無損檢測之路面無損檢測技術(shù)新發(fā)展

自20世紀(jì)60、70年代以來，許多國家都陸續(xù)建立了較為完善的道路養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的建立有效地保證了養(yǎng)護(hù)的科學(xué)性，但普遍面臨數(shù)據(jù)采集手段相對落后的問題：大量的設(shè)備在使用時(shí)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、對交通影響大，有些還要破壞路面結(jié)構(gòu)的完整性，而且數(shù)據(jù)的精度也難以得到保證。為此，各國針對道路檢測技術(shù)開展了深入研究，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、高精度測微技術(shù)的進(jìn)步，在最近的20年里有突破的進(jìn)展。我國從20世紀(jì)80年代后期開始，通過設(shè)備與技術(shù)引進(jìn)和自主開發(fā)，在路面檢測方面也有了巨大的發(fā)展。本文在國內(nèi)外考察與研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了路面主要無損檢測技術(shù)和相關(guān)研究的最新進(jìn)展，分析了在我國的應(yīng)用與研究情況及發(fā)展趨勢。
2無損檢測技術(shù)與相關(guān)研究
2.1 彎沉測試 落錘式彎沉儀（FWD）是目前應(yīng)用較為廣泛的彎沉檢測設(shè)備，代表了彎沉檢測的發(fā)展方向。它的基本原理是通過液壓系統(tǒng)提升和釋放荷載塊對路面施加沖擊荷載，荷載大小由落錘質(zhì)量和起落高度控制，荷載時(shí)程和動(dòng)態(tài)彎沉盆均由相應(yīng)的傳感器測定。20世紀(jì)60年代，法國首先提出沖擊式動(dòng)力彎沉儀的初步設(shè)想，70年代后期丹麥和瑞典首先研制成FWD。80年代以后，美國、英國和日本等相繼引進(jìn)和仿制了這種彎沉儀。研究表明，F(xiàn)WD的沖擊荷載與時(shí)速60～80公里的車輛對路面的荷載相似，可以較好地模擬行車荷載作用，并且測速快，精度高，因此自20世紀(jì)80年代初以來，F(xiàn)WD在國際上得到日益廣泛的應(yīng)用，至今已有50多個(gè)國家和地區(qū)引進(jìn)了FWD。美國聯(lián)邦公路局經(jīng)過對比分析，確認(rèn)FWD是較理想的路面承載能力評定設(shè)備，并選為實(shí)施SHRP計(jì)劃中路面承載能力評定部分的重要設(shè)備；殼牌石油公司也已正式將FWD的應(yīng)用納入殼牌路面設(shè)計(jì)手冊[1]。美國早在1994年就有80%的州擁有至少一臺FWD，我國到2001年底有約40臺FWD在各地使用，并且用戶數(shù)還在不斷地增加。 繼FWD之后，新一代彎沉儀RWD（Rolling Wheel Deflectometer 滾輪式彎沉儀）正處于研究階段。它是采用高頻激光掃描，連續(xù)地記錄行駛中的測試車在路表產(chǎn)生的彎沉，測試速度約55英里/小時(shí)。目前主要有Dynatest（丹麥）與Quest Integrated（美國）合作、美國密西西比州的ARA (Applied Research Associates)公司和瑞典的RDT等機(jī)構(gòu)從事RWD的研制工作，第一代產(chǎn)品已經(jīng)問世，精度適合于路網(wǎng)普查。RWD的最大優(yōu)點(diǎn)是：所記錄的是真實(shí)受力狀態(tài)、而不是模擬荷載狀態(tài)下的彎沉，并且測速遠(yuǎn)大于FWD，因此對交通的影響較小，是較為理想的彎沉檢測設(shè)備，因此是此類設(shè)備的重要發(fā)展方向。 得克薩斯大學(xué)開發(fā)的RDD（Rolling Dynamic Wheel Deflectometer 滾動(dòng)動(dòng)力彎沉儀）的加載原理與RWD相似，但彎沉的測量采用的是滾動(dòng)式彎沉傳感器。它的測試速度約2.5Km/h，可以同時(shí)提供路表破損攝像。RDD的主要優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)測量，信息量大，但由于測試速度慢等原因，用戶很少。 在美國，擁有FWD的用戶絕大部分都配套使用分析軟件，最常用的為DARWIN、AASHTO、MODULUS、EVERCALC、ILLIBACK、EVERPAVE等，主要分析功能是性能評價(jià)和罩面設(shè)計(jì)。這與我國的情況有較大區(qū)別，據(jù)了解，我國絕大部分FWD用戶單位沒有配套的分析軟件，F(xiàn)WD也僅作為一種高精度的彎沉測量儀器在使用，僅有少數(shù)研究性單位在進(jìn)行深入探討。 國內(nèi)外圍繞著FWD所開展的研究主要包括： 更可靠的模量反演技術(shù)。通過對FWD所測彎沉盆數(shù)據(jù)的分析，反演路面結(jié)構(gòu)層的彈性模量。目前的重點(diǎn)和需要解決的問題包括路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的模擬、反分析的適定性（存在性、唯一性、穩(wěn)定性）、反演結(jié)果的驗(yàn)證與應(yīng)用等。 與加速路面試驗(yàn)（APT）相結(jié)合的試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)路上進(jìn)行加速破壞試驗(yàn)，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置各種傳感器，測試應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、含水量等信息。在試驗(yàn)過程中，采用FWD進(jìn)行彎沉檢測、模量反演、性能評價(jià)及剩余壽命預(yù)測等試驗(yàn)和分析，并與荷載重復(fù)作用次數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變、表面破損等信息建立聯(lián)系，從而修正FWD的性能評價(jià)和剩余壽命預(yù)測方法。
2.2 斷面測試（平整度與車轍）路面斷面測試主要用于計(jì)算兩個(gè)指標(biāo)，平整度（縱斷面）和車轍（橫斷面）。其中平整度是評定路面質(zhì)量的重要指標(biāo)，是道路使用者判斷道路好壞的直接依據(jù)。在20世紀(jì)70、80年代，平整度測量設(shè)備主要是水平儀、三米直尺等，測試精度低、速度慢，一般只能抽樣調(diào)查；到90年代初，檢測手段有一定的提高，如連續(xù)式平整度儀，但仍存在可重復(fù)性差、測試速度慢的缺點(diǎn)。而車轍的產(chǎn)生將對行車安全帶來重大影響，尤其是在雨后的高速公路上，常用的檢測設(shè)備是路面橫斷面儀和橫斷面尺。90年代中、后期，連續(xù)式激光斷面儀在我國逐漸得到應(yīng)用，是目前最先進(jìn)的平整度和車轍檢測設(shè)備，正常測試速度為80km/h，并且同時(shí)還可以測量橫坡、縱坡、轉(zhuǎn)彎曲率等指標(biāo)[2]，目前在國內(nèi)約有近20臺。 激光斷面儀的基本原理是：通過橫向分布的若干個(gè)（國內(nèi)通常為5~9個(gè)）激光傳感器測試距離路面的高度，得到一個(gè)橫斷面，從而可以計(jì)算車轍；通過對應(yīng)于輪跡位置的激光傳感器測得距離路面的高度，隨著車輛的行駛可以得到路面縱向斷面，即可計(jì)算縱向平整度，其中車輛振動(dòng)帶來的影響通過加速度傳感器（對應(yīng)左右輪跡各一個(gè)）記錄數(shù)據(jù)的兩次積分來扣除；慣性運(yùn)動(dòng)傳感器（1個(gè)）可以反映水平縱向、水平橫向和豎向的角度。 圍繞激光斷面儀所展開的研究主要是：平整度測試的可重復(fù)性、可再現(xiàn)性研究。對同一個(gè)測試路段，采用同一個(gè)設(shè)備進(jìn)行多次測量，各次數(shù)據(jù)間的吻合性稱為可重復(fù)性；對同一個(gè)測試路段，采用原理相同或類似的不同設(shè)備進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)間的吻合性稱為可再現(xiàn)性。歐洲和美國均進(jìn)行過較大規(guī)模的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性研究，在其所使用的主流設(shè)備類型和品牌之間建立了相關(guān)關(guān)系。目前在我國使用的激光斷面儀有多種品牌，有的一種品牌還有第一代產(chǎn)品和第二代產(chǎn)品，這些設(shè)備已經(jīng)開始大量使用，但由于尚沒有進(jìn)行系統(tǒng)的可再現(xiàn)性研究，不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)的可比性就不得而知。激光傳感器個(gè)數(shù)和車轍測試精度的關(guān)系。由于激光斷面儀是一種離散的車轍檢測設(shè)備，通常用若干個(gè)點(diǎn)的連線來代表橫斷面，同時(shí)，其測試寬度小于一個(gè)車道的寬度。因此，它所反映的道路橫斷面是近似的，由此所計(jì)算的車轍也必然是近似的。美國的LTPP項(xiàng)目認(rèn)為沿橫向分布3個(gè)傳感器的斷面儀不能用于車轍測量，配置5個(gè)傳感器后測試結(jié)果仍與橫向連續(xù)測試的結(jié)果有較大差異，但相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為80%，建議在修正后用于路網(wǎng)普查；美國得州運(yùn)輸部的研究表明，5個(gè)傳感器的測試結(jié)果約為連續(xù)測量結(jié)果的80%，并推薦橫向每100mm配置一個(gè)傳感器，這樣精度可以達(dá)到95%[3]。 由于激光傳感器價(jià)格昂貴，橫向每100mm配置一個(gè)是不經(jīng)濟(jì)的。目前在加拿大出現(xiàn)了兩種不同的車轍檢測設(shè)備，可以較好地解決這個(gè)問題：一種是在輪跡處仍采用激光傳感器測試平整度，而其它位置采用密布超聲波傳感器代替激光傳感器，由于超聲波傳感器的價(jià)格只有激光傳感器的幾十分之一，雖然單個(gè)傳感器的測試精度有所降低，但用于繪制橫斷面和計(jì)算車轍是足夠精確和經(jīng)濟(jì)的；另一種是用兩個(gè)激光束接發(fā)器發(fā)射激光束，橫向連續(xù)覆蓋整個(gè)車道，因此精度是相當(dāng)高的。兩種設(shè)備在配置完整的情況下均可以同時(shí)高速采集平整度數(shù)據(jù)。
2.3 抗滑能力測試目前車載或車牽引的高速自動(dòng)化路面抗滑能力測試設(shè)備主要有三種：橫向力系數(shù)測試儀、剎車式摩擦系數(shù)測試儀、不完全剎車式摩擦系數(shù)測試儀。橫向力系數(shù)測試儀是在我國應(yīng)用最為廣泛的自動(dòng)摩擦系數(shù)儀，20世紀(jì)90年代中期實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化[4]。該設(shè)備的基本原理是設(shè)定試驗(yàn)輪與行車方向成一定角度，以便產(chǎn)生一個(gè)同試驗(yàn)輪平面垂直的橫向力，該橫向力與試驗(yàn)輪對路面荷載的比值即為橫向力系數(shù)，橫向力系數(shù)反映的是車輛在路面上側(cè)滑的危險(xiǎn)性，正常測試速度約50Km/h；剎車式摩擦系數(shù)測試儀是在行駛的過程中，每間隔指定的距離自動(dòng)對測試輪剎車，剎車期間測試輪在路面上滑動(dòng)，根據(jù)傳感器所記錄的力，即可計(jì)算制動(dòng)力系數(shù)。該設(shè)備在美國是抗滑能力測試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一，測試速度最高可以達(dá)到110Km/h；不完全剎車式摩擦系數(shù)測試儀的測試輪和行駛輪之間用不等直徑的同軸齒輪和鏈條連接，使得測試輪的滾動(dòng)線速度小于行駛輪的滾動(dòng)線速度，在正常測試時(shí)呈現(xiàn)連滾帶滑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)力傳感器記錄的數(shù)據(jù)即可計(jì)算路面摩擦系數(shù)。該設(shè)備在路面上的測試速度為50Km/h左右，在歐洲應(yīng)用較多，尤其在機(jī)場道面的抗滑能力測試方面。 我國目前在路面抗滑能力測試方面仍主要采用擺式摩擦系數(shù)儀，進(jìn)口的和國產(chǎn)的都有；橫向力系數(shù)儀已逐漸擁有了相當(dāng)多的用戶；剎車式和不完全剎車式摩擦系數(shù)測試儀目前僅有極少數(shù)用戶。很明顯地，擺式摩擦系數(shù)儀已經(jīng)越來越不適應(yīng)我國高速公路建設(shè)的需要，一方面該測試方法對交通的影響較大，存在不安全因素，另一方面它不能較好地反映路面的宏觀紋理構(gòu)造對摩擦系數(shù)的影響，而宏觀紋理構(gòu)造是高速公路路面抗滑能力的決定因素。因此，應(yīng)當(dāng)大力推廣自動(dòng)化的抗滑能力測試儀在中國的應(yīng)用。
2.4 路表破損采集路面表面破損率是路面養(yǎng)護(hù)決策的重要指標(biāo)，也是群眾評價(jià)公路管理部門工作效率的最直觀依據(jù)。我國各級公路管理部門對表面破損一向都比較重視，但該項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集工作是一個(gè)令人頭疼的問題，目前還主要依靠人工采集，除了主觀性大、效率低外，也存在很大的安全隱患，尤其在高速公路上。國內(nèi)少數(shù)單位在20世紀(jì)90年代中后期以來陸續(xù)引進(jìn)了路表破損數(shù)字圖像采集系統(tǒng)，它的基本原理是采用車載式數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)連續(xù)高速采集路表的圖像，然后在室內(nèi)通過后處理軟件自動(dòng)處理與人工判讀相結(jié)合，識別、分類與統(tǒng)計(jì)路表破損。 路表破損攝像系統(tǒng)極大地提高了工作效率，避免了高速公路人工破損調(diào)查的危險(xiǎn)性，隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，必將成為廣泛應(yīng)用的設(shè)備。由于市場需求的大量存在和進(jìn)口設(shè)備的價(jià)格居高不下，國內(nèi)有幾家研究單位開始國產(chǎn)化的探索，并已有原型機(jī)問世。根據(jù)對該設(shè)備用戶的調(diào)查了解，路表破損攝像系統(tǒng)在使用中的不便之處主要是室內(nèi)后處理的工作量較大。由于現(xiàn)階段廠家提供的后處理軟件在圖像的自動(dòng)識別方面存在誤判、漏判及難以判定等現(xiàn)象，必須由人工來輔助處理，這種情況下工作人員所面臨的圖像數(shù)量是龐大的。針對這一問題，該設(shè)備制造商和國內(nèi)的研制單位目前的工作重點(diǎn)是表面破損的自動(dòng)識別、歸類，并自動(dòng)輸出路面破損率（DR）、路面狀況指數(shù)（PCI）等指標(biāo)，生成路面破損表格。 路表三維激光可視化系統(tǒng)是一種新型的路表破損數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用激光傳感器（橫向4個(gè)，縱向兩個(gè)）隨著車輛的高速行駛，連續(xù)掃描一個(gè)車道，得到路表的三維可視圖，并實(shí)時(shí)處理，通過對該圖的分析，可得到裂縫、變形、松散及泛油等各種病害；同時(shí)，還可以測試平整度和車轍。與數(shù)字圖像系統(tǒng)相比，激光三維可視化系統(tǒng)的優(yōu)勢是可以較好地反映變形類破損，分析不受陰影的影響，采集數(shù)據(jù)精確度較高；缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，硬件要求高，價(jià)格較高，約100萬美元。目前該類型的設(shè)備在國際上的用戶非常少，在國內(nèi)還沒有用戶。
2.5 路面雷達(dá)測試路面雷達(dá)是利用電磁波在路面結(jié)構(gòu)層和路基中的傳播和反射，根據(jù)回波的傳播時(shí)間、波幅與波形，確定目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)。用于路面測試最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，80年代后期在設(shè)備技術(shù)上和應(yīng)用水平上有很大的進(jìn)步。路面雷達(dá)的測試速度與采樣頻率直接相關(guān)，通常約60Km/h左右。目前國內(nèi)約有20臺路面雷達(dá)，并且每年都在增加，這些設(shè)備的品牌不同，主要產(chǎn)于美國和歐洲，但測試原理基本相同?？梢哉f，路面雷達(dá)為路面厚度測試、相對高含水區(qū)域檢測、結(jié)構(gòu)層完整性判定等提供了難以替代的手段。 目前的路面雷達(dá)在瀝青砼面層厚度檢測上的精度約為3%，在水泥砼面層厚度檢測上的精度約為5%；在結(jié)構(gòu)層完整性，如水泥砼板的脫空判定、橋面鋪裝的剝離等方面的研究仍有待于進(jìn)一步深化，由于實(shí)際情況往往難以客觀判定，往往采用不同的檢測方法來相互印證，例如用落錘式彎沉儀與路面雷達(dá)同時(shí)作脫空判定，用紅外熱成像儀和路面雷達(dá)同時(shí)作橋面鋪裝剝離判定，但這方面的國內(nèi)外研究成果較少，僅有的少數(shù)成果也多沒有得出相關(guān)性良好的結(jié)論。 路面雷達(dá)的應(yīng)用，除了雷達(dá)天線本身的精度外，后處理軟件也非常關(guān)鍵，可以說，設(shè)備提供了檢測的手段，而軟件決定了應(yīng)用的廣度和深度，應(yīng)當(dāng)引起國內(nèi)用戶足夠的重視。各雷達(dá)廠家都有配套的后處理軟件，另外也有一些專業(yè)性研究所開發(fā)的更為專業(yè)的后處理軟件，尤其以美國和芬蘭的研究較深入。另外，根據(jù)雷達(dá)測試數(shù)據(jù)分析路面結(jié)構(gòu)的壓實(shí)度和含水量也是一個(gè)研究方向，目前國內(nèi)尚沒有見到公開發(fā)表的實(shí)際應(yīng)用情況的論文或報(bào)告。 3 數(shù)據(jù)分析與評價(jià)目前我國的公路科研和管理部門在綜合各項(xiàng)檢測指標(biāo)，分析路面病害原因，評價(jià)其使用性能，并提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施方面已經(jīng)建立了自己的體系。但近年來早期建設(shè)的道路開始進(jìn)入了大中修或改建的高峰期，新建高速公路的一些路段也出現(xiàn)了早期損壞；與此同時(shí)，新型檢測設(shè)備不斷涌現(xiàn)，提供了更豐富、更精確的信息。因此，如何更好地利用自動(dòng)化的無損檢測技術(shù)和分析方法，評價(jià)路面使用性能，深入分析病害產(chǎn)生的原因，以提出經(jīng)濟(jì)上優(yōu)化、技術(shù)上合理可行的維修方案，對于創(chuàng)造更好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益是至關(guān)重要的。美國、加拿大、芬蘭、荷蘭等國在這方面的研究較為成熟，已開發(fā)了一批專家系統(tǒng)軟件，并結(jié)合路面使用性能退化機(jī)理、力學(xué)分析、壽命周期費(fèi)用分析等理論，建立了集病害原因分析的力學(xué)～經(jīng)驗(yàn)方法、基于經(jīng)濟(jì)分析的路面養(yǎng)護(hù)及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法為一體的系統(tǒng)化的分析理論。
而在我國，目前大多數(shù)自動(dòng)化檢測設(shè)備的用戶尚停留在簡單使用的層次上，僅有個(gè)別單位在進(jìn)行相互獨(dú)立的研究。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：
1 大部分用戶單位科研力量較弱；
2 自動(dòng)化檢測設(shè)備價(jià)格昂貴，很多科研單位限于資金問題尚沒有購買，或僅有一、兩種；
3 科研單位的研究成果在系統(tǒng)化、集成化和市場化上不夠，因此難以推廣。隨著我國高等級公路建設(shè)的日新月異，以及公路管理機(jī)制、科研單位體制的改革，對公路養(yǎng)護(hù)管理水平，科研單位的科技、市場競爭力的要求越來越高，相信這種情況將很快出現(xiàn)變化。
4 小結(jié)道路檢測技術(shù)的總體趨勢是：由人工檢測向自動(dòng)化檢測技術(shù)發(fā)展，由破損類檢測向無損檢測技術(shù)發(fā)展，由低速度、低精度向高速度、高精度發(fā)展。最近幾年，自動(dòng)化路面無損檢測設(shè)備在中國越來越多，這與我們的公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展是相對應(yīng)的。與此對應(yīng)的，圍繞自動(dòng)化檢測設(shè)備所開展的研究也將在深度和綜合性上得到加強(qiáng)?？梢哉J(rèn)為，
道路無損檢測技術(shù)及路面使用性能評價(jià)在中國的發(fā)展方向?yàn)椋?br />1）測試設(shè)備的需求量越來越大，用戶越來越多，并逐步實(shí)現(xiàn)國內(nèi)組裝及國產(chǎn)化；
2）圍繞測試技術(shù)所展開的研究逐步深化，并通過相關(guān)軟件的市場化來推廣；
3）集成多種設(shè)備檢測結(jié)果的路面使用性能評價(jià)與病害原因分析、養(yǎng)護(hù)與改建措施的專家系統(tǒng)的應(yīng)用，或直接集成到路面管理系統(tǒng)中。