高速公路路面檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用探討

蔡義

（貴陽市城市發(fā)展投資集團(tuán)股份有限公司，貴州貴陽 550000)

0 引言

高速公路作為主要的運(yùn)輸方式，如果在使用過程中頻繁出現(xiàn)負(fù)荷超載現(xiàn)象，就會(huì)導(dǎo)致道路病害問題日益嚴(yán)重。為了能夠保障人們?nèi)粘３鲂邪踩?，需要?duì)高速道路實(shí)行科學(xué)養(yǎng)護(hù)方案。傳統(tǒng)的檢測(cè)應(yīng)用技術(shù)主要以“鉆芯取樣”為主，不僅隨機(jī)性強(qiáng)，同時(shí)對(duì)道路的損害現(xiàn)象也比較嚴(yán)重。為此，隨著計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐漸研發(fā)出了頻譜分析技術(shù)、圖像技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)以及激光檢測(cè)技術(shù)等新型手段，旨在有效提高公路檢測(cè)的準(zhǔn)確性，并提高整體的工作效率。

1 高速公路檢測(cè)技術(shù)的分類

1.1 激光檢測(cè)技術(shù)

激光檢測(cè)技術(shù)原理實(shí)則是通過光電感應(yīng)來對(duì)路面使用狀況進(jìn)行檢測(cè)，其在實(shí)際應(yīng)用過程中通過光電轉(zhuǎn)換，從而在顯示儀器上呈現(xiàn)出不同的波段，而這一波段所表達(dá)的內(nèi)容便是光線隨路面產(chǎn)生的變化情況，工作人員也由此可以根據(jù)檢測(cè)過程中的異常信號(hào)來判斷路面的損壞程度。具體而言，便是需要檢測(cè)工作人員提前在設(shè)備上根據(jù)光的位移量來設(shè)定好電流的基礎(chǔ)參數(shù)，如此一來在進(jìn)行檢測(cè)的過程中，隨著光傳遞到路面的位移變化不同，檢測(cè)儀器中所產(chǎn)生的電流量大小也會(huì)隨之出現(xiàn)變化，由此便可自動(dòng)轉(zhuǎn)化成與路面系數(shù)相關(guān)的各類圖像成果。激光檢測(cè)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于相干性、分辨率、衍射性以及方向性極好，因此其獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)通常也較為準(zhǔn)確。將其應(yīng)用于路面檢測(cè)中，可以有效對(duì)構(gòu)造深度、路面距離、車轍深度、彎沉以及平整度進(jìn)行測(cè)量[1]。

1.2 頻譜分析技術(shù)

頻譜分析技術(shù)是通過感應(yīng)不同波段在路面結(jié)構(gòu)中的傳播頻率，以此分析道路的受損情況。其主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在檢測(cè)速度快，并且能夠滲透到道路面層以下的位置，根據(jù)各層介質(zhì)反映的波段頻率不同來評(píng)估道路使用指數(shù)，因此不僅能夠檢測(cè)面層厚度、均勻性，同時(shí)還能對(duì)瀝青表面與混凝土基層之間的黏結(jié)情況進(jìn)行分析。此外，當(dāng)路面基層存在損壞現(xiàn)象時(shí)，受損區(qū)域與正常路面結(jié)構(gòu)之間會(huì)存在較大差異，因此其傳播界面兩側(cè)的電性會(huì)出現(xiàn)變化，且根據(jù)路面受損類型不同產(chǎn)生繞射波與反射波兩種不同波段，并在時(shí)間剖面上以特殊曲線形式表現(xiàn)出來。根據(jù)這一特征，便可以幫助工作人員對(duì)路面受損位置以及具體深度、類型進(jìn)行確認(rèn)，從而展開針對(duì)性的治理手段，不會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成不必要的損傷[2]。

1.3 圖像檢測(cè)技術(shù)

目前來講，國內(nèi)發(fā)展較為成熟的圖像檢測(cè)技術(shù)主要集中在兩個(gè)方面：

一是激光全息圖像技術(shù)；二是紅外成像技術(shù)。二者的共同點(diǎn)在于都能夠?qū)β访娴奈锢硇誀钭龀龇治?，但差異在于前者不光能夠反映路面的結(jié)構(gòu)信息，同時(shí)還能夠模擬其相關(guān)的力學(xué)參數(shù)，使得工作人員能夠?qū)β访媲闆r進(jìn)行全面掌握，但其技術(shù)成本也相對(duì)高昂；后者則更具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，且適用范圍也相對(duì)寬泛，其主要是根據(jù)紅外感應(yīng)裝置來對(duì)路面基層以下的溫度分布進(jìn)行感應(yīng)，從而根據(jù)其熱傳導(dǎo)系數(shù)判斷材料當(dāng)前的使用狀況，對(duì)于路面是否老化以及結(jié)構(gòu)上的損壞具有較為直觀的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)[3]。

2 檢測(cè)技術(shù)在高速公路路基路面中的應(yīng)用

以某高速工程檢修項(xiàng)目為例，該公路地點(diǎn)位于山麓與平原交匯地帶，沿線全長為13.042km。檢測(cè)作業(yè)的開展需要在沒有實(shí)行交通封閉的情況下進(jìn)行，不僅要保證作業(yè)人員安全，同時(shí)還要避免阻礙車輛正常通行。因此在實(shí)施作業(yè)期間，要求在最短時(shí)間內(nèi)給出檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，并以此為基礎(chǔ)制定合理的維修保養(yǎng)方案。已知該路段于1997年12月25日開始通車使用，現(xiàn)公路存在主要問題有車轍、裂縫以及老化現(xiàn)象，同時(shí)還需要對(duì)路面使用狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

2.1 利用激光傳感器對(duì)路面平整度進(jìn)行檢測(cè)

激光傳感器在作用過程中，可以將其整體設(shè)備劃分為3 個(gè)部分，分別為激光裝置、傳感裝置（加速度計(jì)與陀螺儀）、道路監(jiān)測(cè)車。相較于傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)而言，激光檢測(cè)手段不僅不會(huì)對(duì)路面造成損壞，同時(shí)由于采用車載測(cè)量的方式，檢測(cè)范圍更廣、采集數(shù)據(jù)更快，并可以通過車載計(jì)算機(jī)對(duì)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理。故而當(dāng)車輛按照設(shè)置好的檢測(cè)路線駛完全程后，即可得到準(zhǔn)確的路面檢測(cè)成果，因此檢測(cè)工作不僅高效且準(zhǔn)確性高。

該項(xiàng)目中將檢測(cè)車的速度在42.4～62.3km/h 之間，通過加速度計(jì)控制其行駛速度逐漸遞升。隨后將激光發(fā)射裝置與地面之間的水平傾角設(shè)定為θ1，并保證檢測(cè)期間不會(huì)發(fā)生改變。在檢測(cè)車輛行駛期間，由于旋轉(zhuǎn)陀螺儀的存在，可以保證激光投射傾角θ1以及與地面測(cè)線之間的設(shè)定距離H（k）不會(huì)發(fā)生改變。而一旦路面出現(xiàn)沉降或車轍等病害現(xiàn)象，則其實(shí)際高度h 則會(huì)發(fā)生變化，從而在車載計(jì)算機(jī)終端的數(shù)據(jù)圖像中顯示出來[4]。

2.2 利用超聲波頻譜技術(shù)對(duì)路面強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)

該高速公路表面覆蓋瀝青結(jié)構(gòu)，其下部混凝土基層依次為15cm 級(jí)配碎石墊層、18cm 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石底基層、36cm 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層。在長期使用過程中，由于車輛反復(fù)荷載的作用下會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)老化或損壞現(xiàn)象，超聲波頻譜檢測(cè)便是利用這一特點(diǎn)，根據(jù)聲波在不同介質(zhì)中傳遞的“聲壓幅值”來判斷路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。其中“聲壓幅值”描述的是根據(jù)聲波傳遞速度與混凝土抗壓強(qiáng)度“?cu”之間的關(guān)系，混凝土強(qiáng)度“?cu”的數(shù)值越高，聲波傳遞的速度以及時(shí)間也就會(huì)隨之發(fā)生變化，此時(shí)超聲波信號(hào)接收裝置中便會(huì)同步呈現(xiàn)出不同的聲波頻譜，以此幫助工作人員對(duì)公路強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行評(píng)估。

但在使用過程中，工作人員需要關(guān)注的問題便是該高速公路面層分為多個(gè)結(jié)構(gòu)，因此在使用超聲波頻譜技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)的過程中，需要考慮聲波在不同介質(zhì)中傳播產(chǎn)生的干擾問題，需要對(duì)其聲波曲線產(chǎn)生的誤差值進(jìn)行計(jì)算。關(guān)于其中具體算法，通常會(huì)采用回歸分析法建立方程，以此求出相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。而國家也針對(duì)這一問題形成了有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)的專用測(cè)量曲線，以便在使用頻譜檢測(cè)技術(shù)時(shí)能夠獲得標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范[5]。為此采用分組試驗(yàn)方案，將公路沿線劃分為了64 組數(shù)據(jù)采集測(cè)塊，分別使用超聲波頻譜技術(shù)對(duì)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)，同時(shí)將獲得的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式（1）中：?cu——表示測(cè)塊區(qū)域的混凝土抗壓強(qiáng)度，單位為MPa；

v——表示超聲波的傳遞速度，單位為“km/s”；

A、B 分別代表不同的回歸系數(shù)。

2.3 利用探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)對(duì)路面厚度進(jìn)行檢測(cè)

探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)與超聲波頻譜檢測(cè)技術(shù)的作用原理類似，都是通過波段在介質(zhì)中的傳播狀態(tài)來判斷道路面層的實(shí)際情況。區(qū)別在于探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，同時(shí)適用的范圍也更為廣泛，且不易受到外力因素干擾。其在檢測(cè)過程中，先利用雷達(dá)設(shè)備發(fā)送固定頻率的電磁波，然后根據(jù)其在路面基層中的傳播時(shí)長，來對(duì)介質(zhì)整體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行分析。因此其不光能夠?qū)Ω鱾€(gè)面層的厚度、強(qiáng)度進(jìn)行判斷，同時(shí)對(duì)于一些隱藏在結(jié)構(gòu)深處的裂縫、脫空問題也能夠做出準(zhǔn)確檢測(cè)，因此無論是在道路施工還是病害檢測(cè)中都具有極為廣泛的適用性[6]。

該項(xiàng)目由于使用了不同材料來建設(shè)路面基層，因此在不考慮其建筑層密度與孔隙率的情況下，僅需要通過測(cè)量電磁波在路面結(jié)構(gòu)中的傳遞時(shí)長，便可以對(duì)當(dāng)前路面的厚度情況進(jìn)行判斷，以此來尋找其結(jié)構(gòu)不均勻的位置，具體可用式（2）進(jìn)行表達(dá)。

式（2）中：z——表示電磁波在當(dāng)前功率下能夠到達(dá)地下深度的最大距離；

t——電磁波在介質(zhì)中傳遞的實(shí)際時(shí)長；

x——電磁波在介質(zhì)中傳遞的實(shí)際距離；

v——電磁波在介質(zhì)中傳遞的平均速度。

而在這一過程中，“t”是表現(xiàn)路面鋪層厚度是否均勻的最直接數(shù)據(jù)。除了以此判斷路面厚度情況以外，通過車載計(jì)算器接收到的信號(hào)特征，還可以利用幅度變化、相位差、頻率差等重要數(shù)值來構(gòu)建出路面結(jié)構(gòu)的幾何變化圖像，以此顯示其中存在的具體病害信息。在實(shí)際操作過程中，工作人員可以通過以下步驟來完成檢測(cè)。

首先，道路普查工作。將測(cè)區(qū)沿線道路按照1.75±0.25m 的斷面間隔進(jìn)行劃分，同一道路水平面上至少要保證有2 條測(cè)線。隨后設(shè)定地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)車的初始時(shí)速為20km，按照劃定的測(cè)線范圍進(jìn)行行駛，以此初步檢測(cè)路面結(jié)構(gòu)之下的異常區(qū)域。

其次，道路詳查工作。初步根據(jù)雷達(dá)信號(hào)判定路面異常位置之后，需要工作人員進(jìn)一步設(shè)置測(cè)點(diǎn)，以此對(duì)信號(hào)顯示異常區(qū)域進(jìn)行更為細(xì)致的勘測(cè)。具體布點(diǎn)方式為按照橫、縱向垂直銜接的方式，保持1.75±0.25m 斷面間隔來設(shè)置4～9 個(gè)測(cè)點(diǎn)，然后使用手推式雷達(dá)探測(cè)儀器沿著測(cè)點(diǎn)之間的連接線段進(jìn)行測(cè)量，以此更為精確地判斷路面隱藏病害的位置、大小、類型。在這一過程中如果檢測(cè)路段為彎道的情況，工作人員可以適當(dāng)縮小測(cè)點(diǎn)之間的斷面間距，將間距控制在1.25±0.25m 范圍內(nèi)，然后將多個(gè)測(cè)點(diǎn)之間按照大于90o角的情況進(jìn)行連接，以此組成更為密集的測(cè)線。此過程中為了進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，還可以分別使用400MHz、200MHz、100MHz 電磁波按照由淺至深的順序?qū)β访娼Y(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，并通過最后的數(shù)據(jù)對(duì)比來保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

最后，鉆探檢測(cè)。當(dāng)確定了路面病害的存在信息，同時(shí)將其大致區(qū)域縮小至1m 范圍以內(nèi),工作人員即可進(jìn)一步施展鉆探工藝進(jìn)行測(cè)量并實(shí)施修復(fù)。該項(xiàng)目為減少對(duì)路面損害情況，將鉆孔半徑設(shè)置在30cm 以下，確定了具體的損壞情況之后，可直接由鉆孔處進(jìn)行灌漿修復(fù)處理。

2.4 利用落錘式彎沉儀對(duì)路面彎沉值進(jìn)行檢測(cè)

落錘試驗(yàn)使用過程中對(duì)地面進(jìn)行錘擊而產(chǎn)生的沖擊力，來模擬道路使用過程中受到的動(dòng)態(tài)荷載，以此檢測(cè)路面的彎沉系數(shù)，并判定其使用狀況是否良好。其設(shè)備整體由重錘與液壓機(jī)共同組成，儀器上裝有動(dòng)力感應(yīng)裝置，可以在試驗(yàn)過程中精準(zhǔn)的采集數(shù)據(jù)，然后傳送到計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行處理。

在該檢測(cè)項(xiàng)目中，由于工程沿線的地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在陡坡以及河流等特殊地形條件。因此不同區(qū)域的地基對(duì)于路面起到的承載能力也各不相同。按照我國高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)路面荷載至少要維持在15～50kN 之間，因此為了測(cè)量路面彎沉值是否符合標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，在進(jìn)行檢測(cè)期間工作人員選取了一段長度在500～800m 范圍內(nèi)的路段，共布設(shè)68 個(gè)測(cè)點(diǎn)展開落錘彎沉試驗(yàn)。每一測(cè)點(diǎn)的設(shè)定區(qū)間為半徑15cm 的圓形區(qū)域，檢測(cè)時(shí)長需要控制在20min 左右，重錘落點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)之間不可超過20mm 誤差[7]。

隨后按照回歸計(jì)算的方式對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)重錘產(chǎn)生沖擊力與路面彎沉值x 與y 之間的線性關(guān)系，列出計(jì)算方程為y=Ax+B，其中的回歸系數(shù)A 與B 可以使用留用系數(shù)R 進(jìn)行代替。由此可得到計(jì)算式（3）。

求出計(jì)算結(jié)果后即可與國家標(biāo)準(zhǔn)建筑參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而判斷公路整體使用狀態(tài)。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著科技水平的快速發(fā)展，公路檢測(cè)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了全方位突破。在對(duì)現(xiàn)有高速公路檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，依次對(duì)路面平整度、強(qiáng)度、厚度與彎沉值等相關(guān)的測(cè)量手段進(jìn)行了介紹，希望能夠有效提高道路養(yǎng)護(hù)檢測(cè)質(zhì)量，并為人們提供更加安全的出行條件。