参数 ①距离标定误差：≤０．１％。 ②设备工作温度：０～４０℃。 ③最小分辨层厚：≤４０ｍｍ。 ④系统测量精度要求：见表７．３。 ⑤天线：带宽能适应所选择的发射脉冲频率。 ⑥收发器：脉冲宽度≤１．０ｎｓ，时间信号 处理能力可以适应所需的测试深度。
７．３．２ 工作原理 激光路面断面测试系统向路面发射激光，激光 经路面反射后被接收器接收，如果路面高低不平， 则接收器接收到的激光反射时间就不一样，由于激 光能用反射时间差来记录所测量的极短长度，因此 ，可利用激光所走路程的时间差来反算实际长度。
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７．３．３ 测试技术要点 ①测试前应开启测试系统至少１５ｍｉｎ，并 检查设备运行状况，确保测试系统在检查过程中稳 定运行。 ②距离（里程）标定。检测前应选１０００ｍ 的直线段路面对距离解码器进行标定。 ③激光偏移标定。由于从路面到激光断面仪惯 性参照系统的距离是由激光器测量的，为了获得精 确的距离值，最重要的是知道激光的准确位臵，即 偏移。