无损检测之路面无损检测技能新发展

1 概述

自20世纪60、70年代以来，许多国家都接连树立了较为完善的路途维护办理体系，这些体系的树立有效地确保了维护的科学性，但遍及面对数据收集手法相对落后的问题：许多的设备在运用时费时、吃力、对交通影响大，有些还要损坏路面结构的完好性，而且数据的精度也难以得到确保。为此，各国针对路途检测技能打开了深化研讨，而且跟着核算机技能、主动化操控技能、高精度测微技能的前进，在最近的20年里有打破的打开。我国从20世纪80年代后期开端，经过设备与技能引入和自主开发，在路面检测方面也有了巨大的打开。本文在国内外查询与研讨的基础上，总结了路面首要无损检测技能和相关研讨的最新打开，剖析了在我国的运用与研讨状况及打开趋势。
2无损检测技能与相关研讨
2.1 弯沉测验 落锤式弯沉仪（FWD）是现在运用较为广泛的弯沉检测设备，代表了弯沉检测的打开方向。它的根本原理是经过液压体系前进和开释荷载块对路面施加冲击荷载，荷载巨细由落锤质量和起落高度操控，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，法国首要提出冲击式动力弯沉仪的开端想象，70年代后期丹麦和瑞典首要研发成FWD。80年代今后，美国、英国和日本等相继引入和拷贝了这种弯沉仪。研讨标明，FWD的冲击荷载与时速60～80公里的车辆对路面的荷载相似，能够较好地模仿行车荷载效果，而且测速快，精度高，因而自20世纪80年代初以来，FWD在国际上得到日益广泛的运用，至今已有50多个国家和地区引入了FWD。美国联邦公路局经过比照剖析，承认FWD是较抱负的路面承载才能鉴定设备，并选为施行SHRP计划中路面承载才能鉴定部分的重要设备；壳牌石油公司也已正式将FWD的运用归入壳牌路面规划手册[1]。美国早在1994年就有80%的州具有至少一台FWD，我国到2001年末有约40台FWD在各地运用，而且用户数还在不断地添加。 继FWD之后，新一代弯沉仪RWD（Rolling Wheel Deflectometer 滚轮式弯沉仪）正处于研讨阶段。它是选用高频激光扫描，接连地记载行进中的测验车在路表发生的弯沉，测验速度约55英里/小时。现在首要有Dynatest（丹麦）与Quest Integrated（美国）协作、美国密西西比州的ARA (Applied Research Associates)公司和瑞典的RDT等组织从事RWD的研发作业，第一代产品现已面世，精度适合于路网普查。RWD的最大长处是：所记载的是实在受力状况、而不是模仿荷载状况下的弯沉，而且测速远大于FWD，因而对交通的影响较小，是较为抱负的弯沉检测设备，因而是此类设备的重要打开方向。 得克萨斯大学开发的RDD（Rolling Dynamic Wheel Deflectometer 翻翻滚力弯沉仪）的加载原理与RWD相似，但弯沉的丈量选用的是翻滚式弯沉传感器。它的测验速度约2.5Km/h，能够一起供给路表破损摄像。RDD的首要长处是接连丈量，信息量大，但因为测验速度慢等原因，用户很少。 在美国，具有FWD的用户绝大部分都配套运用剖析软件，最常用的为DARWIN、AASHTO、MODULUS、EVERCALC、ILLIBACK、EVERPAVE等，首要分析功用是功能点评和罩面规划。这与我国的状况有较大差异，据了解，我国绝大部分FWD用户单位没有配套的剖析软件，FWD也仅作为一种高精度的弯沉丈量仪器在运用，仅有少量研讨性单位在进行深化探讨。 国内外环绕着FWD所打开的研讨首要包含： 更牢靠的模量反演技能。经过对FWD所测弯沉盆数据的剖析，反演路面结构层的弹性模量。现在的要点和需求处理的问题包含路面结构力学特性的模仿、反剖析的适定性（存在性、唯一性、稳定性）、反演效果的验证与运用等。 与加快路面实验（APT）相结合的实验研讨。在实验路上进行加快损坏实验，路面结构内设置各种传感器，测验应力、应变、温度、含水量等信息。在实验过程中，选用FWD进行弯沉检测、模量反演、功能点评及剩下寿数猜测等实验和剖析，并与荷载重复效果次数、应力、应变、外表破损等信息树立联络，然后批改FWD的功能点评和剩下寿数猜测办法。
2.2 断面测验（平整度与车辙）路面断面测验首要用于核算两个方针，平整度（纵断面）和车辙（横断面）。其间平整度是鉴定路面质量的重要方针，是路途运用者判别路途好坏的直接依据。在20世纪70、80年代，平整度丈量设备首要是水平仪、三米直尺等，测验精度低、速度慢，一般只能抽样查询；到90年代初，检测手法有必定的前进，如接连式平整度仪，但仍存在可重复性差、测验速度慢的缺陷。而车辙的发生将对行车安全带来严重影响，特别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，接连式激光断面仪在我国逐渐得到运用，是现在最先进的平整度和车辙检测设备，正常测验速度为80km/h，而且一起还能够丈量横坡、纵坡、转弯曲率等方针[2]，现在在国内约有近20台。 激光断面仪的根本原理是：经过横向散布的若干个（国内一般为5~9个）激光传感器测验间隔路面的高度，得到一个横断面，然后能够核算车辙；经过对应于轮迹方位的激光传感器测得间隔路面的高度，跟着车辆的行进能够得到路面纵向断面，即可核算纵向平整度，其间车辆振荡带来的影响经过加快度传感器（对应左右轮迹各一个）记载数据的两次积分来扣除；惯性运动传感器（1个）能够反映水平纵向、水平横向和竖向的视点。 环绕激光断面仪所打开的研讨首要是：平整度测验的可重复性、可再现性研讨。对同一个测验路段，选用同一个设备进行屡次丈量，各次数据间的符合性称为可重复性；对同一个测验路段，选用原理相同或相似的不同设备进行丈量，数据间的符合性称为可再现性。欧洲和美国均进行过较大规划的可重复性和可再现性研讨，在其所运用的干流设备类型和品牌之间树立了相关联系。现在在我国运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，这些设备现已开端许多运用，但因为尚没有进行体系的可再现性研讨，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验精度的联系。因为激光断面仪是一种离散的车辙检测设备，一般用若干个点的连线来代表横断面，一起，其测验宽度小于一个车道的宽度。因而，它所反映的路途横断面是近似的，由此所核算的车辙也必定是近似的。美国的LTPP项目以为沿横向散布3个传感器的断面仪不能用于车辙丈量，装备5个传感器后测验效果仍与横向接连测验的效果有较大差异，但相关性较好，相联系数为80%，主张在批改后用于路网普查；美国得州运输部的研讨标明，5个传感器的测验效果约为接连丈量效果的80%，并引荐横向每100mm装备一个传感器，这样精度能够到达95%[3]。 因为激光传感器价格昂贵，横向每100mm装备一个是不经济的。现在在加拿大呈现了两种不同的车辙检测设备，能够较好地处理这个问题：一种是在轮迹处仍选用激光传感器测验平整度，而其它方位选用布满超声波传感器代替激光传感器，因为超声波传感器的价格只要激光传感器的几十分之一，尽管单个传感器的测验精度有所下降，但用于制作横断面和核算车辙是满足准确和经济的；另一种是用两个激光束接发器发射激光束，横向接连掩盖整个车道，因而精度是适当高的。两种设备在装备完好的状况下均能够一起高速收集平整度数据。
2.3 抗滑才能测验现在车载或车牵引的高速主动化路面抗滑才能测验设备首要有三种：横向力系数测验仪、刹车式摩擦系数测验仪、不完全刹车式摩擦系数测验仪。横向力系数测验仪是在我国运用最为广泛的主动摩擦系数仪，20世纪90年代中期完成了国产化[4]。该设备的根本原理是设定实验轮与行车方向成必定视点，以便发生一个同实验轮平面笔直的横向力，该横向力与实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，正常测验速度约50Km/h；刹车式摩擦系数测验仪是在行进的过程中，每间隔指定的间隔主动对测验轮刹车，刹车期间测验轮在路面上滑动，依据传感器所记载的力，即可核算制动力系数。该设备在美国是抗滑才能测验规范设备之一，测验速度最高能够到达110Km/h；不完全刹车式摩擦系数测验仪的测验轮和行进轮之间用不等直径的同轴齿轮和链条衔接，使得测验轮的翻滚线速度小于行进轮的翻滚线速度，在正常测验时呈现连滚带滑的运动状况，依据力传感器记载的数据即可核算路面摩擦系数。该设备在路面上的测验速度为50Km/h左右，在欧洲运用较多，特别在机场道面的抗滑才能测验方面。 我国现在在路面抗滑才能测验方面仍首要选用摆式摩擦系数仪，进口的和国产的都有；横向力系数仪已逐渐具有了适当多的用户；刹车式和不完全刹车式摩擦系数测验仪现在仅有极少量用户。很明显地，摆式摩擦系数仪现已越来越不适应我国高速公路建造的需求，一方面该测验办法对交通的影响较大，存在不安全要素，另一方面它不能较好地反映路面的微观纹路结构对摩擦系数的影响，而微观纹路结构是高速公路路面抗滑才能的决议要素。因而，应当大力推行主动化的抗滑才能测验仪在我国的运用。
2.4 路表破损收集路面外表破损率是路面维护决议计划的重要方针，也是大众点评公路办理部门作业功率的最直观依据。我国各级公路办理部门对外表破损一贯都比较注重，但该项方针的数据收集作业是一个令人头疼的问题，现在还首要依托人工收集，除了主观性大、功率低外，也存在很大的安全隐患，特别在高速公路上。国内少量单位在20世纪90年代中后期以来接连引入了路表破损数字图画收集体系，它的根本原理是选用车载式数字摄像体系接连高速收集路表的图画，然后在室内经过后处理软件主动处理与人工判读相结合，辨认、分类与计算路表破损。 路表破损摄像体系极大地前进了作业功率，避免了高速公路人工破损查询的危险性，跟着我国高速公路建造的快速打开，必将成为广泛运用的设备。因为市场需求的许多存在和进口设备的价格居高不下，国内有几家研讨单位开端国产化的探究，并已有原型机面世。依据对该设备用户的查询了解，路表破损摄像体系在运用中的不方便之处首要是室内后处理的作业量较大。因为现阶段厂家供给的后处理软件在图画的主动辨认方面存在误判、漏判及难以断定等现象，有必要由人工来辅佐处理，这种状况下作业人员所面对的图画数量是巨大的。针对这一问题，该设备制造商和国内的研发单位现在的作业要点是外表破损的主动辨认、归类，并主动输出路面破损率（DR）、路面状况指数（PCI）等方针，生成路面破损表格。 路表三维激光可视化体系是一种新式的路表破损数据收集体系，该体系选用激光传感器（横向4个，纵向两个）跟着车辆的高速行进，接连扫描一个车道，得到路表的三维可视图，并实时处理，经过对该图的剖析，可得到裂缝、变形、松懈及泛油等各种病害；一起，还能够测验平整度和车辙。与数字图画体系比较，激光三维可视化体系的优势是能够较好地反映变形类破损，剖析不受暗影的影响，收集数据准确度较高；缺陷是数据量大，硬件要求高，价格较高，约100万美元。现在该类型的设备在国际上的用户十分少，在国内还没有用户。
2.5 路面雷达测验路面雷达是运用电磁波在路面结构层和路基中的传达和反射，依据回波的传达时刻、波幅与波形，确认方针体的空间方位或结构。用于路面测验最早呈现于20世纪70年代，80年代后期在设备技能上和运用水平上有很大的前进。路面雷达的测验速度与采样频率直接相关，一般约60Km/h左右。现在国内约有20台路面雷达，而且每年都在添加，这些设备的品牌不同，首要产于美国和欧洲，但测验原理根本相同。能够说，路面雷达为路面厚度测验、相对高含水区域检测、结构层完好性断定等供给了难以代替的手法。 现在的路面雷达在沥青砼面层厚度检测上的精度约为3%，在水泥砼面层厚度检测上的精度约为5%；在结构层完好性，如水泥砼板的脱空断定、桥面铺装的剥离等方面的研讨仍有待于进一步深化，因为实践状况往往难以客观断定，往往选用不同的检测办法来彼此印证，例如用落锤式弯沉仪与路面雷达一起作脱空断定，用红外热成像仪和路面雷达一起作桥面铺装剥离断定，但这方面的国内外研讨效果较少，仅有的少量效果也多没有得出相关性杰出的定论。 路面雷达的运用，除了雷达天线自身的精度外，后处理软件也十分要害，能够说，设备供给了检测的手法，而软件决议了运用的广度和深度，应当引起国内用户满足的注重。各雷达厂家都有配套的后处理软件，别的也有一些专业性研讨所开发的更为专业的后处理软件，特别以美国和芬兰的研讨较深化。别的，依据雷达测验数据剖析路面结构的压实度和含水量也是一个研讨方向，现在国内尚没有见到揭露宣布的实践运用状况的论文或陈述。 3 数据剖析与点评现在我国的公路科研和办理部门在归纳各项检测方针，剖析路面病害原因，点评其运用功能，并提出相应的维护办法方面现已树立了自己的体系。但近年来前期建造的路途开端进入了大中修或改建的高峰期，新建高速公路的一些路段也呈现了前期损坏；与此一起，新式检测设备不断涌现，供给了更丰厚、更准确的信息。因而，怎么更好地运用主动化的无损检测技能和剖析办法，点评路面运用功能，深化剖析病害发生的原因，以提出经济上优化、技能上合理可行的修理计划，关于发明更好的社会效益和经济效益是至关重要的。美国、加拿大、芬兰、荷兰等国在这方面的研讨较为老练，已开发了一批专家体系软件，并结合路面运用功能退化机理、力学剖析、寿数周期费用剖析等理论，树立了集病害原因剖析的力学～经历办法、根据经济剖析的路面维护及补强规划优化办法为一体的体系化的剖析理论。
而在我国，现在大多数主动化检测设备的用户尚停留在简略运用的层次上，仅有单个单位在进行彼此独立的研讨。发生这种现象的首要原因是：
1 大部分用户单位科研力气较弱；
2 主动化检测设备价格昂贵，许多科研单位限于资金问题尚没有购买，或仅有一、两种；
3 科研单位的研讨效果在体系化、集成化和市场化上不行，因而难以推行。跟着我国高等级公路建造的一日千里，以及公路办理机制、科研单位体系的变革，对公路维护办理水平，科研单位的科技、市场竞争力的要求越来越高，信任这种状况将很快呈现改变。
4 小结路途检测技能的整体趋势是：由人工检测向主动化检测技能打开，由破损类检测向无损检测技能打开，由低速度、低精度向高速度、高精度打开。最近几年，主动化路面无损检测设备在我国越来越多，这与咱们的公路建造事业的打开是相对应的。与此对应的，环绕主动化检测设备所打开的研讨也将在深度和归纳性上得到加强。能够以为，
路途无损检测技能及路面运用功能点评在我国的打开方向为：
1）测验设备的需求量越来越大，用户越来越多，并逐渐完成国内拼装及国产化；
2）环绕测验技能所打开的研讨逐渐深化，并经过相关软件的市场化来推行；
3）集成多种设备检测效果的路面运用功能点评与病害原因剖析、维护与改建办法的专家体系的运用，或直接集成到路面办理体系中。