无损检测之路面无损检测技术新发展

1 概述

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无损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结合，识别、分类与统计路表破损。 路表破损摄像系统极大地提高了工作效率，避免了高速公路人工破损调查的危险性，随着我国高速公路建设的快速发展，必将成为广泛应用的设备。由于市场需求的大量存在和进口设备的价格居高不下，国内有几家研究单位开始国产化的探索，并已有原型机问世。根据对该设备用户的调查了解，路表破损摄像系统在使用中的不便之处主要是室内后处理的工作量较大。由于现阶段厂家提供的后处理软件在图像的自动识别方面存在误判、漏判及难以判定等现象，必须由人工来辅助处理，这种情况下工作人员所面临的图像数量是庞大的。针对这一问题，该设备制造商和国内的研制单位目前的工作重点是表面破损的自动识别、归类，并自动输出路面破损率（DR）、路面状况指数（PCI）等指标，生成路面破损表格。 路表三维激光可视化系统是一种新型的路表破损数据采集系统，该系统采用激光传感器（横向4个，纵向两个）随着车辆的高速行驶，连续扫描一个车道，得到路表的三维可视图，并实时处理，通过对该图的分析，可得到裂缝、变形、松散及泛油等各种病害；同时，还可以测试平整度和车辙。与数字图像系统相比，激光三维可视化系统的优势是可以较好地反映变形类破损，分析不受阴影的影响，采集数据精确度较高；缺点是数据量大，硬件要求高，价格较高，约100万美元。目前该类型的设备在国际上的用户非常少，在国内还没有用户。
2.5 路面雷达测试路面雷达是利用电磁波在路面结构层和路基中的传播和反射，根据回波的传播时间、波幅与波形，确定目标体的空间位置或结构。用于路面测试最早出现于20世纪70年代，80年代后期在设备技术上和应用水平上有很大的进步。路面雷达的测试速度与采样频率直接相关，通常约60Km/h左右。目前国内约有20台路面雷达，并且每年都在增加，这些设备的品牌不同，主要产于美国和欧洲，但测试原理基本相同。可以说，路面雷达为路面厚度测试、相对高含水区域检测、结构层完整性判定等提供了难以替代的手段。 目前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%；在结构层完整性，如水泥砼板的脱空判定、桥面铺装的剥离等方面的研究仍有待于进一步深化，由于实际情况往往难以客观判定，往往采用不同的检测方法来相互印证，例如用落锤式弯沉仪与路面雷达同时作脱空判定，用红外热成像仪和路面雷达同时作桥面铺装剥离判定，但这方面的国内外研究成果较少，仅有的少数成果也多没有得出相关性良好的结论。 路面雷达的应用，除了雷达天线本身的精度外，后处理软件也非常关键，可以说，设备提供了检测的手段，而软件决定了应用的广度和深度，应当引起国内用户足够的重视。各雷达厂家都有配套的后处理软件，另外也有一些专业性研究所开发的更为专业的后处理软件，尤其以美国和芬兰的研究较深入。另外，根据雷达测试数据分析路面结构的压实度和含水量也是一个研究方向，目前国内尚没有见到公开发表的实际应用情况的论文或报告。 3 数据分析与评价目前我国的公路科研和管理部门在综合各项检测指标，分析路面病害原因，评价其使用性能，并提出相应的养护措施方面已经建立了自己的体系。但近年来早期建设的道路开始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出现了早期损坏；与此同时，新型检测设备不断涌现，提供了更丰富、更精确的信息。因此，如何更好地利用自动化的无损检测技术和分析方法，评价路面使用性能，深入分析病害产生的原因，以提出经济上优化、技术上合理可行的维修方案，对于创造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究较为成熟，已开发了一批专家系统软件，并结合路面使用性能退化机理、力学分析、寿命周期费用分析等理论，建立了集病害原因分析的力学～经验方法、基于经济分析的路面养护及补强设计优化方法为一体的系统化的分析理论。
而在我国，目前大多数自动化检测设备的用户尚停留在简单使用的层次上，仅有个别单位在进行相互独立的研究。产生这种现象的主要原因是：
1 大部分用户单位科研力量较弱；
2 自动化检测设备价格昂贵，很多科研单位限于资金问题尚没有购买，或仅有一、两种；
3 科研单位的研究成果在系统化、集成化和市场化上不够，因此难以推广。随着我国高等级公路建设的日新月异，以及公路管理机制、科研单位体制的改革，对公路养护管理水平，科研单位的科技、市场竞争力的要求越来越高，相信这种情况将很快出现变化。
4 小结道路检测技术的总体趋势是：由人工检测向自动化检测技术发展，由破损类检测向无损检测技术发展，由低速度、低精度向高速度、高精度发展。最近几年，自动化路面无损检测设备在中国越来越多，这与我们的公路建设事业的发展是相对应的。与此对应的，围绕自动化检测设备所开展的研究也将在深度和综合性上得到加强。可以认为，
道路无损检测技术及路面使用性能评价在中国的发展方向为：
1）测试设备的需求量越来越大，用户越来越多，并逐步实现国内组装及国产化；
2）围绕测试技术所展开的研究逐步深化，并通过相关软件的市场化来推广；
3）集成多种设备检测结果的路面使用性能评价与病害原因分析、养护与改建措施的专家系统的应用，或直接集成到路面管理系统中。