路面无损检测技术1

路面无损检测技术

[摘要] 综合介绍了国内外在路面使用性能无损检测上的最新技术及相关的研究领域。在此基础上，分析了我国在新型检测设备的应用和相关研究方面的现状与不足，探讨了未来的发展趋势。关键词路面无损检测，路面弯沉，抗滑能力，平整度，车辙，表面破损 1 概述路面是公路的重要组成部分，其使用性能直接关系到道路为用户提供的舒适性、安全性、快捷性等服务的水平，关系到道路本身的使用寿命。因此，必须加强对路面的养护管理，确保提供可接受的服务水平。自20世纪60、70年代以来，许多国家都陆续建立了较为完善的道路养护管理系统，这些系统的建立有效地保证了养护的科学性，但普遍面临数据采集手段相对落后的问题：大量的设备在使用时费时、费力、对交通影响大，有些还要破坏路面结构的完整性，而且数据的精度也难以得到保证。为此，各国针对道路检测技术开展了深入研究，并且随着计算机技术、自动化控制技术、高精度测微技术的进步，在最近的20年里有突破的进展。我国从20世纪80年代后期开始，通过设备与技术引进和自主开发，在路面检测方面也有了巨大的发展。本文在国内外考察与研究的基础上，总结了路面主要无损检测技术和相关研究的最新进展，分析了在我国的应用与研究情况及发展趋势。2 检测技术与相关研究2.1 弯沉测试落锤式弯沉仪（fwd）是目前应用较为广泛的弯沉检测设备，代表了弯沉检测的发展方向。它的基本原理是通过液压系统提升和释放荷载块对路面施加冲击荷载，荷载大小由落锤质量和起落高度控制，荷载时程和动态弯沉盆均由相应的传感器测定。20世纪60年代，法国首先提出冲击式动力弯沉仪的初步设想，70年代后期丹麦和瑞典首先研制成fwd。80年代以后，美国、英国和日本等相继引进和仿制了这种弯沉仪。研究表明，fwd的冲击荷载与时速60～80公里的车辆对路面的荷载相似，可以较好地模拟行车荷载作用，并且测速快，精度高，因此自20世纪80年代初以来，fwd在国际上得到日益广泛的应用，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；壳牌石油公司也已正式将fwd的应用纳入壳牌路面设计手册[1]。美国早在1994年就有80%的州拥有至少一台fwd，我国到2001年底有约40台fwd在各地使用，并且用户数还在不断地增加。继fwd之后，新一代弯沉仪rwd（rolling wheel deflectometer 滚轮式弯沉仪）正处于研究阶段。它是采用高频激光扫描，连续地记录行驶中的测试车在路表产生的弯沉，测试速度约55英里/小时。目前主要有dynatest（丹麦）与quest integrated（美国）合作、美国密西西比州的ara (applied research associates)公司和瑞典的rdt等机构从事rwd 的研制工作，第一代产品已经问世，精度适合于路网普查。rwd的最大优点是：所记录的是真实受力状态、而不是模拟荷载状态下的弯沉，并且测速远大于fwd，因此对交通的影响较小，是较为理想的弯沉检测设备，因此是此类设备的重要发展方向。得克萨斯大学开发的rdd（rolling dynamic wheel deflectometer 滚动动力弯沉仪）的加载原理与rwd相似，但弯沉的测量采用的是滚动式弯沉传感器。它的测试速度约2.5km/h，可以同时提供路表破损摄像。rdd的主要优点是连续测量，信息量大，但由于测试速度慢等原因，用户很少。在美国，拥有fwd的用户绝大部分都配套使用分析软件，最常用的为darwin、aashto、modulus、evercalc、illiback、everpave等，主要分析功能是性能评价和罩面设计。这与我国的情况有较大区别，据了解，我国绝大部分fwd用户单位没有配套的分析软件，fwd也仅作为一种高精度的弯沉测量仪器在使用，仅有少数研究性单位在进行深入探讨。国内外围绕着fwd所开展的研究主要包括：更可靠的模量反演技术。通过对fwd所测弯沉盆数据的分析，反演路面结构层的弹性模量。目前的重点和需要解决的问题包括路面结构力学特性的模拟、反分析的适定性（存在性、唯一性、稳定性）、反演结果的验证与应用等。与加速路面试验（apt）相结合的试验研究。在试验路上进行加速破坏试验，路面结构内设置各种传感器，测试应力、应变、温度、含水量等信息。在试验过程中，采用fwd进行弯沉检测、模量反演、性能评价及剩余寿命预测等试验和分析，并与荷载重复作用次数、应力、应变、表面破损等信息建立联系，从而修正fwd的性能评价和剩余寿命预测方法。2.2 断面测试（平整度与车辙）路面断面测试主要用于计算两个指标，平整度（纵断面）和车辙（横断面）。其中平整度是评定路面质量的重要指标，是道路使用者判断道路好坏的直接依据。在20世纪70、80年代，平整度测量设备主要是水平仪、三米直尺等，测试精度低、速度慢，一般只能抽样调查；到90年代初，检测手段有一定的提高，如连续式平整度仪，但仍存在可重复性差、测试速度慢的缺点。而车辙的产生将对行车安全带来重大影响，尤其是在雨后的高速公路上，常用的检测设备是

路面横断面仪和横断面尺。90年代中、后期，连续式激光断面仪在我国逐渐得到应用，是目前最先进的平整度和车辙检测设备，正常测试速度为80km/h，并且同时还可以测量横坡、纵坡、转弯曲率等指标[2]，目前在国内约有近20台。激光断面仪的基本原理是：通过横向分布的若干个（国内通常为5~9个）激光传感器测试距离路面的高度，得到一个横断面，从而可以计算车辙；通过对应于轮迹位置的激光传感器测得距离路面的高度，随着车辆的行驶可以得到路面纵向断面，即可计算纵向平整度，其中车辆振动带来的影响通过加速度传感器（对应左右轮迹各一个）记录数据的两次积分来扣除；惯性运动传感器（1个）可以反映水平纵向、水平横向和竖向的角度。围绕激光断面仪所展开的研究主要是：

平整度测试的可重复性、可再现性研究。对同一个测试路段，采用同一个设备进行多次测量，各次数据间的吻合性称为可重复性；对同一个测试路段，采用原理相同或类似的不同设备进行测量，数据间的吻合性称为可再现性。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，在其所使用的主流设备类型和品牌之间建立了相关关系。目前在我国使用的激光断面仪有多种品牌，有的一种品牌还有第一代产品和第二代产品，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就不得而知。

激光传感器个数和车辙测试精度的关系。由于激光断面仪是一种离散的车辙检测设备，通常用若干个点的连线来代表横断面，同时，其测试宽度小于一个车道的宽度。因此，它所反映的道路横断面是近似的，由此所计算的车辙也必然是近似的。美国的ltpp项目认为沿横向分布3个传感器的断面仪不能用于车辙测量，配置5个传感器后测试结果仍与横向连续测试的结果有较大差异，但相关性较好，相关系数为80%，建议在修正后用于路网普查；美国得州运输部的研究表明，5个传感器的测试结果约为连续测量结果的80%，并推荐横向每100mm配置一个传感器，这样精度可以达到95%[3]。由于激光传感器价格昂贵，横向每100mm配置一个是不经济的。目前在加拿大出现了两种不同的车辙检测设备，可以较好地解决这个问题：一种是在轮迹处仍采用激光传感器测试平整度，而其它位置采用密布超声波传感器代替激光传感器，由于超声波传感器的价格只有激光传感器的几十分之一，虽然单个传感器的测试精度有所降低，但用于绘制横断面和计算车辙是足够精确和经济的；另一种是用两个激光束接发器发射激光束，横向连续覆盖整个车道，因此精度是相当高的。两种设备在配置完整的情况下均可以同时高速采集平整度数据。2.3 抗滑能力测试目前车载或车牵引的高速自动化路面抗滑能力测试设备主要有三种：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。横向力系数测试仪是在我国应用最为广泛的自动摩擦系数仪，20世纪90年代中期实现了国产化[4]。该设备的基本原理是设定试验轮与行车方向成一定角度，以便产生一个同试验轮平面垂直的横向力，该横向力与试验轮对路面荷载的比值即为横向力系数，横向力系数反映的是车辆在路面上侧滑的危险性，正常测试速度约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，尤其在机场道面的抗滑能力测试方面。我国目前在路面抗滑能力测试方面仍主要采用摆式摩擦系数仪，进口的和国产的都有；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极少数用户。很明显地，摆式摩擦系数仪已经越来越不适应我国高速公路建设的需要，一方面该测试方法对交通的影响较大，存在不安全因素，另一方面它不能较好地反映路面的宏观纹理构造对摩擦系数的影响，而宏观纹理构造是高速公路路面抗滑能力的决定因素。因此，应当大力推广自动化的抗滑能力测试仪在中国的应用。

2.4 路表破损采集路面表面破损率是路面养护决策的重要指标，也是群众评价公路管理部门工作效率的最直观依据。我国各级公路管理部门对表面破损一向都比较重视，但该项指标的数据采集工作是一个令人头疼的问题，目前还主要依靠人工采集，除了主观性大、效率低外，也存在很大的安全隐患，尤其在高速公路上。国内少数单位在20世纪90年代中后期以来陆续引进了路表破损数字图像采集系统，它的基本原理是采用车载式数字摄像系统连续高速采集路表的图像，然后在室内通过后处理软件自动处理与人工判读相