道路檢測(cè)相關(guān)技術(shù)研究

戴愛(ài)新

（江蘇通源工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，江蘇 南京 211500）

0 引言

道路建設(shè)在我國(guó)綜合運(yùn)輸體系中發(fā)揮著巨大的作用。隨著我國(guó)道路相關(guān)工程的數(shù)量不斷增加、建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，如何保障和加強(qiáng)道路建設(shè)工程的質(zhì)量，對(duì)于維護(hù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展具有重要的意義。針對(duì)上述問(wèn)題，道路檢測(cè)作為一種有效手段，能夠?qū)Φ缆氛w結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀進(jìn)行記錄，并為相關(guān)人員在道路的設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制以及檢測(cè)維修等方面提供真實(shí)和科學(xué)的數(shù)據(jù)。

1 道路檢測(cè)技術(shù)的主要內(nèi)容

目前，道路檢測(cè)的主要內(nèi)容包含建筑材料和施工質(zhì)量跟蹤等方面。

1.1 建筑材料檢測(cè)

建筑材料的好壞對(duì)于道路質(zhì)量控制等方面具有重要的意義，使用符合規(guī)范要求的建筑材料能夠有效保障道路工程建設(shè)的質(zhì)量。對(duì)于建筑材料檢測(cè)，檢測(cè)對(duì)象包含與建筑施工相關(guān)的一切原材料、半成品和全成品等，其檢測(cè)內(nèi)容又可分為物理性能和化學(xué)性能檢測(cè)，其檢測(cè)時(shí)間為工程的全壽命周期[1]。例如，在道路施工階段，需要相關(guān)人員對(duì)施工所需的砂石、水泥、瀝青、鋼材以及預(yù)制構(gòu)件等在進(jìn)廠時(shí)進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，包括生產(chǎn)日期、類別和產(chǎn)品性能說(shuō)明書等，確保其符合設(shè)計(jì)的要求。

1.2 施工質(zhì)量跟蹤檢測(cè)

在道路工程驗(yàn)收和運(yùn)營(yíng)階段，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)范和服役情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部件和材料的物理力學(xué)性能進(jìn)行定期檢測(cè)，以對(duì)道路服役性能的好壞提供判斷依據(jù)。例如，使用路面彎沉儀對(duì)道路路面承載力進(jìn)行測(cè)量，可以合理科學(xué)地評(píng)估道路在不同時(shí)間段的有效承載力等。

2 道路檢測(cè)的主要技術(shù)

2.1 探地雷達(dá)技術(shù)

探地雷達(dá)技術(shù)（GPR）又可稱為地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，其主要原理是依靠不同頻率（1MHz～1GHz）的無(wú)線電波的收發(fā)過(guò)程來(lái)確定連續(xù)介質(zhì)的分布，其主要優(yōu)點(diǎn)為無(wú)損傷、高精度以及操作簡(jiǎn)單等，被廣泛應(yīng)用于各種道路質(zhì)量跟蹤檢測(cè)項(xiàng)目中。探地雷達(dá)主要由發(fā)射器、接收器、分離器、信號(hào)處理器以及電腦終端等部分組成。如圖1所示。

2.1.1 發(fā)射器。發(fā)射機(jī)能夠生成高頻電磁波，并由天線輻射至待檢測(cè)路面層。

2.1.2 接收器。用于放大和捕捉反射信號(hào)。

2.1.3 分離器。用于分離發(fā)射機(jī)和天線，防止由發(fā)射機(jī)生成的高頻電磁波輸出對(duì)天線產(chǎn)生損傷。

2.1.4 信號(hào)處理器。根據(jù)預(yù)先編制的探地雷達(dá)分析程序接收和處理經(jīng)過(guò)待測(cè)路面的反射信號(hào)。

2.1.5 電腦終端。用于對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析以及存儲(chǔ)等。

具體而言，在使用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)路面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，已知波形的脈沖波由發(fā)射器生成后傳輸至天線，隨即輻射至待測(cè)路面（見(jiàn)圖1）。在遇到不同的介質(zhì)和環(huán)境時(shí)，天線發(fā)出的信號(hào)便會(huì)由于電磁特性的改變而產(chǎn)生透射和反射現(xiàn)象，其反射的信號(hào)再經(jīng)由天線和接收器接收（完整考慮不同深度反射信號(hào)的疊加效應(yīng)），并經(jīng)過(guò)信號(hào)處理器處理后輸入電腦終端用以分析，最終輸出結(jié)果。在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中，探地雷達(dá)主要依靠電磁脈沖回波原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，天線發(fā)送的高頻電磁波和其傳播方式可以看作是平面電磁波在多層均勻介質(zhì)中的衰減傳播過(guò)程。

雖然探地雷達(dá)檢測(cè)在最近十幾年來(lái)得到了快速的發(fā)展和較為廣泛的使用，但其應(yīng)用和檢測(cè)對(duì)象僅局限于針對(duì)路面厚度，其理論和檢測(cè)精度還需要進(jìn)一步得到完善和提高。具體而言，其局限性包括下述幾個(gè)方面：一是道路路面的材料服役程度對(duì)其檢測(cè)精度有著較高的影響。一般而言，瀝青混凝土路面、水泥砂漿及基礎(chǔ)層服役時(shí)間越久，其檢測(cè)精度越低；二是針對(duì)材料的孔隙率、飽水度以及密實(shí)度的檢測(cè)還處于理論構(gòu)建之中，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行量化表達(dá)；三是缺乏對(duì)剖面特征解析描述的統(tǒng)一規(guī)范。

2.2 激光檢測(cè)

激光檢測(cè)在道路檢測(cè)中主要涉及路面車轍深度、平整度、抗壓強(qiáng)度和損傷探測(cè)等方面。由于激光本身具有可識(shí)別度高、方向穩(wěn)定性強(qiáng)以及關(guān)聯(lián)性較穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，其被廣泛的使用到道路檢測(cè)中。尤其在道路車轍深度、平整度以及抗壓強(qiáng)度等檢測(cè)項(xiàng)目中，激光檢測(cè)技術(shù)得到了大規(guī)模的應(yīng)用，其主要檢測(cè)設(shè)備包含激光路面平整儀、激光構(gòu)造深度儀以及激光彎沉儀等。

對(duì)于路面平整儀，其主要通過(guò)車輛在行駛過(guò)程中不同地點(diǎn)對(duì)生成的激光反射信號(hào)差異性來(lái)確定路面的平整程度。具體而言，首先在測(cè)試車輛上安裝發(fā)射器和接收器；其次，讓車輛在待測(cè)道路上以特定速度（主要為勻速）行駛，在行駛過(guò)程中，發(fā)射器和接收器不斷發(fā)射和接收反射回來(lái)的激光信號(hào)，并對(duì)道路路面進(jìn)行斷面掃描；最后，通過(guò)加速度信號(hào)器對(duì)接收的反射信號(hào)進(jìn)行處理以后，路面的真實(shí)平整情況便可形成相應(yīng)的數(shù)值，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行展示。

對(duì)于道路路面抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，目前主要由彎沉值來(lái)表示。其具體定義為：在已知車輛荷載下，其車輛輪胎與路面接觸面位置垂直處所產(chǎn)生的彈性恢復(fù)變形或總變形。相應(yīng)的數(shù)值越高，道路在車輛荷載效應(yīng)下產(chǎn)生的變形就越大，該處結(jié)構(gòu)便越容易發(fā)生病害。使用激光測(cè)試道路彎沉的技術(shù)較多，應(yīng)用廣泛。例如多普勒彎沉儀，其測(cè)試系統(tǒng)主要包括車輛、加載輪、激光多普勒發(fā)射器、信號(hào)處理器、氦氖激光、接收器和數(shù)值模擬顯示系統(tǒng)等組成。激光多普勒測(cè)試技術(shù)具有非接觸、高速（車輛行駛速度可達(dá)70km/h）以及精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以直接測(cè)得路面在車輛荷載效應(yīng)下的瞬時(shí)下沉速度，能夠?yàn)榈缆吩谡麄€(gè)試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的最大彎沉值和彎沉盆分布提供計(jì)算數(shù)據(jù)[3]。

2.3 圖像檢測(cè)

圖像檢測(cè)技術(shù)主要具有精度高、適用面廣和靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。圖像檢測(cè)技術(shù)可以將原始照片進(jìn)行高程度的圖像數(shù)字化轉(zhuǎn)換，其單位像素的灰度量化值可以高達(dá)16位，基本可以滿足道路檢測(cè)中任意項(xiàng)目的需求。在圖像檢測(cè)技術(shù)中，其原始數(shù)據(jù)可以由傳統(tǒng)的可見(jiàn)光圖像（照片）、波普?qǐng)D像等各種數(shù)據(jù)源組成，并統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為數(shù)字化數(shù)組，其適用面較廣。此外，現(xiàn)代圖像檢測(cè)技術(shù)可以在圖像增強(qiáng)步、圖像分析步和圖像重建步等步驟中實(shí)現(xiàn)線性和非線性運(yùn)算，并以一定的邏輯概括不同變量之間的關(guān)系。

目前，在道路檢測(cè)中，圖像檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于路面破損檢測(cè)。具體而言，在道路質(zhì)量控制過(guò)程中，其表面破損面積為主要決定指標(biāo)，一般由道路路面變形、裂縫和車轍等亞指標(biāo)確定。伴隨著20世紀(jì)70年代光學(xué)、計(jì)算機(jī)和測(cè)量等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，圖像處理技術(shù)的產(chǎn)生極大地推動(dòng)了道路檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，已然成了道路檢測(cè)行業(yè)的主流工具[4]。例如，世界上第一個(gè)道路路面圖像檢測(cè)系統(tǒng)Gerpho采用車輛上安裝的攝像機(jī)對(duì)道路路面?zhèn)麚p情況進(jìn)行拍照并采用膠卷保存，結(jié)合衛(wèi)星定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同相片與拍攝地理位置的相互對(duì)應(yīng)，最后以人工的方式對(duì)照片上路面?zhèn)麚p情況進(jìn)行判斷和觀察，在提高道路路面檢測(cè)結(jié)果的精確性的同時(shí)，保障了檢測(cè)人員的工作安全性。ARAN道路路面檢測(cè)系統(tǒng)則通過(guò)采用CCD高速攝像機(jī)對(duì)道路路面的平整度、紋理深度、裂縫大小以及車轍深度進(jìn)行自動(dòng)收集，并通過(guò)自帶的數(shù)據(jù)信息分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)速高達(dá)80km/h情況下的道路檢測(cè)，極大地提高了圖像檢測(cè)技術(shù)在道路領(lǐng)域的適用性和實(shí)效性。

2.4 道路壓實(shí)檢測(cè)技術(shù)

在道路建設(shè)工程中，路面層、地基層和路基層等結(jié)構(gòu)具有良好的壓實(shí)度，能夠有效保障道路具備足夠的結(jié)構(gòu)承載能力以及抗病害能力。因此，壓實(shí)在整個(gè)施工過(guò)程中是一道重要的工序。然而，在實(shí)際工程中，由于道路系統(tǒng)的壓實(shí)度不足是發(fā)生早期破壞的主要原因之一。因此，對(duì)道路壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，可以使相應(yīng)人員充分的掌握道路各組成結(jié)構(gòu)的壓實(shí)性能。目前，針對(duì)道路壓實(shí)檢測(cè)，主要由傳統(tǒng)破壞性方法和無(wú)損方法組成。

傳統(tǒng)破壞性檢測(cè)方法指的是采用現(xiàn)場(chǎng)取樣的方法對(duì)道路的壓實(shí)性進(jìn)行檢測(cè)，主要包含環(huán)刀法、灌砂法和灌水法。首先，環(huán)刀法。將環(huán)刀通過(guò)直接法、落錘法和手錘法等完全壓入至待檢道路測(cè)量點(diǎn)，完成取樣后對(duì)樣品進(jìn)行干密度和含水量的檢測(cè)。其次，灌砂法。在待測(cè)道路層測(cè)點(diǎn)部位挖掘圓形試驗(yàn)洞，其深度和碾壓層深度相同，之后對(duì)挖掘出的材料進(jìn)行重量和含水量的檢測(cè)，完畢后保存。隨后，在試驗(yàn)洞內(nèi)倒入已知物理特性的砂粒，并記錄填滿該洞的砂粒總重量。根據(jù)密度和質(zhì)量的關(guān)系確定試驗(yàn)洞的體積。最后，灌水法。與灌砂法原理相同，以薄膜袋取代砂粒，并通過(guò)灌水使薄膜袋與試驗(yàn)洞壁充分接觸，得到相應(yīng)體積。

無(wú)損檢測(cè)方法較傳統(tǒng)破壞性方法相比，不需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞性取樣，具有高效率、高精度和高適用性等特點(diǎn)[5]。主要應(yīng)用設(shè)備和技術(shù)包括核子密度濕度儀檢測(cè)和瞬態(tài)沖擊頻譜分析檢測(cè)等。例如，核子密度濕度儀的原理是利用檢測(cè)儀器發(fā)射和接收的放射性物質(zhì)（伽馬射線）對(duì)待測(cè)點(diǎn)的密度以及含水量進(jìn)行檢測(cè)。其中，待測(cè)點(diǎn)的密度由伽馬射線的穿透率進(jìn)行確定。含水量由放射源產(chǎn)生的巨能中子與待測(cè)物質(zhì)中氫原子碰撞所產(chǎn)生的低能中子的相應(yīng)計(jì)數(shù)率所確定。該方法雖然被廣泛的應(yīng)用于道路檢測(cè)項(xiàng)目中，但也存在著操作復(fù)雜、精度不高等問(wèn)題。另外，瞬態(tài)沖擊法也是一種常用方法。在該方法中，加速度傳感器被首先安裝于具有一定自由落地高度的小型重錘中。隨后通過(guò)對(duì)釋放后小型重錘和待測(cè)對(duì)象（道路路面或路基）沖擊接觸的瞬時(shí)加速度進(jìn)行分析以得到?jīng)_擊波形圖。采用特征值法對(duì)其進(jìn)行解析，最終得到待測(cè)對(duì)象的壓實(shí)度。

3 道路檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)存在的問(wèn)題以及解決措施

由于城鎮(zhèn)一體化進(jìn)程的加速，我國(guó)道路項(xiàng)目需要提供的功能性增多，傳統(tǒng)的道路檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足新時(shí)代的需求。目前，我國(guó)道路檢測(cè)設(shè)備不高，因此自動(dòng)化程度經(jīng)常面臨復(fù)雜道路系統(tǒng)檢測(cè)的結(jié)果精度較低、工作量大和任務(wù)復(fù)雜程度高等困難，尤其是在道路路面平整度、彎沉檢測(cè)和損傷檢測(cè)等方面。此外，在現(xiàn)有的道路檢測(cè)技術(shù)中，主要以局部和瞬時(shí)為檢測(cè)和評(píng)價(jià)的方法，缺乏道路在實(shí)際服役過(guò)程中的情況體現(xiàn)（如交通量變化、車輛重量分布等），不能夠反映道路在真實(shí)情況下的劣化程度。通過(guò)上述分析，文章以檢測(cè)市場(chǎng)和技術(shù)利用兩個(gè)維度對(duì)如何提高我國(guó)公路檢測(cè)行業(yè)的科學(xué)發(fā)展提出了相應(yīng)的解決措施。

3.1 檢測(cè)市場(chǎng)

目前，對(duì)于道路檢測(cè)，我國(guó)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中還缺乏管理和更新的規(guī)范，缺乏嚴(yán)格的監(jiān)管體系，嚴(yán)重制約了道路檢測(cè)設(shè)備的適用性。采購(gòu)環(huán)節(jié)中，在缺乏有效的監(jiān)管體制和明確的市場(chǎng)準(zhǔn)入制度下，各種道路檢測(cè)項(xiàng)目在不同地區(qū)所使用的檢測(cè)設(shè)備五花八門，種類眾多，對(duì)檢測(cè)人員造成了一定的困擾，阻礙了檢測(cè)效率的提升。另外，由于我國(guó)大多數(shù)技術(shù)監(jiān)督部門并不具備相應(yīng)的技術(shù)人員，造成各種檢測(cè)設(shè)備無(wú)法得到有效的鑒定，不利于新技術(shù)和設(shè)備的引進(jìn)。因此，我國(guó)相關(guān)部門需要對(duì)各個(gè)地區(qū)的檢測(cè)技術(shù)、設(shè)備參數(shù)以及使用分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并制定統(tǒng)一的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)。此外，還需要引入合理的市場(chǎng)監(jiān)測(cè)制度，逐步加強(qiáng)檢測(cè)市場(chǎng)的準(zhǔn)入制度，對(duì)技術(shù)監(jiān)督部門的人員進(jìn)行定期培訓(xùn)，規(guī)范檢測(cè)市場(chǎng)。

3.2 技術(shù)應(yīng)用

我國(guó)道路檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)普遍存在更新滯后、科技含量較低以及檢測(cè)精度不高等問(wèn)題。因此，我國(guó)對(duì)于道路檢測(cè)設(shè)備生產(chǎn)廠家和檢測(cè)運(yùn)營(yíng)公司應(yīng)給與適當(dāng)?shù)呢?cái)政支持，鼓勵(lì)相關(guān)企業(yè)開(kāi)展自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新工作。

4 結(jié)語(yǔ)

自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)道路項(xiàng)目得到了前所未有的發(fā)展，為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、保障人民生活以及社會(huì)穩(wěn)步發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。然而，伴隨著現(xiàn)代道路系統(tǒng)數(shù)量、功能性和復(fù)雜程度的加強(qiáng)，傳統(tǒng)的道路檢測(cè)方法和技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足相應(yīng)的需求。應(yīng)當(dāng)由政府部門牽頭，幫助企業(yè)和高校等科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作，建立完善的產(chǎn)學(xué)研合作體系，加快道路檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備的更新?lián)Q代。