無損檢測技術評估和檢測道路性能

郭成超，許朋飛，鐘燕輝

（鄭州大學水利與環境學院，鄭州 450001）

一、 前言

基礎設施不僅僅是一個城市發展的基礎，更是全民生活的保障。基礎設施的建設和維護需要巨大的投資。美國聯邦公路管理局（FHWA）2008年的一份報告顯示，在美國約有6.4×106km的道路需要大范圍的維修[1]。2014年，美國土木工程師學會（ASCE）的一份報告給道路情況的總體評級為D級（分A、B、C、D四級）[2]，在美國有42%的主要城市道路因為破損而擁擠不堪。2014年，聯邦政府、各州和地方政府已經投入了910億美元，雖然短期內情況會有所改善，但是這些投入仍然不足，根據FHWA的估計，在此基礎上，每年需再投入1 700億美元，道路的狀況和性能才能得以顯著改善[2]。

現階段，我國道路的檢測方法主要是針對破損路段，通過目測的方法發現病害和破損，這對于日益發展的道路設施和繁重的交通壓力來說顯然是不夠的。因此，迫切需要一種技術，可以經濟有效地監控路網系統的狀態，并優先為維修養護作業提供準確、及時的信息，使道路檢測方法從定期的局部檢查向連續路網的健康監控方向發展。

二、道路病害與缺陷

路面劣化通常發生在路面以下，是不能用目測法來評價的（見圖1）。

常見的路面病害包括橫向裂縫、縱向裂縫、車轍、波浪、坑槽、分層、滲漏等。橫向裂縫往往比縱向裂縫更容易出現，它可以從一個小于0.5 mm寬、2 cm深的裂縫發展而來。這樣的裂縫在晴天的時候很難看見，但在雨后是可以發現的。這是因為當地表水蒸發后，裂縫中卻殘留了水。細小的裂縫需要及時處理以防止發展為大的裂縫。大的裂縫通常超過1 mm寬，5 cm深，并且能延續幾米長。如果大的裂縫不加以密封，那么分層和收縮就會接踵而至。如果路面和混凝土板的黏結力減小，那么覆蓋層就會從混凝土板面脫黏。裂縫或滲漏造成的坑槽多數是由黏結力減小造成的。局部脫黏可能延伸了幾平方厘米，但是由于路表保持完好，這樣的裂縫很難發現。大面積的分層可能會在路面發展成大的裂縫，并最終導致路面大的坑槽和破損。裂縫和坑槽往往伴隨著滲漏，水通過裂縫進入覆蓋層，瀝青和混凝土板極易受到滲漏水的損害，路面裂縫里面的水會留存甚至繼續向下滲漏，這是對瀝青路面最大的損害。

為了評估和確定高速公路路面和橋面的狀況，本文探究了幾種無損檢測方法，檢測路面和路面以下的道路病害和缺陷，并列舉了一些商業產品和檢測程序，以便于道路早期的維修養護。無損檢測的優勢在于在不阻斷交通的情況下，準確、高效地評估結構的狀態。

圖1 路面的劣化

圖2 坑槽病害路段修復圖

在我國，坑槽和其他路面病害困擾著城市的基礎設施。如圖2所示的坑槽存在于我國的大多數道路中，圖2中所示的修補是最常見，也是比較經濟的處理方法，但其有效性差異很大。由于快速的修復需要和小補丁區不能實現足夠的壓實而容易受到損害。因此，應改善維修方法，同時加強對路面和路面以下病害的監測和檢測，用來識別早期的坑槽和局部損壞，以延長道路壽命。

三、美國材料與試驗協會（ASTM）對路面狀況的評價

美國國家公路管理員協會(AASHO）是最全面的路面快速測試協會之一，該組織能檢測道路的狀況，并解釋道路惡化的原因，路面服務性能指數（PSI）的準確性得到了提高。AASHO統計了美國道路可見的路面病害，如裂縫、修補塊、邊坡失穩和車轍深度。用輪廓儀數據來計算路面平整度并與專家評定的用于評價道路的四個等級做對比[3]。

式（1）中，PSI為路面服務性能指數；SVt為t時刻的邊坡變化；RDt為平均車轍深度，in(1 in ≈ 2.54 cm)；Ct為每1 000 ft2的裂縫長度(1 ft2≈929.0304 cm2)；Pt為每1 000 ft2的修補面積。

在進行可視化調查之前，根據道路等級將不同地區的道路分成若干部分，在進行調查時，只對給定地區的某一部分進行調查，它們被稱為路面取樣單元。通常，一個路面取樣單元的面積為2 500 ft2。ASTM D6433—2011標準建議每個地區應調查評估的道路面積為33%～50%。該標準可以確定任意路面位置的19種病害,并將這些病害根據其密度和嚴重程度進一步劃分，根據該標準提供的表格中數據計算相應的分值。例如，圖3中的三條曲線分別代表了高、中、低三種不同病害的扣分情況。基于一個特定的樣本單元病害的密度，計算得出的路面狀況指數（PCI）分值可用于整個地區。

MicroPaver是一個可以輸入PCI調查結果并能執行路面狀況計算的軟件。此外，它還配備了路面管理系統，即路面退化模型、成本預算分析和成本效益分析系統。

在ASTM D6433—2011標準采用PCI時，檢測設備并沒有圖像自動傳輸和自動檢查功能，非接觸式傳感裝置也沒有那么先進。直到如今，自動化檢測也只是拍攝路面的高質量圖像，再依賴人工從相關圖像判斷路面狀況。PCI方法的局限性在于耗時長、需阻斷交通、檢測人員的安全風險高、需要訓練有素的專業人員、結果準確度還不高（如在交叉路口的每條街只有一個單一的PCI值），而且路面以下的狀況完全沒有考慮在內，需要結合一些基于物理、聲波或電磁性質的測量系統來推導出路面以下的結構特性。在評估路面平整度和駕駛舒適性時，宏觀構造深度（MTD）和國際平整度指數（IRI）被廣泛使用。

四、評價公路路面的無損檢測技術

隨著技術的發展，路面管理系統的數據采集和分析已經從手動向自動化方向發展，在美國已經開始自動化的數據采集和分析。盡管自動化技術花費巨大，但可以有效避免人工方法帶來的誤差，并且數據采集工作可以在不影響交通的情況下完成，因此，自動化技術得到了廣泛認可。用于數據自動化采集的主要裝備是安裝在車輛后面和側面的光學相機，它可以持續拍攝并保存圖像，以便技術人員可以在辦公室分析圖像并利用數據計算道路病害[4]。但自動化計算也有許多不利的影響因素，例如，圖像的陰影、光照、清晰度等。隨著數據自動采集技術的廣泛應用，ASTM D6433—2011標準已更新為ASTM D5340—2012。時至今日，大部分的機構采用基于光學相機的街道數字圖像自動數據采集，一旦數據采集完成，可人工評估道路病害。相關機構使用MicroPaver和其他軟件，如StreetSaver或Cartegraph來計算PCI值，以滿足對路面的進一步分析需求。

圖3 不同病害密度下的扣分情況

（一）落錘式彎沉儀（FWD）

FWD率先在歐洲使用，并從20世紀80年代開始在美國使用。FWD是用作測量路面物理性質的儀器，主要由供電裝置、控制系統、承載盤、彎沉傳感器、數據存儲和處理系統組成。FWD檢測是一種無損檢測過程，檢測不僅快速而且不需要清除路面材料，如圖4所示[5]，因此，比其他有損檢測方法更受歡迎。ASTM C131—2014標準[6]規定，在測量道路彎沉值時，檢測車輛應停下并使承載盤位于檢測位置之上。因此，FWD為間斷行駛測量，測點與測點之間正常行駛，到測點位置時車輛停止。FWD法使用動態荷載作用于路面表面，模擬單輪荷載，每個測量位置的彎沉單位為μm，如圖5所示。該方法可測量沖擊荷載作用于路面時的道路垂直彎沉響應。使用FWD進行測試時，影響彎沉的主要因素是路面各層厚度、各層材料類型、材料質量、路基支撐、環境因素、路面不連續性以及路面結構的種類。FWD檢測設備需要定期維護，這將提高設備的性能和使用壽命，使測量得到的數據更可靠。

圖4 FWD設備組成示意圖

基于FWD的原理，20世紀90年代末，丹麥Dynatest公司提出了一種改進裝置——滾動式彎沉儀（RWD）。RWD的目的是在不阻斷交通的情況下以正常的行駛速度進行道路測試。最新型的RWD于2003年推出，如圖6（a）所示。它包含一個16.2 m長的拖車，通過一個固定的雙輪裝配，在后單軸上對路面結構施加80 kN的標準荷載。RWD采用輪跡重疊的方法在路的表面測試輪胎的偏斜方向，首先紀錄輪胎無偏斜時的路面變形值，接下來讀取各測試點的激光讀數，三角激光儀安裝在檢測車的一根鋁梁上，每間隔2.6 m測量一次路面情況。該系統有100 mm的測量范圍，精度達到了± 0.0245 mm。運行時，采用空間重合的方法來收集變形和非變形狀態的數據，通過3D有限元分析方法可以較好地得到道路各層的回彈模量參數，反映路面的承載能力和生命周期，如圖6（b）所示。

（二） 探地雷達（GPR）

GPR是利用高頻脈沖電磁探測地質目標內部結構和一種電磁波方法，可以提供高分辨率的地下二維和三維圖像。由天線發射的電磁波在材料中傳播，其速度由材料的介電特性所決定。如果電磁波遇到了埋藏的物體或到達了兩種介電特性不同的材料的邊界，那么電磁波的部分能量會被反射回表面，而剩下的部分會繼續向下傳播。天線接收到反射波，并將數據記錄在數字存儲設備中以便分析。

單頻GPR路面檢測是最早應用到民生工程中的技術之一。單頻GPR可以在不阻斷交通的情況下準確地繪制道路的各層結構。Loizos 等[7] 展示了使用不同頻率的GPR系統檢測路面層，并通過對比檢測結果與路面的實際情況，深入研究了GPR系統的可靠性。路面材料的介電常數可以通過計算路面各層內的波速或路面的反射系數求出。在路面分層過多的情況下，反射波可能會互相干擾，需要使用特殊的數據處理方法來提取層信息。

圖5 FWD荷載與彎沉測量

圖6 RWD測試裝備與測試原理

（三）宏觀構造深度（MTD）

路面的MTD是輪胎和路面接觸表面凹凸不平的開口孔隙的平均深度，即反映路面的抗滑水平（見圖7）。MTD可以用來衡量路面（抗滑性）的摩擦特性及檢測路面施工期間的瀝青混凝土的泛油、分離或不均勻性。MTD值低表示表面光滑，高則表示表面粗糙。

“鋪砂法”或“體積修補法”是ASTM E965—2001標準[8]中提出的測量MTD值的傳統方法。該方法用MTD值來表征表面的宏觀結構，最早由英國運輸和道路研究所設計，在操作方面受人為影響較大，不宜在潮濕天氣測量。現在比較常用的方法是激光輪廓法，這是一種更加先進、安全、經濟的方法。ASTM E2157—2009[9]提出了一種采用圓形軌道儀的方法來測量和評價實驗室與道路實際路面的宏觀構造特性。

測量MTD值一般采用激光輪廓法，通過電機驅動傳感器進行掃描，通過水平分量和垂直分量的采集，得出被測路面的輪廓數據。

美國東北大學（NEU）研發了一種更便捷的方法：利用車輛移動時輪胎與路面的噪聲來估計MTD值，噪聲越大，MTD值越大。例如，通過激光輪廓法測得路面的MTD值為0.5 mm，此時輪胎與路面的噪聲為3.2 dB，另一路面的MTD值為2.5 mm，輪胎與路面的噪聲為9.6 dB，利用中間插值法，可估算噪聲為3.2～9.6 dB時所對應的MTD值。圖8為測試路面的照片，為了驗證方法的準確性，首先用激光輪廓法測出每個路面的MTD值，然后與NEU估計的MTD值比較，如表1所示，兩者的MTD值很接近，證明該方法可行。

（四）國際平整度指數（IRI）

圖7 路面宏觀構造的物理意義（圖中測量尺子長15 cm）

圖8 測試路面照片圖

表1 激光輪廓法與預測法得到的MTD值比較

IRI是由世界銀行在1986年提出的，如今在測量路面平整度中被廣泛應用。該指數表明了司機與乘客在車輛行駛中的舒適程度。IRI通常使用四分車（也叫金車）來測量，如圖9所示，至少連續測量160 m（約為0.1 mi），以規定速度行駛在路面上，分析行駛距離內動態反應懸掛系的累積豎向位移量。

圖9中，ks是懸架彈簧的勁度系數；Cs是懸架阻尼率；kt是疲勞彈簧勁度系數；mu是簧載質量（一個車輪支撐的車身質量的一部分）；ms是非簧載（車輪，輪胎，半軸/懸掛）質量；LB是輪胎與路面的接觸長度。道路有其自身的幾何形狀，四分車在路面上移動，道路表面的幾何形狀被作為輸入值使模型車上的彈簧向上移動，彈簧移動使得測量系統存在兩個方向的自由度。IRI的值可由下式計算：

圖9 四分車模型

（五）面波的頻譜分析（SASW）

面波的頻譜分析（spectral analysis of surface wave, SASW）法，簡稱SASW法[10]。我國從20世紀80年代開始研究SASW法，在許多工程中得到了應用和發展[11]。SASW法代替傳統的面波法，被廣泛地應用于地下勘探與地質實驗中。傳統的面波法比較費時，并阻斷交通，傳感器要與路表面接觸，每次測量時還需要重新定位。SASW法的工作原理是：作用沖擊荷載，利用雙傳感通道間的相位差來測量在土壤中傳播的面波的色散特性，通過數據傳輸得到色散曲線，通過反演程序估計該層土壤的形狀和剪切速度。在此原理的基礎之上，美國東北大學開發了一種非接觸式傳感器快速空氣耦合面波分析算法，能夠以正常行走速度檢測地下狀況，大大提高了檢測效率。目前，該原型系統安裝在一輛三輪手推車上，一個麥克風陣列安裝在手推車的下面，每個麥克風用隔音泡沫來隔絕環境噪音。該系統使用的電磁錘可以提供可調及可追溯的沖擊源，面波的典型聲音信號和來自系統的信噪比（SNR）如圖10所示。

圖10 現場典型信噪比

原型車在現場測試中，以美國波士頓Rowley MA的一個工地的瀝青路面為例，通過現場鉆孔（如圖11（a）所示）測量道路材料的彈性模量值，結果如圖11（b）所示，通過手推車測量的結果如圖11（c）所示，與現場鉆孔的測量結果很接近。另一現場試驗是位于Rowley MA的Pingree大橋的橋板現場測試，橋面寬5 m，測試者以步行速度，連續性掃描的方法完成測試，每次測量寬度為1 m，如圖12（a）所示，測量深度為0.22 m，測試結果見圖12（b），測量結果與大橋設計文獻相吻合，現場測試結果證明了這種新的手推車SASW法具備地下檢測能力。

表2是商業傳感技術對路面狀況評價的總結，表3是無損檢測商業公司產品功能及優缺點評價。我國幅員遼闊，需要發展無損檢測技術來測量廣大的路網區域，以應對未來的維護問題。

五、結語

現有的路面自動檢測系統基本都采用現場檢測與離線分析處理的方式，無疑，這種方式還有待優化和提升。如何實現道路破損檢測圖像的完全、快速、自動識別，以及保證相當高的準確率，是目前相關學者亟需解決的技術難題。本文詳細介紹了目前國外技術水平已經十分成熟的幾種無損檢測技術以及我國的發展情況，對有代表性的檢測技術做了詳細介紹，指出了其中的不足之處，列舉了國內外無損檢測商業公司產品的優缺點，以指導相關人員結合工程實際合理選用。我國應在無損檢測技術的基礎之上，繼續擴大路網監控系統，實現實時監控。總之，無損檢測技術水平的不斷提高對道路、橋梁等基礎設施的病害檢測、壽命延長等都具有重要意義。

圖11 原型車在瀝青道路上的現場測試

圖12 原型車在橋面板上的現場測試

表2 商業傳感技術對路面狀況的評價

表3 無損檢測商業公司產品功能及優缺點評價

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