高速公路路面检测技术及应用探讨

蔡义

（贵阳市城市发展投资集团股份有限公司，贵州贵阳 550000)

0 引言

高速公路作为主要的运输方式，如果在使用过程中频繁出现负荷超载现象，就会导致道路病害问题日益严重。为了能够保障人们日常出行安全，需要对高速道路实行科学养护方案。传统的检测应用技术主要以“钻芯取样”为主，不仅随机性强，同时对道路的损害现象也比较严重。为此，随着计算机与自动化技术的不断发展，人们逐渐研发出了频谱分析技术、图像技术、地质雷达技术以及激光检测技术等新型手段，旨在有效提高公路检测的准确性，并提高整体的工作效率。

1 高速公路检测技术的分类

1.1 激光检测技术

激光检测技术原理实则是通过光电感应来对路面使用状况进行检测，其在实际应用过程中通过光电转换，从而在显示仪器上呈现出不同的波段，而这一波段所表达的内容便是光线随路面产生的变化情况，工作人员也由此可以根据检测过程中的异常信号来判断路面的损坏程度。具体而言，便是需要检测工作人员提前在设备上根据光的位移量来设定好电流的基础参数，如此一来在进行检测的过程中，随着光传递到路面的位移变化不同，检测仪器中所产生的电流量大小也会随之出现变化，由此便可自动转化成与路面系数相关的各类图像成果。激光检测的应用优势在于相干性、分辨率、衍射性以及方向性极好，因此其获得的测量数据通常也较为准确。将其应用于路面检测中，可以有效对构造深度、路面距离、车辙深度、弯沉以及平整度进行测量[1]。

1.2 频谱分析技术

频谱分析技术是通过感应不同波段在路面结构中的传播频率，以此分析道路的受损情况。其主要应用优势在检测速度快，并且能够渗透到道路面层以下的位置，根据各层介质反映的波段频率不同来评估道路使用指数，因此不仅能够检测面层厚度、均匀性，同时还能对沥青表面与混凝土基层之间的黏结情况进行分析。此外，当路面基层存在损坏现象时，受损区域与正常路面结构之间会存在较大差异，因此其传播界面两侧的电性会出现变化，且根据路面受损类型不同产生绕射波与反射波两种不同波段，并在时间剖面上以特殊曲线形式表现出来。根据这一特征，便可以帮助工作人员对路面受损位置以及具体深度、类型进行确认，从而展开针对性的治理手段，不会对路面结构造成不必要的损伤[2]。

1.3 图像检测技术

目前来讲，国内发展较为成熟的图像检测技术主要集中在两个方面：

一是激光全息图像技术；二是红外成像技术。二者的共同点在于都能够对路面的物理性状做出分析，但差异在于前者不光能够反映路面的结构信息，同时还能够模拟其相关的力学参数，使得工作人员能够对路面情况进行全面掌握，但其技术成本也相对高昂；后者则更具有经济性优势，且适用范围也相对宽泛，其主要是根据红外感应装置来对路面基层以下的温度分布进行感应，从而根据其热传导系数判断材料当前的使用状况，对于路面是否老化以及结构上的损坏具有较为直观的检测优势[3]。

2 检测技术在高速公路路基路面中的应用

以某高速工程检修项目为例，该公路地点位于山麓与平原交汇地带，沿线全长为13.042km。检测作业的开展需要在没有实行交通封闭的情况下进行，不仅要保证作业人员安全，同时还要避免阻碍车辆正常通行。因此在实施作业期间，要求在最短时间内给出检测数据结果，并以此为基础制定合理的维修保养方案。已知该路段于1997年12月25日开始通车使用，现公路存在主要问题有车辙、裂缝以及老化现象，同时还需要对路面使用状态进行评估。

2.1 利用激光传感器对路面平整度进行检测

激光传感器在作用过程中，可以将其整体设备划分为3 个部分，分别为激光装置、传感装置（加速度计与陀螺仪）、道路监测车。相较于传统检测技术而言，激光检测手段不仅不会对路面造成损坏，同时由于采用车载测量的方式，检测范围更广、采集数据更快，并可以通过车载计算机对采集的测量数据进行同步处理。故而当车辆按照设置好的检测路线驶完全程后，即可得到准确的路面检测成果，因此检测工作不仅高效且准确性高。

该项目中将检测车的速度在42.4～62.3km/h 之间，通过加速度计控制其行驶速度逐渐递升。随后将激光发射装置与地面之间的水平倾角设定为θ1，并保证检测期间不会发生改变。在检测车辆行驶期间，由于旋转陀螺仪的存在，可以保证激光投射倾角θ1以及与地面测线之间的设定距离H（k）不会发生改变。而一旦路面出现沉降或车辙等病害现象，则其实际高度h 则会发生变化，从而在车载计算机终端的数据图像中显示出来[4]。

2.2 利用超声波频谱技术对路面强度进行检测

该高速公路表面覆盖沥青结构，其下部混凝土基层依次为15cm 级配碎石垫层、18cm 水泥稳定级配碎石底基层、36cm 水泥稳定级配碎石基层。在长期使用过程中，由于车辆反复荷载的作用下会导致路面结构出现老化或损坏现象，超声波频谱检测便是利用这一特点，根据声波在不同介质中传递的“声压幅值”来判断路面结构的整体强度。其中“声压幅值”描述的是根据声波传递速度与混凝土抗压强度“ƒcu”之间的关系，混凝土强度“ƒcu”的数值越高，声波传递的速度以及时间也就会随之发生变化，此时超声波信号接收装置中便会同步呈现出不同的声波频谱，以此帮助工作人员对公路强度系数进行评估。

但在使用过程中，工作人员需要关注的问题便是该高速公路面层分为多个结构，因此在使用超声波频谱技术进行检测的过程中，需要考虑声波在不同介质中传播产生的干扰问题，需要对其声波曲线产生的误差值进行计算。关于其中具体算法，通常会采用回归分析法建立方程，以此求出相对准确的计算结果。而国家也针对这一问题形成了有关混凝土结构强度检测的专用测量曲线，以便在使用频谱检测技术时能够获得标准的技术规范[5]。为此采用分组试验方案，将公路沿线划分为了64 组数据采集测块，分别使用超声波频谱技术对其抗压强度进行了检测，同时将获得的数据结构通过式（1）进行计算。

式（1）中：ƒcu——表示测块区域的混凝土抗压强度，单位为MPa；

v——表示超声波的传递速度，单位为“km/s”；

A、B 分别代表不同的回归系数。

2.3 利用探地雷达检测技术对路面厚度进行检测

探地雷达检测技术与超声波频谱检测技术的作用原理类似，都是通过波段在介质中的传播状态来判断道路面层的实际情况。区别在于探地雷达检测技术的测量结果更加准确，同时适用的范围也更为广泛，且不易受到外力因素干扰。其在检测过程中，先利用雷达设备发送固定频率的电磁波，然后根据其在路面基层中的传播时长，来对介质整体的结构状态进行分析。因此其不光能够对各个面层的厚度、强度进行判断，同时对于一些隐藏在结构深处的裂缝、脱空问题也能够做出准确检测，因此无论是在道路施工还是病害检测中都具有极为广泛的适用性[6]。

该项目由于使用了不同材料来建设路面基层，因此在不考虑其建筑层密度与孔隙率的情况下，仅需要通过测量电磁波在路面结构中的传递时长，便可以对当前路面的厚度情况进行判断，以此来寻找其结构不均匀的位置，具体可用式（2）进行表达。

式（2）中：z——表示电磁波在当前功率下能够到达地下深度的最大距离；

t——电磁波在介质中传递的实际时长；

x——电磁波在介质中传递的实际距离；

v——电磁波在介质中传递的平均速度。

而在这一过程中，“t”是表现路面铺层厚度是否均匀的最直接数据。除了以此判断路面厚度情况以外，通过车载计算器接收到的信号特征，还可以利用幅度变化、相位差、频率差等重要数值来构建出路面结构的几何变化图像，以此显示其中存在的具体病害信息。在实际操作过程中，工作人员可以通过以下步骤来完成检测。

首先，道路普查工作。将测区沿线道路按照1.75±0.25m 的断面间隔进行划分，同一道路水平面上至少要保证有2 条测线。随后设定地质雷达探测车的初始时速为20km，按照划定的测线范围进行行驶，以此初步检测路面结构之下的异常区域。

其次，道路详查工作。初步根据雷达信号判定路面异常位置之后，需要工作人员进一步设置测点，以此对信号显示异常区域进行更为细致的勘测。具体布点方式为按照横、纵向垂直衔接的方式，保持1.75±0.25m 断面间隔来设置4～9 个测点，然后使用手推式雷达探测仪器沿着测点之间的连接线段进行测量，以此更为精确地判断路面隐藏病害的位置、大小、类型。在这一过程中如果检测路段为弯道的情况，工作人员可以适当缩小测点之间的断面间距，将间距控制在1.25±0.25m 范围内，然后将多个测点之间按照大于90o角的情况进行连接，以此组成更为密集的测线。此过程中为了进一步保证数据测量结果，还可以分别使用400MHz、200MHz、100MHz 电磁波按照由浅至深的顺序对路面结构进行探测，并通过最后的数据对比来保证测量结果的准确性。

最后，钻探检测。当确定了路面病害的存在信息，同时将其大致区域缩小至1m 范围以内,工作人员即可进一步施展钻探工艺进行测量并实施修复。该项目为减少对路面损害情况，将钻孔半径设置在30cm 以下，确定了具体的损坏情况之后，可直接由钻孔处进行灌浆修复处理。

2.4 利用落锤式弯沉仪对路面弯沉值进行检测

落锤试验使用过程中对地面进行锤击而产生的冲击力，来模拟道路使用过程中受到的动态荷载，以此检测路面的弯沉系数，并判定其使用状况是否良好。其设备整体由重锤与液压机共同组成，仪器上装有动力感应装置，可以在试验过程中精准的采集数据，然后传送到计算机终端进行处理。

在该检测项目中，由于工程沿线的地质结构较为复杂，存在陡坡以及河流等特殊地形条件。因此不同区域的地基对于路面起到的承载能力也各不相同。按照我国高速公路建设标准，强调路面荷载至少要维持在15～50kN 之间，因此为了测量路面弯沉值是否符合标准参数，在进行检测期间工作人员选取了一段长度在500～800m 范围内的路段，共布设68 个测点展开落锤弯沉试验。每一测点的设定区间为半径15cm 的圆形区域，检测时长需要控制在20min 左右，重锤落点与测点之间不可超过20mm 误差[7]。

随后按照回归计算的方式对采集数据进行计算，根据重锤产生冲击力与路面弯沉值x 与y 之间的线性关系，列出计算方程为y=Ax+B，其中的回归系数A 与B 可以使用留用系数R 进行代替。由此可得到计算式（3）。

求出计算结果后即可与国家标准建筑参数进行对比，进而判断公路整体使用状态。

3 结语

综上所述，随着科技水平的快速发展，公路检测技术也实现了全方位突破。在对现有高速公路检测技术进行分类的基础上，依次对路面平整度、强度、厚度与弯沉值等相关的测量手段进行了介绍，希望能够有效提高道路养护检测质量，并为人们提供更加安全的出行条件。