公路路基路面回彈彎沉檢測研究

摘要 為提升公路路基路面回彈彎沉檢測的準(zhǔn)確性和效率，該文通過介紹光電彎沉檢測裝置的設(shè)置方法，詳細(xì)闡述了光電信號采集的流程，并對公路路基路面回彈彎沉的計(jì)算方法進(jìn)行了深入分析。提出了基于光電信號采集和處理的回彈彎沉計(jì)算方法，通過此方法可以更加準(zhǔn)確地反映公路路基路面的實(shí)際狀況，為公路養(yǎng)護(hù)和維修提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明，采用光電彎沉檢測裝置進(jìn)行公路路基路面回彈彎沉檢測，不僅提高了檢測精度，而且顯著提升了檢測效率，為公路工程建設(shè)和養(yǎng)護(hù)提供了有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 公路路基；路面回彈；彎沉檢測

中圖分類號 U416 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）18-0175-03

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，公路作為連接城鄉(xiāng)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要通道，其安全性和舒適性越來越受到人們的關(guān)注。公路路基路面的質(zhì)量直接關(guān)系到車輛行駛的平穩(wěn)性和安全性，因此，對公路路基路面的回彈彎沉進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的檢測顯得尤為重要[1]?；貜棌澇潦欠从彻仿访娼Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承載能力的重要指標(biāo)，其檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響到公路養(yǎng)護(hù)和維修決策的科學(xué)性，近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，公路路基路面回彈彎沉檢測方法也在不斷更新和完善。傳統(tǒng)的檢測方法雖然具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性，但往往存在操作復(fù)雜、效率低下等問題，因此研究新型回彈彎沉檢測技術(shù)，提高檢測效率和準(zhǔn)確性，成為當(dāng)前公路工程技術(shù)領(lǐng)域的重要課題[2]。該文旨在探討公路路基路面回彈彎沉檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，分析各種檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合工程實(shí)例，提出一種新型的回彈彎沉檢測方法。

1 光電彎沉檢測裝置設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)對公路路基路面回彈彎沉的檢測，引入光電彎沉檢測裝置，該裝置的運(yùn)行原理如圖1所示。

在實(shí)際檢測過程中，為了確保公路路基路面的回彈彎沉數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，首先將一束精心調(diào)試的激光束精準(zhǔn)地置于待測點(diǎn)，此步驟至關(guān)重要，它直接關(guān)系到后續(xù)檢測數(shù)據(jù)的精確性。隨后，激光束被精準(zhǔn)地射入光電接收器，光電接收器迅速而準(zhǔn)確地捕捉到激光信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號[3]。緊接著，這些電信號通過光電攝像系統(tǒng)高效穩(wěn)定地傳輸至光電信號獲取系統(tǒng)，在光電信號獲取系統(tǒng)中，信號被精確地采集和記錄，確保了數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性。最后，通過與PC機(jī)的通信連接，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲和處理，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供了便捷的條件。整個檢測過程嚴(yán)謹(jǐn)而高效，確保了回彈彎沉檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，發(fā)光的光源類型豐富多樣，包括但不限于LED、白熾燈以及激光等。在此基礎(chǔ)之上，該文提出了一種具備高穩(wěn)定性及小發(fā)光面積的新型熒光源，經(jīng)過研究對比，該文決定選用激光器作為光源，此選擇主要基于激光器的以下幾個顯著特點(diǎn)：第一，出色的單色性，激光器的輸出色純度相比傳統(tǒng)光源有著顯著的優(yōu)勢，高達(dá)10倍的提升，因此激光器作為相干光源表現(xiàn)出色，尤其適用于光通信領(lǐng)域[4]，此外其優(yōu)良的單色性特性還使得濾光片技術(shù)能夠有效消除其他雜光源的干擾。第二，極強(qiáng)的指向性，激光的發(fā)散角極小，僅達(dá)到毫弧量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)光源的發(fā)散角，差異達(dá)到了2～3個數(shù)量級。第三，卓越的亮度，在激光焦區(qū)，其輻射照度遠(yuǎn)超一般光源，達(dá)到了10多倍的水平，這一特性使得激光器在需要高亮度的應(yīng)用場合中表現(xiàn)出色。

在實(shí)際的彎沉檢測中，為保證測試的分辨力和準(zhǔn)確性，需要將被測的彎沉量與被測信號所對應(yīng)的位移值等效，從物理學(xué)角度看，光的成像公式為：

1/l+1/l=f （1）

式中：l——物距（mm）；l——像距（mm）；f——光學(xué)透鏡焦距（mm）。若規(guī)定要求兩個位移大小相同，則必須滿足物距與像距相等，即=的條件，因此根據(jù)上述公式可推算得出應(yīng)等于2倍的光學(xué)透鏡焦距f，放大倍數(shù)此時為：

k= l/l =1 （2）

式中：k——放大倍數(shù)，按照目前的技術(shù)指標(biāo)，該文選擇250 mm焦距的光學(xué)鏡頭（物鏡），獲得的放大率k<1，通過透鏡后，再將其放大，獲得期望的位移信號，其基本原理如圖2所示。

充分利用這一原理，不僅滿足檢測精度要求，同時實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的合理。

對于彎沉測量范圍的確定，彎沉梁的前端節(jié)點(diǎn)設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)車輛的輪胎中間，在彎沉車3.6 m之外的支點(diǎn)和數(shù)據(jù)收集盒的支架三個位置都在同一水平面內(nèi)，例如沉彎梁是3.6 m，位于彎沉車外側(cè)的數(shù)據(jù)收集箱是0.36 m，前后兩部分的比例是10∶1。在實(shí)測中，由于路面不平度的影響，尾部會與水平方向產(chǎn)生偏差[5]，為解決這個問題，根據(jù)杠桿原理，在尾端向上和向下移動1個單位的距離，就需要向前移動10個單位，此時若后端移動為，前端位移為，則有：

l/L = 1/10 （3）

式中：l——支點(diǎn)到后端距離（mm），L——支點(diǎn)到前端距離（mm），結(jié)合杠桿原理得出：

H=10h （4）

式中：H——前端位移（mm），h——后端位移（mm）。采用貝克曼梁回彈式彎沉檢測原理，需將待測彎沉與被測物體表面的撓度等效，所以貝克曼梁末端的運(yùn)動距離不得超出35 mm，否則接收器（數(shù)據(jù)收集盒）無法接收到光源發(fā)出的光，從而造成測量失敗[6]。在光源設(shè)計(jì)方面，將光源置于基準(zhǔn)位時，將其投射至CD中心17.5 mm，這就需要將光源的升降幅度限制在17.5 mm以內(nèi)，所以貝克曼梁尾端的上下運(yùn)動幅度不得大于1.75 mm。

若將單光源置于貝克曼梁前端，則可獲得貝克曼梁尾端上、下位移h=±1.75 mm的測量值。如果在原來的光源上另加一個光源，那么兩個光源的邊沿就不能精確地重合了，因此要把其位置安排得有重疊，在原始光源的正上方34 mm位置加一顆光源，使其量程達(dá)到70 mm。如果把兩個光源放在一起，測量距離就會增加一倍，這樣類推，再放一個光源，測量距離就會增加一倍[7]。但實(shí)際上，貝克曼梁的前端被安置在了標(biāo)準(zhǔn)車輛的輪胎中央，因此，其內(nèi)部空間并不大，無法無限地容納更多的光源，通過實(shí)測表明，采用三種不同的光源，可以在保證測量范圍的同時，不會對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)造成任何影響，在這種情況下，測量范圍可達(dá)90 mm，并能在后端上下位移h=±4.5 mm內(nèi)接收數(shù)據(jù)。

2 光電信號采集

光電信號的采集分為：光電信號轉(zhuǎn)換、信號放大、AD轉(zhuǎn)換以及信號與上位機(jī)之間的通信傳輸，光電信號變換的基本功能就是將光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電信號，并對其進(jìn)行處理[8]。CCD是光電信號變換設(shè)備的核心部件，其由多個感光像素按一定的規(guī)則排列而成，每一個像素都相當(dāng)于一個MOS電容，如下面的圖3所示。

CCD實(shí)質(zhì)上是在P型硅基片的表面上，氧化過程產(chǎn)生約1 000～1 500 A的硅石，隨后在硅石表面蒸鍍一層名為多晶硅的金屬層，接著將偏置加到襯底和金屬電極之間，便可形成MOS電容。其工作原理為：用一束光照射在這個電容上，使其通過透明電極、氧化物層，到達(dá)P型硅基片，在硅基片上產(chǎn)生的負(fù)電荷吸收光子，使其能量躍遷至導(dǎo)帶。

信號在經(jīng)過CCD后，由于幅值較小，且存在雜音，因此需要對其進(jìn)行處理。利用一階電容濾波電路對信號進(jìn)行處理。假設(shè)濾波器的輸入電壓為X，輸出電壓為Y，則電路的微分方程可寫作：

RCdX/dt +Y=X （4）

式中，令，T=RC，T——時間常數(shù)，對上述公式（1）進(jìn)行拉氏變換得到：

H（s）= 1/Ts+1 （5）

式中：H（s）——拉氏變換函數(shù)，s——函數(shù)約束條件，T——時間常數(shù)。

3 公路路基路面回彈彎沉計(jì)算

根據(jù)采集到的光電信號，結(jié)合貝克曼梁測量方法對公路路基路面回彈彎沉進(jìn)行計(jì)算，在進(jìn)行正式的測量前，進(jìn)行預(yù)備工作準(zhǔn)備。首先確保測試所使用的標(biāo)準(zhǔn)車制動性能優(yōu)良，輪胎內(nèi)胎的氣壓滿足規(guī)范；其次在標(biāo)準(zhǔn)車上加載重物，使之達(dá)到計(jì)量時所需的重量；檢驗(yàn)彎曲式千分表的靈敏度；在檢測過程中，使用路表溫度計(jì)測量空氣溫度和路面溫度等。一切準(zhǔn)備就緒，可以進(jìn)行正式的測量，圖4為貝克曼梁原理圖。

該測量被劃分為以下幾步：

（1）將待測點(diǎn)設(shè)于待測路段，按要求確定測點(diǎn)之間的距離，測量點(diǎn)應(yīng)該沿著人行道上的輪胎軌跡進(jìn)行分配。

（2）在測量點(diǎn)之后，使標(biāo)準(zhǔn)車輛的后輪的輪距與測量點(diǎn)后大約3～5 cm的距離對齊。

（3）在車輛后輪的輪隙中插入彎曲梁的尖端接觸點(diǎn)，使其與標(biāo)準(zhǔn)車輛的方向?qū)R，試驗(yàn)橫梁不得與輪胎接觸，然后將千分表固定在彎曲桿上，并將表調(diào)零，后用手指敲擊彎曲桿，以確定其平穩(wěn)的零點(diǎn)。

檢測人員打出了啟動的信號，隨著標(biāo)準(zhǔn)車輛的緩緩移動，百分表也會隨著四條道路上的形狀參數(shù)的變化而不斷改變，直到指針達(dá)到最大，才能快速讀出第一個讀數(shù)L1。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)車向前移動時，指針會反轉(zhuǎn)，當(dāng)其離開彎曲的半徑范圍時，試驗(yàn)者會發(fā)出停止的信號，當(dāng)千分表的指針穩(wěn)定下來之后，重新讀出最后的讀數(shù)L2，一輛普通汽車的行進(jìn)速度應(yīng)該是5 km/h，公路路基路面被測點(diǎn)的回彈彎沉值計(jì)算公式為：

L=（L?L）×2 （6）

式中：L——路面溫度為T時回彈彎沉量（mm），L——接近輪心鄰近彎沉儀器時百分表最大讀數(shù)（mm），通常精確到0.01mm，L——超過彎沉影響半徑時的百分表讀數(shù)（mm），通常精確到0.01mm。基于已有的貝克曼梁彎沉探測方法，將激光位移測量方法引入到測量中，解決了常規(guī)測量方法的缺陷，將激光光源置于被測點(diǎn)上方，將光電接收器置于彎沉盤的外側(cè)，在激光束隨路面形變而上下運(yùn)動的情況下，利用光電接收設(shè)備可以快速準(zhǔn)確地測出路面的彎沉：

Δy=ΔH/K （7）

式中：Δy——路面彎沉檢測結(jié)果（mm），ΔH——傳感器測定的位移（mm），K——放大倍數(shù)（倍）。

4 結(jié)論

通過對公路路基路面回彈彎沉檢測技術(shù)的深入研究，該文提出了一種新型的檢測方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和有效性，該方法不僅提高了檢測效率，而且能夠更準(zhǔn)確地反映公路路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承載能力，為公路養(yǎng)護(hù)和維修提供了重要的技術(shù)支撐。然而，公路路基路面回彈彎沉檢測技術(shù)的研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)，隨著公路使用年限的增加和交通量的不斷增大，公路路面的損傷和變形問題日益嚴(yán)重，對回彈彎沉檢測技術(shù)的要求也越來越高，因此后續(xù)需要繼續(xù)深入研究回彈彎沉檢測技術(shù)的原理和方法，探索更加高效、準(zhǔn)確的檢測手段，為公路工程建設(shè)和養(yǎng)護(hù)提供更為可靠的技術(shù)保障。

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