路面无损检测技术应用与发展探讨

李会宁

1 技术意义

传统检测方法是随机选点、钻孔取样、进行室内分析处理，从中获取需要的工程参数。这种方法存在很大的局限性:首先由于被测点是随机选择的，因而检测结果往往缺乏代表性。同时，由于检测点的密度稀，使得有些存在缺陷的不良区段极易被漏检，给后续工程留下隐患。此外，钻芯取样法虽然精度高，但对路面有一定的破坏，且费时费力。在公路投入使用后的日常养护管理中，虽然对路面出现的问题可以及时发现并进行处理，但对内部存在的隐蔽性病害，如空洞、积水、脱空等却没有较为有效的检测手段。开展路面无损检测与评价技术研究，将在控制施工质量、提高养护水平等方面具有重要意义。

2 主要检测技术

2.1 频谱分析技术

频谱分析检测技术是分析在不同介质中传播表面波的频率特性。通过在路面结构表面施加瞬时的垂直冲击，就可以产生一组以振源为中心的具有各种频率成分，并沿地表一定深度向四周传播的瑞雷波面，可以通过不同的力锤重量或不同的锤头获得不同种频率成分的瑞雷波面信号，并且在不同位置设置传感器，可以检测到波传播的频率，然后可以借助于频域的互谱分析和相干分析技术，达到测试不同深度分层介质力学参数的目的。

它与传统方法相比，具有速度快、检测频率高的特点。可以用于检测路面各分层介质的厚度、均匀性以及层间的接触情况。

2.2 图像技术

图像技术包括红外成像技术和激光全息图像技术。红外线成像技术是依赖于不同材料介质的不同导热性能原理，在热源作用下，通过物体表面形成的温度分布反映出物体表层及表层以下材料和结构的热传导性差异。由热敏元件记录出路面的等温线，从而可以通过热图辩认出物体内部的结构或缺陷。激光全息技术是通过分析全息摄影得到的全息图，再由全息图上侧取数据求出相关力学量的方法。

2.3 超声波技术

超声波路面检测技术是通过发射超声波到材料介质，接收反射波得到相关参数，进而判断结构内部破损情况的一种新型无损检测方法。在接收反射波得到的参数中，常以波速为主要参数。通过在介质中不同位置设置传感器，测量超声波在一定距离内传播的时间，计算出波速，然后利用速度与介质强度的关系来分析力学性能，而介质的强度又与它的弹性模量、密实度、泊松比等有关，可以假定路面结构为无限大的固体介质，则其波速公式为:

其中，vL为波速，m/s;E为弹性模量，MPa;ρ为介质材料密度，kg/cm3;μ为泊松比。

从而可以通过这个关系式测定弹性模量、抗压强度、抗弯强度等，还可以检测材料或结构内部的缺陷。

2.4 激光技术

激光检测路面技术是综合运用光的衍射、光电反射、光时差三大原理来进行测试的。其中衍射原理是利用激光遇狭缝发生衍射的原理，调整狭缝的宽窄，得到屏幕上不同狭缝宽度下的明暗相干条纹，建立二者的相互关系。由相干条纹的情况来判断狭缝宽度的变化，光电反射原理利用激光光强愈强则光电流愈强的原理，通过光电转化器将光能转化为电能，当激光光强发生变化时，光电流也随之发生变化，事先标定建立光电流与位移关系，可根据光电流的变化反算弯沉位移的变化量。光时差原理是利用激光传播速度快的原理记录激光通过很短距离的时差。

3 主要仪器设备

3.1 弯沉测试仪器

落锤式弯沉仪(FWD)是目前应用较为广泛的弯沉检测设备。它的基本原理是通过液压系统提升和释放荷载块对路面施加冲击荷载，荷载大小取决于落锤质量和起落高度，动态弯沉盆由相应的传感器测定。研究表明，FWD的冲击荷载与时速60 km～80 km的车辆对路面的荷载相似，可较好地模拟行车荷载作用，并且测速快，精度高。目前，滚动式弯沉仪(RWD)正处于研究阶段，它是采用高频激光扫描，连续地记录行驶中的测试车在路表产生的弯沉，测试速度约88.5 km/h。它的最大优点在于:所记录的是真实受力状态，而不是模拟荷载状态下的弯沉，并且测速远大于FWD，因此对交通的影响较小，是较为理想的弯沉检测设备。目前美国还开发了滚动动力弯沉仪(RDD)，加载原理与RWD相似，可以同时提供路表破损摄像。

3.2 断面测试仪器

激光断面仪的基本原理是:通过横向分布的若干个激光传感器测试距离路面的高度，得到一个横断面，从而可以计算车辙;通过对应于轮迹位置的激光传感器测得距离路面的高度，随着车辆的行驶可以得到路面纵向断面，即可计算纵向平整度。

我国常用路面横断面仪和横断面尺。20世纪90年代中后期引进了连续式激光断面仪，其正常测试速度可达80 km/h，是目前最先进的平整度车辙检测设备，逐渐在道路路面检测中得到广泛的应用，同时还可以测量横坡、纵坡、转弯曲率等指标。

3.3 抗滑能力测试仪器

目前车载或车牵引的高速自动化路面抗滑能力测试设备主要有3种:横向力系数测试仪、刹车式摩擦系数测试仪、不完全刹车式摩擦系数测试仪，其中横向力系数测试仪是我国应用最为广泛的自动摩擦系数仪。

3.4 路面雷达

路面雷达是用于确定地下介质分布的广谱(1 Hz～2.5 GHz)电磁技术。它利用一根天线发射高频宽频带电磁波，另一根天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。电滋波在不同介质中的传播速度与介电常数存在如下关系:

其中，c为电滋波在空气中的传播速度，m/ns;v为电滋波在介质中的传播速度，m/ns;ξr为介电常数;D为反射体的深度，m;t为电滋波在介质中的传播时间，ns。

因此，根据接收到波的双程走时、幅度与波形资料，可推断介质的结构。

4 发展前景

1)在测试精度尤其是推定精度上需要进一步提高。2)检测性能多元化。新型路面结构的出现，需要对其组成成分及各成分之间相互作用进行检测，这就需要研制出新的具有综合检测能力的设备。3)加强合作。无损检测理论上涉及到力学、数学、光学、电学等学科，技术上涉及到自动检测、计算机辅助、信息处理等高新技术，同时又与工程实践紧密结合。

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