路面检测技术的应用与发展趋势
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。