高速激光彎沉測試技術(shù)在日常檢測中的應用

湯俊杰

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路面結(jié)構(gòu)強度（PSSI）是瀝青路面使用性能（PQI）的重要參數(shù)，是綜合判定路基路面承載能力和整體壽命最直觀的指標之一，如何高效準確地采集瀝青路面的彎沉值，對公路養(yǎng)護管理工作具有十分重要的意義。如今國內(nèi)較常見的路面彎沉檢測裝備有貝克曼梁、落錘式彎沉儀及激光自動彎沉儀，其通病是檢測速度緩慢，彎沉檢測數(shù)據(jù)的需求無法大規(guī)模地實現(xiàn)。相對路面使用性能（PQI）其他參數(shù)的自動化快速檢測設備的效率，傳統(tǒng)的彎沉檢測手段已無法匹配，全面、大規(guī)模的網(wǎng)級路面彎沉檢測至今尚未實現(xiàn)?？紤]到實際技術(shù)條件約束下的工程可行性，最新版《公路技術(shù)狀況評定標準》JTG 5210-2018目前仍延續(xù)舊版的規(guī)定，只需進行抽樣抽檢并抽樣比例不低于公路網(wǎng)列養(yǎng)里程的20%即可，而且仍未納入到瀝青路面使用性能指數(shù)計算參數(shù)里面。

近年來高速激光彎沉測試技術(shù)的成熟及逐漸推廣應用，有效地解決了這一大檢測難題。相信在不久的將來，高速激光彎沉儀能夠取代傳統(tǒng)彎沉檢測設備，使得路面彎沉可以與其他路面使用性能分項指標進行綜合評定。

一.高速激光彎沉測試技術(shù)原理

高速激光彎沉測試技術(shù)主要是在高速行駛過程中利用激光多普勒效應來測試地面在荷載作用下的垂直下沉速度，通過一套慣性系統(tǒng)實時記錄多普勒激光傳感器的振動情況和運行姿態(tài)，用于修正計算路面實際彎沉變化的速度。通過速度傳感器精確地測量出測量點的沉降速度。根據(jù)測量點相對于車輪中心的位置和它的沉降速度，利用彈性力學理論可以得到彎沉盆曲線的數(shù)學方程，再結(jié)合車輪的壓力就能夠算出標準彎沉值。路面可以看成滿足歐拉-伯努利方程的彈性模型：

測試原理如圖1所示：

圖1 高速激光彎沉測試技術(shù)原理圖

當一道激光打到移動物體上，反彈回的激光的波長就會被改變，改變的多少與物體移動的速度快慢有關(guān);把反彈回來的波與原本的波進行干涉，就會產(chǎn)生能量，通過檢驗能量的大小，再進行一系列的運算，就可以計算出相應的速度。解此方程可得路面變形曲線的公式為：

圖2 高速激光彎沉測試技術(shù)激光傳播示意圖

確定了系數(shù) A、B的以后，可以結(jié)合荷載力F推導出路面的彈性模量E。

二.高速激光彎沉測試技術(shù)與傳統(tǒng)路面彎沉檢測技術(shù)的區(qū)別及優(yōu)勢

（1）高速激光彎沉測試技術(shù)與傳統(tǒng)路面彎沉檢測技術(shù)的區(qū)別

貝克曼梁測試的是路面回彈彎沉，即路基路面在規(guī)定荷載作用下產(chǎn)生的彈性變形；落錘式彎沉儀是模擬行車荷載作用下的彎沉盆，測試的是路面總彎沉，是彈性變形與路基路面塑性變形之和；而高速激光彎沉測試技術(shù)所測的是在真實移動軸載作用情況下實際產(chǎn)生的彎沉盆，從而得到路面總彎沉值，最接近路面在車輛行駛的真實狀態(tài)。

（2）高速激光彎沉測試技術(shù)的優(yōu)勢

高速激光彎沉儀與其它檢測設備優(yōu)勢對比，如表 1 所示。

表1 高速激光彎沉儀的優(yōu)勢

由上表可以看出，高速激光彎沉技術(shù)對比其他傳統(tǒng)的彎沉測試方法，具有高效率，全覆蓋，備案簡單，成本低及安全性高的優(yōu)點。但高速激光彎沉技術(shù)要求檢測路段路面干燥通暢，檢測時應避免潮濕或擁堵的情況。

三.激光動態(tài)彎沉技術(shù)與傳統(tǒng)路面彎沉檢測方法的相關(guān)性分析

為全面對比激光動態(tài)彎沉系統(tǒng)測試效果，根據(jù) 工程實際測試的需要，設計了在同一瀝青路面結(jié)構(gòu)下與貝克曼梁及落錘式彎沉儀進行比對試驗，其試驗路段路面結(jié)構(gòu)見表2：

表2 試驗路段路面結(jié)構(gòu)

選取2段不同水平的試驗路段，彎沉水平分布如 表3所表示，每段均用油漆做好標記。

表3 試驗路段路面結(jié)構(gòu)

在試驗路段上高速激光彎沉儀以60km/h的速度采集數(shù)據(jù)，每段路采集3 次，按 20m 間隔取出所測彎沉值后求3次平均值作為單點彎沉值（LDD），然后依次在標記點上測試落錘彎沉（FWD）值及貝克曼梁彎沉（BB）值。

（1）根據(jù)高速激光彎沉儀與落錘式彎沉儀兩種測試方法的對比試驗數(shù)據(jù)，建立相關(guān)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 FWD值與LDD值對比測試結(jié)果

本次檢測路段高速激光彎沉儀與落錘式彎沉儀對比試驗相關(guān)系數(shù)R =0. 9564，相關(guān)關(guān)系式為：

（2）根據(jù)高速激光彎沉儀與貝克曼梁兩種測試方法的對比試驗數(shù)據(jù)，建立相關(guān)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 BB值與LDD值對比測試結(jié)果

本次檢測路段高速激光彎沉儀與落錘式彎沉儀對比試驗相關(guān)系數(shù)R =0. 9537，相關(guān)關(guān)系式為：

各單點彎沉值對比曲線如圖5所示：

圖5 各單點彎沉值測試數(shù)據(jù)

通過試驗結(jié)果我們可以看到，高速激光彎沉儀與落錘式彎沉儀、貝克曼梁彎沉儀的測值結(jié)果具有良好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0. 9564/0.9537，符合相關(guān)道路評價檢測設備的準確性要求。

四.結(jié)論

高速激光彎沉測試技術(shù)是為全面、大規(guī)模的網(wǎng)級路面彎沉檢測解決了技術(shù)上的問題，并為路面彎沉參與路面使用性能綜合評定提供了可行方案。本文介紹了高速激光彎沉測試技術(shù)原理，分析了該方法對傳統(tǒng)彎沉檢測技術(shù)的區(qū)別及優(yōu)勢，提出了高速激光彎沉測試儀在檢測中需要注意的事項，并與落錘式彎沉、貝克曼梁彎沉測試進行了對比試驗，得到以下主要結(jié)論：

（1）高速激光彎沉測試技術(shù)的非接觸連續(xù)檢測特性使其可以按照正常車速行駛進行檢測，工作效率較傳統(tǒng)彎沉檢測方法有質(zhì)的飛越，可連續(xù)檢測的數(shù)據(jù)采集模式可以有效消除單點檢測間隔中的可能丟失彎沉異常值的弊端；另外具有檢測的成本低，執(zhí)行力高，安全性能好的優(yōu)點。

（2）通過比對試驗結(jié)果我們可以看到，高速激光彎沉儀與落錘式彎沉儀、貝克曼梁的測值結(jié)果具有良好的相關(guān)性，其比對試驗結(jié)果相關(guān)系數(shù)均符合相關(guān)道路評價檢測設備的準確性要求，證明其測試結(jié)果準確有效。