高速公路路面檢測技術及應用探討

蔡義

（貴陽市城市發展投資集團股份有限公司，貴州貴陽 550000)

0 引言

高速公路作為主要的運輸方式，如果在使用過程中頻繁出現負荷超載現象，就會導致道路病害問題日益嚴重。為了能夠保障人們日常出行安全，需要對高速道路實行科學養護方案。傳統的檢測應用技術主要以“鉆芯取樣”為主，不僅隨機性強，同時對道路的損害現象也比較嚴重。為此，隨著計算機與自動化技術的不斷發展，人們逐漸研發出了頻譜分析技術、圖像技術、地質雷達技術以及激光檢測技術等新型手段，旨在有效提高公路檢測的準確性，并提高整體的工作效率。

1 高速公路檢測技術的分類

1.1 激光檢測技術

激光檢測技術原理實則是通過光電感應來對路面使用狀況進行檢測，其在實際應用過程中通過光電轉換，從而在顯示儀器上呈現出不同的波段，而這一波段所表達的內容便是光線隨路面產生的變化情況，工作人員也由此可以根據檢測過程中的異常信號來判斷路面的損壞程度。具體而言，便是需要檢測工作人員提前在設備上根據光的位移量來設定好電流的基礎參數，如此一來在進行檢測的過程中，隨著光傳遞到路面的位移變化不同，檢測儀器中所產生的電流量大小也會隨之出現變化，由此便可自動轉化成與路面系數相關的各類圖像成果。激光檢測的應用優勢在于相干性、分辨率、衍射性以及方向性極好，因此其獲得的測量數據通常也較為準確。將其應用于路面檢測中，可以有效對構造深度、路面距離、車轍深度、彎沉以及平整度進行測量[1]。

1.2 頻譜分析技術

頻譜分析技術是通過感應不同波段在路面結構中的傳播頻率，以此分析道路的受損情況。其主要應用優勢在檢測速度快，并且能夠滲透到道路面層以下的位置，根據各層介質反映的波段頻率不同來評估道路使用指數，因此不僅能夠檢測面層厚度、均勻性，同時還能對瀝青表面與混凝土基層之間的黏結情況進行分析。此外，當路面基層存在損壞現象時，受損區域與正常路面結構之間會存在較大差異，因此其傳播界面兩側的電性會出現變化，且根據路面受損類型不同產生繞射波與反射波兩種不同波段，并在時間剖面上以特殊曲線形式表現出來。根據這一特征，便可以幫助工作人員對路面受損位置以及具體深度、類型進行確認，從而展開針對性的治理手段，不會對路面結構造成不必要的損傷[2]。

1.3 圖像檢測技術

目前來講，國內發展較為成熟的圖像檢測技術主要集中在兩個方面：

一是激光全息圖像技術；二是紅外成像技術。二者的共同點在于都能夠對路面的物理性狀做出分析，但差異在于前者不光能夠反映路面的結構信息，同時還能夠模擬其相關的力學參數，使得工作人員能夠對路面情況進行全面掌握，但其技術成本也相對高昂；后者則更具有經濟性優勢，且適用范圍也相對寬泛，其主要是根據紅外感應裝置來對路面基層以下的溫度分布進行感應，從而根據其熱傳導系數判斷材料當前的使用狀況，對于路面是否老化以及結構上的損壞具有較為直觀的檢測優勢[3]。

2 檢測技術在高速公路路基路面中的應用

以某高速工程檢修項目為例，該公路地點位于山麓與平原交匯地帶，沿線全長為13.042km。檢測作業的開展需要在沒有實行交通封閉的情況下進行，不僅要保證作業人員安全，同時還要避免阻礙車輛正常通行。因此在實施作業期間，要求在最短時間內給出檢測數據結果，并以此為基礎制定合理的維修保養方案。已知該路段于1997年12月25日開始通車使用，現公路存在主要問題有車轍、裂縫以及老化現象，同時還需要對路面使用狀態進行評估。

2.1 利用激光傳感器對路面平整度進行檢測

激光傳感器在作用過程中，可以將其整體設備劃分為3 個部分，分別為激光裝置、傳感裝置（加速度計與陀螺儀）、道路監測車。相較于傳統檢測技術而言，激光檢測手段不僅不會對路面造成損壞，同時由于采用車載測量的方式，檢測范圍更廣、采集數據更快，并可以通過車載計算機對采集的測量數據進行同步處理。故而當車輛按照設置好的檢測路線駛完全程后，即可得到準確的路面檢測成果，因此檢測工作不僅高效且準確性高。

該項目中將檢測車的速度在42.4～62.3km/h 之間，通過加速度計控制其行駛速度逐漸遞升。隨后將激光發射裝置與地面之間的水平傾角設定為θ1，并保證檢測期間不會發生改變。在檢測車輛行駛期間，由于旋轉陀螺儀的存在，可以保證激光投射傾角θ1以及與地面測線之間的設定距離H（k）不會發生改變。而一旦路面出現沉降或車轍等病害現象，則其實際高度h 則會發生變化，從而在車載計算機終端的數據圖像中顯示出來[4]。

2.2 利用超聲波頻譜技術對路面強度進行檢測

該高速公路表面覆蓋瀝青結構，其下部混凝土基層依次為15cm 級配碎石墊層、18cm 水泥穩定級配碎石底基層、36cm 水泥穩定級配碎石基層。在長期使用過程中，由于車輛反復荷載的作用下會導致路面結構出現老化或損壞現象，超聲波頻譜檢測便是利用這一特點，根據聲波在不同介質中傳遞的“聲壓幅值”來判斷路面結構的整體強度。其中“聲壓幅值”描述的是根據聲波傳遞速度與混凝土抗壓強度“?cu”之間的關系，混凝土強度“?cu”的數值越高，聲波傳遞的速度以及時間也就會隨之發生變化，此時超聲波信號接收裝置中便會同步呈現出不同的聲波頻譜，以此幫助工作人員對公路強度系數進行評估。

但在使用過程中，工作人員需要關注的問題便是該高速公路面層分為多個結構，因此在使用超聲波頻譜技術進行檢測的過程中，需要考慮聲波在不同介質中傳播產生的干擾問題，需要對其聲波曲線產生的誤差值進行計算。關于其中具體算法，通常會采用回歸分析法建立方程，以此求出相對準確的計算結果。而國家也針對這一問題形成了有關混凝土結構強度檢測的專用測量曲線，以便在使用頻譜檢測技術時能夠獲得標準的技術規范[5]。為此采用分組試驗方案，將公路沿線劃分為了64 組數據采集測塊，分別使用超聲波頻譜技術對其抗壓強度進行了檢測，同時將獲得的數據結構通過式（1）進行計算。

式（1）中：?cu——表示測塊區域的混凝土抗壓強度，單位為MPa；

v——表示超聲波的傳遞速度，單位為“km/s”；

A、B 分別代表不同的回歸系數。

2.3 利用探地雷達檢測技術對路面厚度進行檢測

探地雷達檢測技術與超聲波頻譜檢測技術的作用原理類似，都是通過波段在介質中的傳播狀態來判斷道路面層的實際情況。區別在于探地雷達檢測技術的測量結果更加準確，同時適用的范圍也更為廣泛，且不易受到外力因素干擾。其在檢測過程中，先利用雷達設備發送固定頻率的電磁波，然后根據其在路面基層中的傳播時長，來對介質整體的結構狀態進行分析。因此其不光能夠對各個面層的厚度、強度進行判斷，同時對于一些隱藏在結構深處的裂縫、脫空問題也能夠做出準確檢測，因此無論是在道路施工還是病害檢測中都具有極為廣泛的適用性[6]。

該項目由于使用了不同材料來建設路面基層，因此在不考慮其建筑層密度與孔隙率的情況下，僅需要通過測量電磁波在路面結構中的傳遞時長，便可以對當前路面的厚度情況進行判斷，以此來尋找其結構不均勻的位置，具體可用式（2）進行表達。

式（2）中：z——表示電磁波在當前功率下能夠到達地下深度的最大距離；

t——電磁波在介質中傳遞的實際時長；

x——電磁波在介質中傳遞的實際距離；

v——電磁波在介質中傳遞的平均速度。

而在這一過程中，“t”是表現路面鋪層厚度是否均勻的最直接數據。除了以此判斷路面厚度情況以外，通過車載計算器接收到的信號特征，還可以利用幅度變化、相位差、頻率差等重要數值來構建出路面結構的幾何變化圖像，以此顯示其中存在的具體病害信息。在實際操作過程中，工作人員可以通過以下步驟來完成檢測。

首先，道路普查工作。將測區沿線道路按照1.75±0.25m 的斷面間隔進行劃分，同一道路水平面上至少要保證有2 條測線。隨后設定地質雷達探測車的初始時速為20km，按照劃定的測線范圍進行行駛，以此初步檢測路面結構之下的異常區域。

其次，道路詳查工作。初步根據雷達信號判定路面異常位置之后，需要工作人員進一步設置測點，以此對信號顯示異常區域進行更為細致的勘測。具體布點方式為按照橫、縱向垂直銜接的方式，保持1.75±0.25m 斷面間隔來設置4～9 個測點，然后使用手推式雷達探測儀器沿著測點之間的連接線段進行測量，以此更為精確地判斷路面隱藏病害的位置、大小、類型。在這一過程中如果檢測路段為彎道的情況，工作人員可以適當縮小測點之間的斷面間距，將間距控制在1.25±0.25m 范圍內，然后將多個測點之間按照大于90o角的情況進行連接，以此組成更為密集的測線。此過程中為了進一步保證數據測量結果，還可以分別使用400MHz、200MHz、100MHz 電磁波按照由淺至深的順序對路面結構進行探測，并通過最后的數據對比來保證測量結果的準確性。

最后，鉆探檢測。當確定了路面病害的存在信息，同時將其大致區域縮小至1m 范圍以內,工作人員即可進一步施展鉆探工藝進行測量并實施修復。該項目為減少對路面損害情況，將鉆孔半徑設置在30cm 以下，確定了具體的損壞情況之后，可直接由鉆孔處進行灌漿修復處理。

2.4 利用落錘式彎沉儀對路面彎沉值進行檢測

落錘試驗使用過程中對地面進行錘擊而產生的沖擊力，來模擬道路使用過程中受到的動態荷載，以此檢測路面的彎沉系數，并判定其使用狀況是否良好。其設備整體由重錘與液壓機共同組成，儀器上裝有動力感應裝置，可以在試驗過程中精準的采集數據，然后傳送到計算機終端進行處理。

在該檢測項目中，由于工程沿線的地質結構較為復雜，存在陡坡以及河流等特殊地形條件。因此不同區域的地基對于路面起到的承載能力也各不相同。按照我國高速公路建設標準，強調路面荷載至少要維持在15～50kN 之間，因此為了測量路面彎沉值是否符合標準參數，在進行檢測期間工作人員選取了一段長度在500～800m 范圍內的路段，共布設68 個測點展開落錘彎沉試驗。每一測點的設定區間為半徑15cm 的圓形區域，檢測時長需要控制在20min 左右，重錘落點與測點之間不可超過20mm 誤差[7]。

隨后按照回歸計算的方式對采集數據進行計算，根據重錘產生沖擊力與路面彎沉值x 與y 之間的線性關系，列出計算方程為y=Ax+B，其中的回歸系數A 與B 可以使用留用系數R 進行代替。由此可得到計算式（3）。

求出計算結果后即可與國家標準建筑參數進行對比，進而判斷公路整體使用狀態。

3 結語

綜上所述，隨著科技水平的快速發展，公路檢測技術也實現了全方位突破。在對現有高速公路檢測技術進行分類的基礎上，依次對路面平整度、強度、厚度與彎沉值等相關的測量手段進行了介紹，希望能夠有效提高道路養護檢測質量，并為人們提供更加安全的出行條件。