自20世紀60、70年代以來,許多國家都陸續(xù)建立了較為完善的道路養(yǎng)護管理系統(tǒng),這些系統(tǒng)的建立有效地保證了養(yǎng)護的科學性,但普遍面臨數(shù)據(jù)采集手段相對落后的問題:大量的設(shè)備在使用時費時、費力、對交通影響大,有些還要破壞路面結(jié)構(gòu)的完整性,而且數(shù)據(jù)的精度也難以得到保證。為此,各國針對道路檢測技術(shù)開展了深入研究,并且隨著計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)、高精度測微技術(shù)的進步,在最近的20年里有突破的進展。我國從20世紀80年代后期開始,通過設(shè)備與技術(shù)引進和自主開發(fā),在路面檢測方面也有了巨大的發(fā)展。本文在國內(nèi)外考察與研究的基礎(chǔ)上,總結(jié)了路面主要無損檢測技術(shù)和相關(guān)研究的最新進展,分析了在我國的應(yīng)用與研究情況及發(fā)展趨勢。
1.無損檢測技術(shù)與相關(guān)研究
1.1 彎沉測試 落錘式彎沉儀(FWD)是目前應(yīng)用較為廣泛的彎沉檢測設(shè)備,代表了彎沉檢測的發(fā)展方向。它的基本原理是通過液壓系統(tǒng)提升和釋放荷載塊對路面施加沖擊荷載,荷載大小由落錘質(zhì)量和起落高度控制,荷載時程和動態(tài)彎沉盆均由相應(yīng)的傳感器測定。20世紀60年代,法國首先提出沖擊式動力彎沉儀的初步設(shè)想,70年代后期丹麥和瑞典首先研制成FWD。80年代以后,美國、英國和日本等相繼引進和仿制了這種彎沉儀。研究表明,F(xiàn)WD的沖擊荷載與時速60~80公里的車輛對路面的荷載相似,可以較好地模擬行車荷載作用,并且測速快,精度高,因此自20世紀80年代初以來,F(xiàn)WD在國際上得到日益廣泛的應(yīng)用,至今已有50多個國家和地區(qū)引進了FWD。
美國聯(lián)邦公路局經(jīng)過對比分析,確認FWD是較理想的路面承載能力評定設(shè)備,并選為實施SHRP計劃中路面承載能力評定部分的重要設(shè)備;殼牌石油公司也已正式將FWD的應(yīng)用納入殼牌路面設(shè)計手冊[1]。美國早在1994年就有80%的州擁有至少一臺FWD,我國到2001年底有約40臺FWD在各地使用,并且用戶數(shù)還在不斷地增加。 繼FWD之后,新一代彎沉儀RWD(Rolling Wheel Deflectometer 滾輪式彎沉儀)正處于研究階段。它是采用高頻激光掃描,連續(xù)地記錄行駛中的測試車在路表產(chǎn)生的彎沉,測試速度約55英里/小時。
目前主要有Dynatest(丹麥)與Quest Integrated(美國)合作、美國密西西比州的ARA (Applied Research Associates)公司和瑞典的RDT等機構(gòu)從事RWD的研制工作,第一代產(chǎn)品已經(jīng)問世,精度適合于路網(wǎng)普查。RWD的最大優(yōu)點是:所記錄的是真實受力狀態(tài)、而不是模擬荷載狀態(tài)下的彎沉,并且測速遠大于FWD,因此對交通的影響較小,是較為理想的彎沉檢測設(shè)備,因此是此類設(shè)備的重要發(fā)展方向。 得克薩斯大學開發(fā)的RDD(Rolling Dynamic Wheel Deflectometer 滾動動力彎沉儀)的加載原理與RWD相似,但彎沉的測量采用的是滾動式彎沉傳感器。它的測試速度約2.5Km/h,可以同時提供路表破損攝像。RDD的主要優(yōu)點是連續(xù)測量,信息量大,但由于測試速度慢等原因,用戶很少。 在美國,擁有FWD的用戶絕大部分都配套使用分析軟件,最常用的為DARWIN、AASHTO、MODULUS、EVERCALC、ILLIBACK、EVERPAVE等,主要分析功能是性能評價和罩面設(shè)計。
這與我國的情況有較大區(qū)別,據(jù)了解,我國絕大部分FWD用戶單位沒有配套的分析軟件,F(xiàn)WD也僅作為一種高精度的彎沉測量儀器在使用,僅有少數(shù)研究性單位在進行深入探討。 國內(nèi)外圍繞著FWD所開展的研究主要包括: 更可靠的模量反演技術(shù)。通過對FWD所測彎沉盆數(shù)據(jù)的分析,反演路面結(jié)構(gòu)層的彈性模量。目前的重點和需要解決的問題包括路面結(jié)構(gòu)力學特性的模擬、反分析的適定性(存在性、唯一性、穩(wěn)定性)、反演結(jié)果的驗證與應(yīng)用等。 與加速路面試驗(APT)相結(jié)合的試驗研究。在試驗路上進行加速破壞試驗,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置各種傳感器,測試應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、含水量等信息。在試驗過程中,采用FWD進行彎沉檢測、模量反演、性能評價及剩余壽命預測等試驗和分析,并與荷載重復作用次數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變、表面破損等信息建立聯(lián)系,從而修正FWD的性能評價和剩余壽命預測方法。
1.2 斷面測試(平整度與車轍)路面斷面測試主要用于計算兩個指標,平整度(縱斷面)和車轍(橫斷面)。其中平整度是評定路面質(zhì)量的重要指標,是道路使用者判斷道路好壞的直接依據(jù)。在20世紀70、80年代,平整度測量設(shè)備主要是水平儀、三米直尺等,測試精度低、速度慢,一般只能抽樣調(diào)查;到90年代初,檢測手段有一定的提高,如連續(xù)式平整度儀,但仍存在可重復性差、測試速度慢的缺點。而車轍的產(chǎn)生將對行車安全帶來重大影響,尤其是在雨后的高速公路上,常用的檢測設(shè)備是路面橫斷面儀和橫斷面尺。