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高科技自动化检验技术在路面工程质量评价上的应用

公路路面高科技检测技术应用背景

高速公路的建设是世界各国发达程度的一种体现，而高速公路因车流量巨大、车速高及车辆行 驶轨迹渠化现象明显的特点，其技术标准也更为严格。在不影响正常车辆行驶状况及不破坏路面原 有结构的基础上，为准确控制和评价高速公路的建筑工程质量和使用运营状况，采用多种高科技的 检测技术是大势所趋。评价高速公路的质量好坏需依据多项技术性能指标，常见各项主要指标代表 的不同技术性能如下： 压实度一路基路面材料空隙率的大小； 弯沉一路基路面承载的整体强度； 平整度一路面高速行车的舒适性； 摩擦系数和构造深度一路面的抗滑安全性能； 几何线型一路面宽度、高程、中线偏位以及横、纵坡和弯道半径； 路面厚度一路面各结构层厚度和分布均匀性。 这些指标在早期低等级公路上主要是通过利用贝克曼梁、专用直尺、摆式仪、铺砂仪、水准仪、 经纬仪及路面钻芯取样等简单工具和人工试验方法进行检测和评价的。虽然仪具和方法简单，但测 试效果存在精度差、测试工作效率低、部分破坏路面结构及受人为影响因素多等缺点。尤其针对高 速公路连续高密度和不宜封闭正常交通的检测需求，人工测试方法除上述缺点外，还存在着不能保 证检测现场安全性这一致命弱点。为此，产生了对高性能自动化无损检测技术的需求。 高性能路面检测设备开发和应用所追求的目标是准确、高效及安全。具体来讲，就是以各种电 子和机械自动化测量方式代替人工测量，并通过微机及专用软件实现测试数据的自动采集、记录和 统计计算分析等功能。这样不仅避免了人为影响因素对测试结果的干扰，而且可以成倍提高测试速

路科技创新高层论坛论文集 新技术新材料与新设备

度和采样频率，极大地增强了工作效率和现场安全性。从上个世纪二、三十年代英、法等西方工业 麦达国家就已开始这方面的探索，由于当时的各种电子和工业产品及制造技未尚不发达，因此其研 制的早期测试设备仅能实现路面某些性能的初级自动化测试功能，例如早期的自动弯沉仪、摩擦系 数测试车和平整度测试仪等。这些设备利用单向固化的机械工作控制程序和各种电测技术，包括压 力、位移、扭矩和温度等传感器，虽然较大地减轻了人的工作强度，并可大幅增加测试的采样频率 但还是存在精度保证性不高和不能实现智能控制功能的弱点。 科学技术的进步在近几十年时间中突飞猛进，尤其象计算机、激光、雷达、GPS等高科技技术 和新型工业与电子产品的不断发展，不仅使其自身基础研发能力大幅度提高，而且被广泛应用于如 公路检测等实用技术当中。新产品和技术的应用不仅极大地提高了检测仪器的测试精度和效率，而 且能够通过具有交互界面的微机控制软件灵活改变系统设置参数，以便适应测试过程中复杂的现场 情况；同时测试数据的快速分析和统计处理能力也大大增强。从表1中可了解目前路面性能测试设 备对高科技自动化技术的应用状况。

各种路面自动化检测设备的工作性能与所采用的微机控制程度和电测产品技术的发展有较大关 系，具体表现在测试工作原理与方式、测试速度及数据记录和处理等方面得到不断的改进与提高。 从传统测试项目如弯沉、平整度和路面病害所使用的自动化测试设备的发展可看到典型的高科技技 术应用实例，它们大致都可分为三个技术发展阶段： 【弯沉】一—从基本原理上讲，是测量路面在一定荷载作用下所产生的相应下沉位移。 第一阶段：人工移动测试机构并通过百分表读取和记录测试值。其特点是工具简单；但测试过 程受人为影响因素较大，且测试效率也较低。 第二阶段：测试人员通过微机内的固化控制程序发出指令，使机械测试机构自动运转，通过位 移传感器自动量测并记录测试数据。目前使用较为普遍的主要有自动弯沉仪（图1A）和落锤弯沉仪

图1B）两类，其特点是极大减轻测试人员的劳动强度，避免人为操作时所产生的误差，并较大 高了测试采样频率；依然存在的问题是现场测试速度较低，不能保证在不封闭交通的高速公路 作业安全。

第三阶段：向路面发射激光束并接收反射信号，根据激光多谱勒原理（图2A），通过测出地面 在荷载作用下位移时的速率数值，进而计算出最大弯沉值。激光弯沉仪（图2B）工作时与地面是非 接触方式，能够以较快的速度（30～70km/h）进行测试，因此其不仅大幅度提高了测试精度和采样 频率，而且最终解决了现场测试的安全问题。

图2A激光多谱勒工作原理

【平整度】一一通过特定方法测量路面的高差并计算出平整度值，以此体现路面的不平整性， 也就是说行车舒适度。 第一阶段：测量人员利用三米直尺等工具直接测试路面的不平整度参数。试验方法简单，但测 量准确性差，效率低。 第二阶段：通过简单的机械结构和电测部件对路面的平整性进行连续自动测试并储存数据，包 活多轮仪、颠簸累积仪、手推断面仪及APL等设备（图3A和图3B）其特点是避免了人为误差，较 大提高了测试采样效率；缺点是仪器的标定和测试速度都受限制，还存在车辆性能与测试轨迹对测 量结果的影响。

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第三阶段：利用激光和超声波技术，高密度自动精确测试并记录道路的断面变化数据，可通过 专用程序计算出所需的平整度参数结果。该类设备（图4A和图4B）标定方法简单，采样频率极高 同时不受测试速度影响，最适合高速公路上使用。

A超声波平整度测试车

图4B激光平整度测试车

【路面病害】一一根据路面养护的要求和特定统计方法评价路面所产生的各种如裂缝、变形、 坑槽、泛油和车辙等影响强度、耐久性和表面使用特性的病害。 第一阶段：检测人员通过直接目测判断和尺子测量来统计路面的各种病害。现场工作量和统计 结果差异性都较大。对高速公路而言，由于移动作业使检测人员现场安全性难于保证。 第二阶段：路面病害摄像车（图5）利用专用胶片照相或磁带录像设备对路面进行连续拍摄， 然后在室内工作站的判读仪上对录像代或冲洗出的胶片进行人工识别统计。这类设备能够以每小时 几十公里的速度进行现场作业，提高了现场安全性并减轻了工作强度；但路面成像效果依然受到测 试速度和环境亮度的影响；另外由于判读工作量巨大，统计结果还受工作人员判别能力和状态的影 响。 第三阶段：路况数字成像系统（图6）利用高速数字摄像机将路面及周围环境进行数字化录像 再通过专用微机处理程序对数字录像文件作相应合成或调整，然后自动识别并分类统计各种病害。 该技术使路面病害的现场检测基本不受速度限制，安全性和工作效率大大提高；并且结果统计更为 客观准确

图6路况数字摄像系统

综上所述，世界上各类路面自动化检测技未和设备是为更好地评价和维护道路建筑和使用质量 的实际需要而产生的，同时也是随着各种高科技技术的进步而发展的。根据高速公路通车里程不断 大幅度增加的现状，利用先进的高科技检测设备所产生的作用和效益将越来越显著。

路面自动化测试设备的主要用途是用来检测路面的建设施工质量和运营使用状况，尤其针对满 足高速公路较为严格的技术性能标准和使用要求，采用高科技自动化测试技术具有如下特点： 测试数据准确一一由于数据的测试、记录、分类和统计计算均可由各种仪器和微机程序自动完成 因而避免了大量人为因素的干扰，更好地保证了检测参数的准确性，真实体现高速公路的工程质量 和养护状况。 采样频率高一一通过采用先进的高科技技术和设备，使对高速公路进行路面全程连续检测成为可 能，相比以前的抽样测试方法，大大提高了数据采样频率。 工作效率高一一目前使用的各类自动测试设备基本都以安装在车辆上的形式工作，大都能实现较 快的测试速度（3～90km/h），同时也极大地减轻了测试人员的劳动强度，工作效率成倍增长。 对路面结构无损害一一利用雷达、核子密度仪等仪器检测路面的厚度、压实度等指标时，无需对 路面进行大量开挖或钻芯等破坏性工作，避免损害路面稳定结构和耐久性。 安全性好一一由于安装了仪器的专用测试车辆能够以几十公里的行驶速度进行现场检测作业，不 必封闭正常交通，非常有利于高速公路的通行管理，具有很好的安全保证。 路面自动化测试设备除用在高速公路有上述优点外，其在公路建设领域其它方面也具有很多促 进作用，世界各国的公路科技进步与自动化检测设备是同步发展的。除路面工程质量验收和使用状 况检测外，路面自动化测试设备还应用于以下方面： 施工质量控制 路面结构与材料研究 路面表面特性研究 各类检测设备应用技术研究 设计资料的勘察收集

工程质量事故原因的监察与仲裁

从以上方面可以表明，广泛应用高科技自动化测试设备对高等级公路建设的各个领域都具有极 大的促进与推动作用，积极发展跨学科高科技技术是今后提高公路建设质量的必要手段

安全技术交底记录表－木工班组公路高科技检测技术市场发展趋势

近年来随着多种高科技尖端技术的发展和应用，各国研制的公路专用路面检测技术和设备也在 不断改进，力求更好地满足现代高等级道路对诸多技术性能的要求。综合高速公路实际应用的需要 今后开发研制各类路面检测设备时应追求实现以下目标。 高精度一一随着新产品的研发，不断提高各类探测仪器的分辨率和测试精度。另外，在野外各种 严酷环境中进行检测作业的条件下，提高设备的工作稳定性，尤其是使各种电子产品能够抵御诸如 温度、湿度、震动及空中干扰波的影响，进一步提高测试结果的准确性。 实时化一一能够对现场采集的大量数据进行实时的分析和统计计算，提高检测评价的时效性。此 外应利用宽带网实现测试数据的现场远程通讯传送，使室内工作站能够与测试现场保持同步监控。 标准化一—建立统一的标准体系，使检测同一指标的不同类型设备的测试结果具有相关可比性。 智能化一一针对检测对象的复杂变化，利用高性能计算机并编制完善的智能处理软件，使操作人

员能够更为轻松灵活地运用自动化测试仪器进行工作。 多功能一一应用各类小型化、微型化和集成化的自动控制技术，将各种检测功能汇集在同一个系 统中，提高测试效率。目前已出现能够同时测试路面平整度、纹理构造深度、车辙、横纵坡、弯道 半径的多功能测试系统，希望以后能够在此基础上增加路况和雷达探测功能。 根据上述发展预测，今后的公路检测不管是对设备，还是对测试技术人员的要求都会不断提高 因此公路检测将向专业化服务方向转变。目前在欧美发达国家就已存在许多专业检测公司长期为公 路和城市道路的管理者提供各种路面检测与评价服务。凭借服务范围广泛开放，技术维护和追踪全 面，以及可保持大量设备和技术人员，这类服务机构正在显现出其在道路检测领域的优势。我国在 近年高速公路通车里程急剧扩大的情况下，路面检测的发展趋势也将逐步向专业化方向转变。