無(wú)損檢測(cè)技術(shù)評(píng)估和檢測(cè)道路性能

郭成超，許朋飛，鐘燕輝

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001）

一、 前言

基礎(chǔ)設(shè)施不僅僅是一個(gè)城市發(fā)展的基礎(chǔ)，更是全民生活的保障?；A(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)需要巨大的投資。美國(guó)聯(lián)邦公路管理局（FHWA）2008年的一份報(bào)告顯示，在美國(guó)約有6.4×106km的道路需要大范圍的維修[1]。2014年，美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)（ASCE）的一份報(bào)告給道路情況的總體評(píng)級(jí)為D級(jí)（分A、B、C、D四級(jí)）[2]，在美國(guó)有42%的主要城市道路因?yàn)槠茡p而擁擠不堪。2014年，聯(lián)邦政府、各州和地方政府已經(jīng)投入了910億美元，雖然短期內(nèi)情況會(huì)有所改善，但是這些投入仍然不足，根據(jù)FHWA的估計(jì)，在此基礎(chǔ)上，每年需再投入1 700億美元，道路的狀況和性能才能得以顯著改善[2]。

現(xiàn)階段，我國(guó)道路的檢測(cè)方法主要是針對(duì)破損路段，通過(guò)目測(cè)的方法發(fā)現(xiàn)病害和破損，這對(duì)于日益發(fā)展的道路設(shè)施和繁重的交通壓力來(lái)說(shuō)顯然是不夠的。因此，迫切需要一種技術(shù)，可以經(jīng)濟(jì)有效地監(jiān)控路網(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)，并優(yōu)先為維修養(yǎng)護(hù)作業(yè)提供準(zhǔn)確、及時(shí)的信息，使道路檢測(cè)方法從定期的局部檢查向連續(xù)路網(wǎng)的健康監(jiān)控方向發(fā)展。

二、道路病害與缺陷

路面劣化通常發(fā)生在路面以下，是不能用目測(cè)法來(lái)評(píng)價(jià)的（見(jiàn)圖1）。

常見(jiàn)的路面病害包括橫向裂縫、縱向裂縫、車轍、波浪、坑槽、分層、滲漏等。橫向裂縫往往比縱向裂縫更容易出現(xiàn)，它可以從一個(gè)小于0.5 mm寬、2 cm深的裂縫發(fā)展而來(lái)。這樣的裂縫在晴天的時(shí)候很難看見(jiàn)，但在雨后是可以發(fā)現(xiàn)的。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)乇硭舭l(fā)后，裂縫中卻殘留了水。細(xì)小的裂縫需要及時(shí)處理以防止發(fā)展為大的裂縫。大的裂縫通常超過(guò)1 mm寬，5 cm深，并且能延續(xù)幾米長(zhǎng)。如果大的裂縫不加以密封，那么分層和收縮就會(huì)接踵而至。如果路面和混凝土板的黏結(jié)力減小，那么覆蓋層就會(huì)從混凝土板面脫黏。裂縫或滲漏造成的坑槽多數(shù)是由黏結(jié)力減小造成的。局部脫黏可能延伸了幾平方厘米，但是由于路表保持完好，這樣的裂縫很難發(fā)現(xiàn)。大面積的分層可能會(huì)在路面發(fā)展成大的裂縫，并最終導(dǎo)致路面大的坑槽和破損。裂縫和坑槽往往伴隨著滲漏，水通過(guò)裂縫進(jìn)入覆蓋層，瀝青和混凝土板極易受到滲漏水的損害，路面裂縫里面的水會(huì)留存甚至繼續(xù)向下滲漏，這是對(duì)瀝青路面最大的損害。

為了評(píng)估和確定高速公路路面和橋面的狀況，本文探究了幾種無(wú)損檢測(cè)方法，檢測(cè)路面和路面以下的道路病害和缺陷，并列舉了一些商業(yè)產(chǎn)品和檢測(cè)程序，以便于道路早期的維修養(yǎng)護(hù)。無(wú)損檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于在不阻斷交通的情況下，準(zhǔn)確、高效地評(píng)估結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

圖1 路面的劣化

圖2 坑槽病害路段修復(fù)圖

在我國(guó)，坑槽和其他路面病害困擾著城市的基礎(chǔ)設(shè)施。如圖2所示的坑槽存在于我國(guó)的大多數(shù)道路中，圖2中所示的修補(bǔ)是最常見(jiàn)，也是比較經(jīng)濟(jì)的處理方法，但其有效性差異很大。由于快速的修復(fù)需要和小補(bǔ)丁區(qū)不能實(shí)現(xiàn)足夠的壓實(shí)而容易受到損害。因此，應(yīng)改善維修方法，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)路面和路面以下病害的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，用來(lái)識(shí)別早期的坑槽和局部損壞，以延長(zhǎng)道路壽命。

三、美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）對(duì)路面狀況的評(píng)價(jià)

美國(guó)國(guó)家公路管理員協(xié)會(huì)(AASHO）是最全面的路面快速測(cè)試協(xié)會(huì)之一，該組織能檢測(cè)道路的狀況，并解釋道路惡化的原因，路面服務(wù)性能指數(shù)（PSI）的準(zhǔn)確性得到了提高。AASHO統(tǒng)計(jì)了美國(guó)道路可見(jiàn)的路面病害，如裂縫、修補(bǔ)塊、邊坡失穩(wěn)和車轍深度。用輪廓儀數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算路面平整度并與專家評(píng)定的用于評(píng)價(jià)道路的四個(gè)等級(jí)做對(duì)比[3]。

式（1）中，PSI為路面服務(wù)性能指數(shù)；SVt為t時(shí)刻的邊坡變化；RDt為平均車轍深度，in(1 in ≈ 2.54 cm)；Ct為每1 000 ft2的裂縫長(zhǎng)度(1 ft2≈929.0304 cm2)；Pt為每1 000 ft2的修補(bǔ)面積。

在進(jìn)行可視化調(diào)查之前，根據(jù)道路等級(jí)將不同地區(qū)的道路分成若干部分，在進(jìn)行調(diào)查時(shí)，只對(duì)給定地區(qū)的某一部分進(jìn)行調(diào)查，它們被稱為路面取樣單元。通常，一個(gè)路面取樣單元的面積為2 500 ft2。ASTM D6433—2011標(biāo)準(zhǔn)建議每個(gè)地區(qū)應(yīng)調(diào)查評(píng)估的道路面積為33%～50%。該標(biāo)準(zhǔn)可以確定任意路面位置的19種病害,并將這些病害根據(jù)其密度和嚴(yán)重程度進(jìn)一步劃分，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)提供的表格中數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)的分值。例如，圖3中的三條曲線分別代表了高、中、低三種不同病害的扣分情況?；谝粋€(gè)特定的樣本單元病害的密度，計(jì)算得出的路面狀況指數(shù)（PCI）分值可用于整個(gè)地區(qū)。

MicroPaver是一個(gè)可以輸入PCI調(diào)查結(jié)果并能執(zhí)行路面狀況計(jì)算的軟件。此外，它還配備了路面管理系統(tǒng)，即路面退化模型、成本預(yù)算分析和成本效益分析系統(tǒng)。

在ASTM D6433—2011標(biāo)準(zhǔn)采用PCI時(shí)，檢測(cè)設(shè)備并沒(méi)有圖像自動(dòng)傳輸和自動(dòng)檢查功能，非接觸式傳感裝置也沒(méi)有那么先進(jìn)。直到如今，自動(dòng)化檢測(cè)也只是拍攝路面的高質(zhì)量圖像，再依賴人工從相關(guān)圖像判斷路面狀況。PCI方法的局限性在于耗時(shí)長(zhǎng)、需阻斷交通、檢測(cè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)高、需要訓(xùn)練有素的專業(yè)人員、結(jié)果準(zhǔn)確度還不高（如在交叉路口的每條街只有一個(gè)單一的PCI值），而且路面以下的狀況完全沒(méi)有考慮在內(nèi)，需要結(jié)合一些基于物理、聲波或電磁性質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)推導(dǎo)出路面以下的結(jié)構(gòu)特性。在評(píng)估路面平整度和駕駛舒適性時(shí)，宏觀構(gòu)造深度（MTD）和國(guó)際平整度指數(shù)（IRI）被廣泛使用。

四、評(píng)價(jià)公路路面的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

隨著技術(shù)的發(fā)展，路面管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和分析已經(jīng)從手動(dòng)向自動(dòng)化方向發(fā)展，在美國(guó)已經(jīng)開(kāi)始自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集和分析。盡管自動(dòng)化技術(shù)花費(fèi)巨大，但可以有效避免人工方法帶來(lái)的誤差，并且數(shù)據(jù)采集工作可以在不影響交通的情況下完成，因此，自動(dòng)化技術(shù)得到了廣泛認(rèn)可。用于數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集的主要裝備是安裝在車輛后面和側(cè)面的光學(xué)相機(jī)，它可以持續(xù)拍攝并保存圖像，以便技術(shù)人員可以在辦公室分析圖像并利用數(shù)據(jù)計(jì)算道路病害[4]。但自動(dòng)化計(jì)算也有許多不利的影響因素，例如，圖像的陰影、光照、清晰度等。隨著數(shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)的廣泛應(yīng)用，ASTM D6433—2011標(biāo)準(zhǔn)已更新為ASTM D5340—2012。時(shí)至今日，大部分的機(jī)構(gòu)采用基于光學(xué)相機(jī)的街道數(shù)字圖像自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，一旦數(shù)據(jù)采集完成，可人工評(píng)估道路病害。相關(guān)機(jī)構(gòu)使用MicroPaver和其他軟件，如StreetSaver或Cartegraph來(lái)計(jì)算PCI值，以滿足對(duì)路面的進(jìn)一步分析需求。

圖3 不同病害密度下的扣分情況

（一）落錘式彎沉儀（FWD）

FWD率先在歐洲使用，并從20世紀(jì)80年代開(kāi)始在美國(guó)使用。FWD是用作測(cè)量路面物理性質(zhì)的儀器，主要由供電裝置、控制系統(tǒng)、承載盤(pán)、彎沉傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理系統(tǒng)組成。FWD檢測(cè)是一種無(wú)損檢測(cè)過(guò)程，檢測(cè)不僅快速而且不需要清除路面材料，如圖4所示[5]，因此，比其他有損檢測(cè)方法更受歡迎。ASTM C131—2014標(biāo)準(zhǔn)[6]規(guī)定，在測(cè)量道路彎沉值時(shí)，檢測(cè)車輛應(yīng)停下并使承載盤(pán)位于檢測(cè)位置之上。因此，F(xiàn)WD為間斷行駛測(cè)量，測(cè)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)之間正常行駛，到測(cè)點(diǎn)位置時(shí)車輛停止。FWD法使用動(dòng)態(tài)荷載作用于路面表面，模擬單輪荷載，每個(gè)測(cè)量位置的彎沉單位為μm，如圖5所示。該方法可測(cè)量沖擊荷載作用于路面時(shí)的道路垂直彎沉響應(yīng)。使用FWD進(jìn)行測(cè)試時(shí)，影響彎沉的主要因素是路面各層厚度、各層材料類型、材料質(zhì)量、路基支撐、環(huán)境因素、路面不連續(xù)性以及路面結(jié)構(gòu)的種類。FWD檢測(cè)設(shè)備需要定期維護(hù)，這將提高設(shè)備的性能和使用壽命，使測(cè)量得到的數(shù)據(jù)更可靠。

圖4 FWD設(shè)備組成示意圖

基于FWD的原理，20世紀(jì)90年代末，丹麥Dynatest公司提出了一種改進(jìn)裝置——滾動(dòng)式彎沉儀（RWD）。RWD的目的是在不阻斷交通的情況下以正常的行駛速度進(jìn)行道路測(cè)試。最新型的RWD于2003年推出，如圖6（a）所示。它包含一個(gè)16.2 m長(zhǎng)的拖車，通過(guò)一個(gè)固定的雙輪裝配，在后單軸上對(duì)路面結(jié)構(gòu)施加80 kN的標(biāo)準(zhǔn)荷載。RWD采用輪跡重疊的方法在路的表面測(cè)試輪胎的偏斜方向，首先紀(jì)錄輪胎無(wú)偏斜時(shí)的路面變形值，接下來(lái)讀取各測(cè)試點(diǎn)的激光讀數(shù)，三角激光儀安裝在檢測(cè)車的一根鋁梁上，每間隔2.6 m測(cè)量一次路面情況。該系統(tǒng)有100 mm的測(cè)量范圍，精度達(dá)到了± 0.0245 mm。運(yùn)行時(shí)，采用空間重合的方法來(lái)收集變形和非變形狀態(tài)的數(shù)據(jù)，通過(guò)3D有限元分析方法可以較好地得到道路各層的回彈模量參數(shù)，反映路面的承載能力和生命周期，如圖6（b）所示。

（二） 探地雷達(dá)（GPR）

GPR是利用高頻脈沖電磁探測(cè)地質(zhì)目標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和一種電磁波方法，可以提供高分辨率的地下二維和三維圖像。由天線發(fā)射的電磁波在材料中傳播，其速度由材料的介電特性所決定。如果電磁波遇到了埋藏的物體或到達(dá)了兩種介電特性不同的材料的邊界，那么電磁波的部分能量會(huì)被反射回表面，而剩下的部分會(huì)繼續(xù)向下傳播。天線接收到反射波，并將數(shù)據(jù)記錄在數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備中以便分析。

單頻GPR路面檢測(cè)是最早應(yīng)用到民生工程中的技術(shù)之一。單頻GPR可以在不阻斷交通的情況下準(zhǔn)確地繪制道路的各層結(jié)構(gòu)。Loizos 等[7] 展示了使用不同頻率的GPR系統(tǒng)檢測(cè)路面層，并通過(guò)對(duì)比檢測(cè)結(jié)果與路面的實(shí)際情況，深入研究了GPR系統(tǒng)的可靠性。路面材料的介電常數(shù)可以通過(guò)計(jì)算路面各層內(nèi)的波速或路面的反射系數(shù)求出。在路面分層過(guò)多的情況下，反射波可能會(huì)互相干擾，需要使用特殊的數(shù)據(jù)處理方法來(lái)提取層信息。

圖5 FWD荷載與彎沉測(cè)量

圖6 RWD測(cè)試裝備與測(cè)試原理

（三）宏觀構(gòu)造深度（MTD）

路面的MTD是輪胎和路面接觸表面凹凸不平的開(kāi)口孔隙的平均深度，即反映路面的抗滑水平（見(jiàn)圖7）。MTD可以用來(lái)衡量路面（抗滑性）的摩擦特性及檢測(cè)路面施工期間的瀝青混凝土的泛油、分離或不均勻性。MTD值低表示表面光滑，高則表示表面粗糙。

“鋪砂法”或“體積修補(bǔ)法”是ASTM E965—2001標(biāo)準(zhǔn)[8]中提出的測(cè)量MTD值的傳統(tǒng)方法。該方法用MTD值來(lái)表征表面的宏觀結(jié)構(gòu)，最早由英國(guó)運(yùn)輸和道路研究所設(shè)計(jì)，在操作方面受人為影響較大，不宜在潮濕天氣測(cè)量。現(xiàn)在比較常用的方法是激光輪廓法，這是一種更加先進(jìn)、安全、經(jīng)濟(jì)的方法。ASTM E2157—2009[9]提出了一種采用圓形軌道儀的方法來(lái)測(cè)量和評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室與道路實(shí)際路面的宏觀構(gòu)造特性。

測(cè)量MTD值一般采用激光輪廓法，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器進(jìn)行掃描，通過(guò)水平分量和垂直分量的采集，得出被測(cè)路面的輪廓數(shù)據(jù)。

美國(guó)東北大學(xué)（NEU）研發(fā)了一種更便捷的方法：利用車輛移動(dòng)時(shí)輪胎與路面的噪聲來(lái)估計(jì)MTD值，噪聲越大，MTD值越大。例如，通過(guò)激光輪廓法測(cè)得路面的MTD值為0.5 mm，此時(shí)輪胎與路面的噪聲為3.2 dB，另一路面的MTD值為2.5 mm，輪胎與路面的噪聲為9.6 dB，利用中間插值法，可估算噪聲為3.2～9.6 dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的MTD值。圖8為測(cè)試路面的照片，為了驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性，首先用激光輪廓法測(cè)出每個(gè)路面的MTD值，然后與NEU估計(jì)的MTD值比較，如表1所示，兩者的MTD值很接近，證明該方法可行。

（四）國(guó)際平整度指數(shù)（IRI）

圖7 路面宏觀構(gòu)造的物理意義（圖中測(cè)量尺子長(zhǎng)15 cm）

圖8 測(cè)試路面照片圖

表1 激光輪廓法與預(yù)測(cè)法得到的MTD值比較

IRI是由世界銀行在1986年提出的，如今在測(cè)量路面平整度中被廣泛應(yīng)用。該指數(shù)表明了司機(jī)與乘客在車輛行駛中的舒適程度。IRI通常使用四分車（也叫金車）來(lái)測(cè)量，如圖9所示，至少連續(xù)測(cè)量160 m（約為0.1 mi），以規(guī)定速度行駛在路面上，分析行駛距離內(nèi)動(dòng)態(tài)反應(yīng)懸掛系的累積豎向位移量。

圖9中，ks是懸架彈簧的勁度系數(shù)；Cs是懸架阻尼率；kt是疲勞彈簧勁度系數(shù)；mu是簧載質(zhì)量（一個(gè)車輪支撐的車身質(zhì)量的一部分）；ms是非簧載（車輪，輪胎，半軸/懸掛）質(zhì)量；LB是輪胎與路面的接觸長(zhǎng)度。道路有其自身的幾何形狀，四分車在路面上移動(dòng)，道路表面的幾何形狀被作為輸入值使模型車上的彈簧向上移動(dòng)，彈簧移動(dòng)使得測(cè)量系統(tǒng)存在兩個(gè)方向的自由度。IRI的值可由下式計(jì)算：

圖9 四分車模型

（五）面波的頻譜分析（SASW）

面波的頻譜分析（spectral analysis of surface wave, SASW）法，簡(jiǎn)稱SASW法[10]。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究SASW法，在許多工程中得到了應(yīng)用和發(fā)展[11]。SASW法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的面波法，被廣泛地應(yīng)用于地下勘探與地質(zhì)實(shí)驗(yàn)中。傳統(tǒng)的面波法比較費(fèi)時(shí)，并阻斷交通，傳感器要與路表面接觸，每次測(cè)量時(shí)還需要重新定位。SASW法的工作原理是：作用沖擊荷載，利用雙傳感通道間的相位差來(lái)測(cè)量在土壤中傳播的面波的色散特性，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫缴⑶€，通過(guò)反演程序估計(jì)該層土壤的形狀和剪切速度。在此原理的基礎(chǔ)之上，美國(guó)東北大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種非接觸式傳感器快速空氣耦合面波分析算法，能夠以正常行走速度檢測(cè)地下?tīng)顩r，大大提高了檢測(cè)效率。目前，該原型系統(tǒng)安裝在一輛三輪手推車上，一個(gè)麥克風(fēng)陣列安裝在手推車的下面，每個(gè)麥克風(fēng)用隔音泡沫來(lái)隔絕環(huán)境噪音。該系統(tǒng)使用的電磁錘可以提供可調(diào)及可追溯的沖擊源，面波的典型聲音信號(hào)和來(lái)自系統(tǒng)的信噪比（SNR）如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)典型信噪比

原型車在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，以美國(guó)波士頓Rowley MA的一個(gè)工地的瀝青路面為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔（如圖11（a）所示）測(cè)量道路材料的彈性模量值，結(jié)果如圖11（b）所示，通過(guò)手推車測(cè)量的結(jié)果如圖11（c）所示，與現(xiàn)場(chǎng)鉆孔的測(cè)量結(jié)果很接近。另一現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是位于Rowley MA的Pingree大橋的橋板現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，橋面寬5 m，測(cè)試者以步行速度，連續(xù)性掃描的方法完成測(cè)試，每次測(cè)量寬度為1 m，如圖12（a）所示，測(cè)量深度為0.22 m，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖12（b），測(cè)量結(jié)果與大橋設(shè)計(jì)文獻(xiàn)相吻合，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果證明了這種新的手推車SASW法具備地下檢測(cè)能力。

表2是商業(yè)傳感技術(shù)對(duì)路面狀況評(píng)價(jià)的總結(jié)，表3是無(wú)損檢測(cè)商業(yè)公司產(chǎn)品功能及優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)價(jià)。我國(guó)幅員遼闊，需要發(fā)展無(wú)損檢測(cè)技術(shù)來(lái)測(cè)量廣大的路網(wǎng)區(qū)域，以應(yīng)對(duì)未來(lái)的維護(hù)問(wèn)題。

五、結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的路面自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)基本都采用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與離線分析處理的方式，無(wú)疑，這種方式還有待優(yōu)化和提升。如何實(shí)現(xiàn)道路破損檢測(cè)圖像的完全、快速、自動(dòng)識(shí)別，以及保證相當(dāng)高的準(zhǔn)確率，是目前相關(guān)學(xué)者亟需解決的技術(shù)難題。本文詳細(xì)介紹了目前國(guó)外技術(shù)水平已經(jīng)十分成熟的幾種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以及我國(guó)的發(fā)展情況，對(duì)有代表性的檢測(cè)技術(shù)做了詳細(xì)介紹，指出了其中的不足之處，列舉了國(guó)內(nèi)外無(wú)損檢測(cè)商業(yè)公司產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)，以指導(dǎo)相關(guān)人員結(jié)合工程實(shí)際合理選用。我國(guó)應(yīng)在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，繼續(xù)擴(kuò)大路網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控?？傊瑹o(wú)損檢測(cè)技術(shù)水平的不斷提高對(duì)道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的病害檢測(cè)、壽命延長(zhǎng)等都具有重要意義。

圖11 原型車在瀝青道路上的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

圖12 原型車在橋面板上的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

表2 商業(yè)傳感技術(shù)對(duì)路面狀況的評(píng)價(jià)

表3 無(wú)損檢測(cè)商業(yè)公司產(chǎn)品功能及優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)價(jià)

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