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路面强度检测现状及发展综述
发布日期:2017/2/13

路面强度检测现状及发展综述

侯君辉1,2,陈化祥1,2,刘辉1,2

1.交通运输部公路科学研究所,北京 100088;2.北京市路兴公路新技术有限公司,北京 100088)

 

摘要:弯沉是反映路面结构性能的一个重要指标,各国对此都进行了深入研究,本文主要介绍了当前国内外路面弯沉检测技术及装备,分析了传统设备的测量原理以及技术特点,随着技术的不断进步,新一代的高速激光弯沉的出现解决了当前路面弯沉检测效率低下的瓶颈问题,可为路面技术性能评价模型的应用提供必须的数据支撑,必将推动我国公路检测行业的快速发展。

关键词:路面;弯沉;检测 ;快速检测

 

弯沉是反映路面结构性能的一个重要指标,路面弯沉不仅反映路面各结构层及土基的整体强度和刚度,而且与路面的使用状态存在一定的内在联系。路面弯沉检测与分析是路面承载力评价的基础,是路面使用性能评定的重要组成部分,它不仅对检验和控制工程质量至关重要,而且决定路网养护决策的科学化水平,直接影响养护资金分配和旧路改造设计的合理性。关于路面弯沉的检测及评价技术的发展也十分迅速,基本实现了由人工向自动化检测技术发展,由慢速检测向高速检测发展,随着自动化技术以及计算机技术的快速发展,路面弯沉检测正在向着高效率、高精度的方向发展,这也是今后发展的主要趋势。

1 传统的路面弯沉检测技术及装备

1.1 贝克曼梁法

贝克曼梁法测定路面弯沉的原理是在规定的标准轴载作用下,路面表面在轮隙位置会产生垂直形变,通过标准轴载的载重汽车进行加载,当加载稳定后,汽车缓缓离开,通过读取百分表前后变化的读数,来测量路基或路面表面的回弹弯沉。

贝克曼梁测定路面回弹弯沉操作简单,在我国曾广泛应用,我国路面设计及检测的标准方法和基本参数都是建立在这种方法的基础之上,但是这种方法在整个测试过程中都是有人操作,测试结果受人为因素和环境因素的影响较大,并且测试速度慢,归纳起来主要存在如下不足:

    1)只能测得单点最大回弹弯沉值,无法反映弯沉盆的形状和大小;

    2)贝克曼梁法测得的弯沉基本属于静态弯沉,与实际行车的情况有所不同,难以对结构承载力做出准确的评价;

    3)在测试过程中,受环境和人为因素的影响较大,测试的精度较差;

    4)工作强度较大,测试效率较低,同时测试人员的安全性较差,还需要对交通进行封闭处理,无法满足大规模数据采集的需求。

1.2  自动弯沉仪法

为了降低测试人员的劳动强度,提高测试效率,改善采集数据的准确度,国外在20世纪70年代末期利用快速发展的电子和计算机技术研制开发出了自动弯沉仪,自动弯沉仪的基本原理是利用杠杆原理,通过测试臂测头将轮隙间的路面在标准轴载作用下产生的竖向位移传递到测量机构,然后通过计算机控制系统再进行自动采集和处理,测量臂结构图见图1

1   激光自动弯沉仪测量臂布置图

在测量过程中,当测量臂到达测点位置时,激光位移传感器开始记录测量臂当前的高度位置,当检测车的车轮向前行驶,测试车后轮逐渐接近测试点时,测试点处的梁臂在后轴荷载作用下会不断下沉,同时带动激光反射面向下移动,激光位移传感器就可以测出相应点处路面在标准荷载作用下的路面弯沉值了。

自动弯沉仪测试的是路面的结构体的静态总弯沉,由于该类设备具有简易实用及可操作性强等优点,并且与贝克曼梁有很好的相关性,其正常测试速度为5km/h,完全实现了连续测量,左、右轮约6-8米同时采集一次数据,逐点进行温度修正,数据采集客观、准确、密度大,同时测试实现了自动化测量,大大节约了人力和物力,因此激光自动弯沉仪可作为工程质量监督和管理的一个重要工具,目前该类设备已广泛应用于我国各等级公路的检测测试。

1.3  落锤式弯沉检测法

落锤式弯沉仪检测技术是通过标准质量的重锤落下一定高度发生的冲击荷载作用下,路基或路表面产生的瞬时变形,分布于距测点不同距离的7-9个传感器检测结构层表面的变形,然后将采集信号传输至计算机,即可测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆,示意图见图2,测试数据可用于反算路基路面各层材料的动态弹性模量,从而科学的评价路面承载力。

 

2  落锤式弯沉仪传感器器布置及作用示意图

落锤式弯沉仪是一种比较先进的路面承载能力动载评定设备,它具有无损、高效、高精度及采集数据量丰富等特点,至今已在全世界范围内广泛得到不同程度的应用。该类设备具有以下特点:

(1)荷载控制准确度较高。由于落锤式弯沉仪采用目标荷载、目标高度进行试验控制,因而对于控制试验精度十分有利;

(2)通过分布不同位置的高精度传感器,可以得到路面结构的弯沉盆曲线,后期还可利用弯沉数据对路面结构模量进行反算;

(3)自动化程度高,数据处理速度较快。通过专门的数据采集和数据分析软件,实现了弯沉数据归一化处理、各种误差计算、里程桩号转化、温度修正等;

(4)检测速度约为3-5km/h,需要对道路进行封闭处理,在高速检测时,存在一定的安全风险;

2  国外高速弯沉快速检测技术现状

针对传统的静态弯沉测量或者低速弯沉测量现状,从上世纪80年代开始,国外就开始研发更新一代的快速弯沉检测设备,目前该类型的设备有的已处在商业阶段。具有代表性的有美国联邦高速公路管理局FHWA 的RWD (Rolling Wheel Deflectometer)设备、丹麦GreenWood 公司的TSD (Traffic-Speed Deflectograph) 设备。

2.1  美国RWD高速弯沉仪  

美国RWD高速动态弯沉检测设备,如图3所示,主要是利用激光直接测量道路表面在标准轴载作用下发生的弯沉值,它通过安装在一套铝型横梁上的4个激光位移传感器测得的横梁离地高程,通过比较路面同一点处在没有荷载和有标准荷载作用下时的高程变化,通过计算直接得到路面弯沉值。

                   

 

 

 

     

 

3  美国的RWD高速路面弯沉检测车

RWD高速动态弯沉检测原理是:在测试车底盘下方,沿后承载轮前方,安装一个铝型横梁,在横梁上按照相同的间距(2.44m)放置四个激光测距传感器,如图4所示:

 

4  高速移动弯沉检测原理示意图

 

在铝型横梁上,四个激光器分别为A、B、C、D,在某一时刻,4个激光器分别采集得到四个高程值为,当车辆前进距离为2.44m时,使激光器D落在前面激光器C的位置上,此时再采集四个激光器的离地高程值,如图1-2所示。由于车辆颠簸振动等原因,B、C激光测得两点处高程与A、B激光测得的两点处的高程不同。首先假设铝型横梁挠度变形忽略不计,以及相邻激光点间距相等情况下,根据上述几何关系我们可以推出路面弯沉值,如式(1)计算公所示:

    1)

采用这种方法虽然能直接得到路面弯沉值,但是在实际的测试中影响的因素较多:如铝型横梁随温度的变形、由于自身长度较长而发生弯曲变形、路面平整度、构造深度、横梁振动以及车辆行驶过程中的姿态变化等十分复杂情况。

2.2 丹麦TSD高速弯沉车

丹麦的TSD高速路面弯沉检测车,如图5所示。它是在高速行驶过程中通过激光多普勒效应来测试地面在荷载作用下的垂直下沉速度, 再通过相关程序计算出最大弯沉及弯沉盆数据。

 

5 丹麦的TSD高速路面弯沉检测车

激光多普勒效应的原理是, 当一束频率为的光波发射到测试表面时, 若测试表面与速度表面发生垂直移动,那么反射光波的频率将发生变化为 ,如图6所示。 通过激光多普勒传感器测出频率变化后, 按式(2) 可计算:

                                 (2)

式中:为多普勒频率;为发射光波波长。

此处认为当测试表面达到最大弯沉时,表面速度应为零,通过对沿弯沉盆分布各点速度变化的分析与计算,能够得到最大弯沉值。该测试结果为动态弯沉,路面状况与实际行车作用完全一致。

 

 

 

 

 

6  光波频率变换

因其采用非接触检测方式工作, 故能够以高达70 Km/h 的速度精确测试地面弯沉。该设备机械结构简单, 有一个可自动拆卸的荷载系统, 测试时加载体安装在承载装置的底部, 在非作业状态时卸下,减少荷载对承载装置的变形影响。

为了克服车辆在行驶过程中的颠簸对多普勒激光传感器影响,需要一套高精度惯性测量系统,用于修正车辆颠簸造成测试横梁上各激光器姿态的变化,从而计算路面实际弯沉变化的速度。路面变形速度变化如图7所示。


 

7 路面变形速度变化图

3  国内高速激光弯沉仪的研制与开发

在国内,以北京市路兴公路新技术有限公司和武大卓越科技有限责任公司为代表的装备研发单位也已经完成了同类产品的样机制造,检测速度能达到20~100km/h。与贝克曼梁和落锤式弯沉仪的相关性试验、设备重复性试验及速度变异性试验等多项试验结果表明,国产设备完全能满足实际使用要求,完全解决了目前路面强度检测所面临的问题,相关设备见图8。

8   国产新型高速激光弯沉仪

国内设备同样采用激光多普勒测速原理,在测试车后轮前方的钢梁上沿行车方向上设置若干个多普勒激光传感器,通过弯沉盆内的多普勒传感器测量指定位置的路面变形速率,弯沉盆之外的多普勒传感器作为一个基准测量仪,通过分析若干个不同位置上传感器的数据,准确测量出因加载车造成的路面垂直微小波动(0.01 mm~0.6 mm),通过最终计算得到路面真实的弯沉值。

高速激光弯沉仪主要由牵引装置、承载平台、多普勒激光传感器、激光控制器、环境控制系统、惯性测量系统、距离测量装置、数据采集处理系统、供电系统等组成,结构示意图见图9。

9   高速激光弯沉结构示意图

由于该类设备采用非接触式连续测量,检测速度能达到20~100km/h,该类设备在与贝克曼梁和落锤式弯沉仪进行了大量的相关性试验,结果表明,高速激光弯沉的检测结果完全能满足我国道路检测的相关要求。目前,该类设备在国内已经开始进行大规模的检测应用,累积检测历程超过2万公路。相比目前的常用检测方法,此类设备具有如下明显优势:

   1)检测速度快,安全性好

路面弯沉快速检测设备测量速度快,经济效益及社会效益都十分显著。以90km/h为例,检测450公里只需5个小时即可完成;传统检测设备以4.5km/h为例,同样检测450公里却需要100个小时,按每天8小时计,需要12.5天以上,而且检测过程中的各种开支消耗及人员占用、对正常路况交通流的影响都很大。新型路面弯沉快速检测设备是以正常的车速行驶在高速公路上,只需一位驾驶员和一位测试人员在驾驶室内即可完成所有的检测工作,整体安全性好。

   2)检测效率高,可为网级路面弯沉检测提供基础数据

路面弯沉快速检测技术主要是依据测量路面变形速度计算路面弯沉,该方法理论完善,设备稳定性好,检测效率高,打破了一直以来制约网级路面弯沉检测速度较慢的技术瓶颈,能快速的对网级路面弯沉进行全面检测,快速提供《公路技术状况评定标准》评价模型所需相关的基础数据,从而提出的最经济、最合理的养护计划方案。

4  展望

科学技术的进步必将推动公路检测行业的快速发展,高速激光弯沉的成功研发并广泛应用,解决了网级道路技术性能评价系统中弯沉检测效率低下这块短板,可为路面技术性能评价模型的应用提供必须的数据支撑,为公路网后期的养护及维修计划提供更可靠的数据依据,可将有限的养护资金以最优的分配方式用于我国公路的维修养护。

 

 

 

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