公路路基路面回彈彎沉檢測研究

摘要 為提升公路路基路面回彈彎沉檢測的準確性和效率，該文通過介紹光電彎沉檢測裝置的設置方法，詳細闡述了光電信號采集的流程，并對公路路基路面回彈彎沉的計算方法進行了深入分析。提出了基于光電信號采集和處理的回彈彎沉計算方法，通過此方法可以更加準確地反映公路路基路面的實際狀況，為公路養(yǎng)護和維修提供科學依據(jù)。研究結果表明，采用光電彎沉檢測裝置進行公路路基路面回彈彎沉檢測，不僅提高了檢測精度，而且顯著提升了檢測效率，為公路工程建設和養(yǎng)護提供了有力的技術支持。

關鍵詞 公路路基；路面回彈；彎沉檢測

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）18-0175-03

0 引言

隨著交通基礎設施建設的快速發(fā)展，公路作為連接城鄉(xiāng)、促進經(jīng)濟發(fā)展的重要通道，其安全性和舒適性越來越受到人們的關注。公路路基路面的質(zhì)量直接關系到車輛行駛的平穩(wěn)性和安全性，因此，對公路路基路面的回彈彎沉進行準確、高效的檢測顯得尤為重要[1]?；貜棌澇潦欠从彻仿访娼Y構強度和承載能力的重要指標，其檢測結果的準確性直接影響到公路養(yǎng)護和維修決策的科學性，近年來隨著科學技術的不斷進步，公路路基路面回彈彎沉檢測方法也在不斷更新和完善。傳統(tǒng)的檢測方法雖然具有一定的準確性和可靠性，但往往存在操作復雜、效率低下等問題，因此研究新型回彈彎沉檢測技術，提高檢測效率和準確性，成為當前公路工程技術領域的重要課題[2]。該文旨在探討公路路基路面回彈彎沉檢測技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，分析各種檢測方法的優(yōu)缺點，并結合工程實例，提出一種新型的回彈彎沉檢測方法。

1 光電彎沉檢測裝置設置

為實現(xiàn)對公路路基路面回彈彎沉的檢測，引入光電彎沉檢測裝置，該裝置的運行原理如圖1所示。

在實際檢測過程中，為了確保公路路基路面的回彈彎沉數(shù)據(jù)準確可靠，首先將一束精心調(diào)試的激光束精準地置于待測點，此步驟至關重要，它直接關系到后續(xù)檢測數(shù)據(jù)的精確性。隨后，激光束被精準地射入光電接收器，光電接收器迅速而準確地捕捉到激光信號，并將其轉換為電信號[3]。緊接著，這些電信號通過光電攝像系統(tǒng)高效穩(wěn)定地傳輸至光電信號獲取系統(tǒng)，在光電信號獲取系統(tǒng)中，信號被精確地采集和記錄，確保了數(shù)據(jù)的完整性和真實性。最后，通過與PC機的通信連接，將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸至計算機進行存儲和處理，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供了便捷的條件。整個檢測過程嚴謹而高效，確保了回彈彎沉檢測結果的準確性和可靠性，發(fā)光的光源類型豐富多樣，包括但不限于LED、白熾燈以及激光等。在此基礎之上，該文提出了一種具備高穩(wěn)定性及小發(fā)光面積的新型熒光源，經(jīng)過研究對比，該文決定選用激光器作為光源，此選擇主要基于激光器的以下幾個顯著特點：第一，出色的單色性，激光器的輸出色純度相比傳統(tǒng)光源有著顯著的優(yōu)勢，高達10倍的提升，因此激光器作為相干光源表現(xiàn)出色，尤其適用于光通信領域[4]，此外其優(yōu)良的單色性特性還使得濾光片技術能夠有效消除其他雜光源的干擾。第二，極強的指向性，激光的發(fā)散角極小，僅達到毫弧量級，遠遠低于常規(guī)光源的發(fā)散角，差異達到了2～3個數(shù)量級。第三，卓越的亮度，在激光焦區(qū)，其輻射照度遠超一般光源，達到了10多倍的水平，這一特性使得激光器在需要高亮度的應用場合中表現(xiàn)出色。

在實際的彎沉檢測中，為保證測試的分辨力和準確性，需要將被測的彎沉量與被測信號所對應的位移值等效，從物理學角度看，光的成像公式為：

1/l+1/l=f （1）

式中：l——物距（mm）；l——像距（mm）；f——光學透鏡焦距（mm）。若規(guī)定要求兩個位移大小相同，則必須滿足物距與像距相等，即=的條件，因此根據(jù)上述公式可推算得出應等于2倍的光學透鏡焦距f，放大倍數(shù)此時為：

k= l/l =1 （2）

式中：k——放大倍數(shù)，按照目前的技術指標，該文選擇250 mm焦距的光學鏡頭（物鏡），獲得的放大率k<1，通過透鏡后，再將其放大，獲得期望的位移信號，其基本原理如圖2所示。

充分利用這一原理，不僅滿足檢測精度要求，同時實現(xiàn)結構設計上的合理。

對于彎沉測量范圍的確定，彎沉梁的前端節(jié)點設置在標準車輛的輪胎中間，在彎沉車3.6 m之外的支點和數(shù)據(jù)收集盒的支架三個位置都在同一水平面內(nèi)，例如沉彎梁是3.6 m，位于彎沉車外側的數(shù)據(jù)收集箱是0.36 m，前后兩部分的比例是10∶1。在實測中，由于路面不平度的影響，尾部會與水平方向產(chǎn)生偏差[5]，為解決這個問題，根據(jù)杠桿原理，在尾端向上和向下移動1個單位的距離，就需要向前移動10個單位，此時若后端移動為，前端位移為，則有：

l/L = 1/10 （3）

式中：l——支點到后端距離（mm），L——支點到前端距離（mm），結合杠桿原理得出：

H=10h （4）

式中：H——前端位移（mm），h——后端位移（mm）。采用貝克曼梁回彈式彎沉檢測原理，需將待測彎沉與被測物體表面的撓度等效，所以貝克曼梁末端的運動距離不得超出35 mm，否則接收器（數(shù)據(jù)收集盒）無法接收到光源發(fā)出的光，從而造成測量失敗[6]。在光源設計方面，將光源置于基準位時，將其投射至CD中心17.5 mm，這就需要將光源的升降幅度限制在17.5 mm以內(nèi)，所以貝克曼梁尾端的上下運動幅度不得大于1.75 mm。

若將單光源置于貝克曼梁前端，則可獲得貝克曼梁尾端上、下位移h=±1.75 mm的測量值。如果在原來的光源上另加一個光源，那么兩個光源的邊沿就不能精確地重合了，因此要把其位置安排得有重疊，在原始光源的正上方34 mm位置加一顆光源，使其量程達到70 mm。如果把兩個光源放在一起，測量距離就會增加一倍，這樣類推，再放一個光源，測量距離就會增加一倍[7]。但實際上，貝克曼梁的前端被安置在了標準車輛的輪胎中央，因此，其內(nèi)部空間并不大，無法無限地容納更多的光源，通過實測表明，采用三種不同的光源，可以在保證測量范圍的同時，不會對系統(tǒng)的結構造成任何影響，在這種情況下，測量范圍可達90 mm，并能在后端上下位移h=±4.5 mm內(nèi)接收數(shù)據(jù)。

2 光電信號采集

光電信號的采集分為：光電信號轉換、信號放大、AD轉換以及信號與上位機之間的通信傳輸，光電信號變換的基本功能就是將光學信號轉化為電信號，并對其進行處理[8]。CCD是光電信號變換設備的核心部件，其由多個感光像素按一定的規(guī)則排列而成，每一個像素都相當于一個MOS電容，如下面的圖3所示。

CCD實質(zhì)上是在P型硅基片的表面上，氧化過程產(chǎn)生約1 000～1 500 A的硅石，隨后在硅石表面蒸鍍一層名為多晶硅的金屬層，接著將偏置加到襯底和金屬電極之間，便可形成MOS電容。其工作原理為：用一束光照射在這個電容上，使其通過透明電極、氧化物層，到達P型硅基片，在硅基片上產(chǎn)生的負電荷吸收光子，使其能量躍遷至導帶。

信號在經(jīng)過CCD后，由于幅值較小，且存在雜音，因此需要對其進行處理。利用一階電容濾波電路對信號進行處理。假設濾波器的輸入電壓為X，輸出電壓為Y，則電路的微分方程可寫作：

RCdX/dt +Y=X （4）

式中，令，T=RC，T——時間常數(shù)，對上述公式（1）進行拉氏變換得到：

H（s）= 1/Ts+1 （5）

式中：H（s）——拉氏變換函數(shù)，s——函數(shù)約束條件，T——時間常數(shù)。

3 公路路基路面回彈彎沉計算

根據(jù)采集到的光電信號，結合貝克曼梁測量方法對公路路基路面回彈彎沉進行計算，在進行正式的測量前，進行預備工作準備。首先確保測試所使用的標準車制動性能優(yōu)良，輪胎內(nèi)胎的氣壓滿足規(guī)范；其次在標準車上加載重物，使之達到計量時所需的重量；檢驗彎曲式千分表的靈敏度；在檢測過程中，使用路表溫度計測量空氣溫度和路面溫度等。一切準備就緒，可以進行正式的測量，圖4為貝克曼梁原理圖。

該測量被劃分為以下幾步：

（1）將待測點設于待測路段，按要求確定測點之間的距離，測量點應該沿著人行道上的輪胎軌跡進行分配。

（2）在測量點之后，使標準車輛的后輪的輪距與測量點后大約3～5 cm的距離對齊。

（3）在車輛后輪的輪隙中插入彎曲梁的尖端接觸點，使其與標準車輛的方向?qū)R，試驗橫梁不得與輪胎接觸，然后將千分表固定在彎曲桿上，并將表調(diào)零，后用手指敲擊彎曲桿，以確定其平穩(wěn)的零點。

檢測人員打出了啟動的信號，隨著標準車輛的緩緩移動，百分表也會隨著四條道路上的形狀參數(shù)的變化而不斷改變，直到指針達到最大，才能快速讀出第一個讀數(shù)L1。當標準車向前移動時，指針會反轉，當其離開彎曲的半徑范圍時，試驗者會發(fā)出停止的信號，當千分表的指針穩(wěn)定下來之后，重新讀出最后的讀數(shù)L2，一輛普通汽車的行進速度應該是5 km/h，公路路基路面被測點的回彈彎沉值計算公式為：

L=（L?L）×2 （6）

式中：L——路面溫度為T時回彈彎沉量（mm），L——接近輪心鄰近彎沉儀器時百分表最大讀數(shù)（mm），通常精確到0.01mm，L——超過彎沉影響半徑時的百分表讀數(shù)（mm），通常精確到0.01mm。基于已有的貝克曼梁彎沉探測方法，將激光位移測量方法引入到測量中，解決了常規(guī)測量方法的缺陷，將激光光源置于被測點上方，將光電接收器置于彎沉盤的外側，在激光束隨路面形變而上下運動的情況下，利用光電接收設備可以快速準確地測出路面的彎沉：

Δy=ΔH/K （7）

式中：Δy——路面彎沉檢測結果（mm），ΔH——傳感器測定的位移（mm），K——放大倍數(shù)（倍）。

4 結論

通過對公路路基路面回彈彎沉檢測技術的深入研究，該文提出了一種新型的檢測方法，并通過實驗驗證了其可行性和有效性，該方法不僅提高了檢測效率，而且能夠更準確地反映公路路面的結構強度和承載能力，為公路養(yǎng)護和維修提供了重要的技術支撐。然而，公路路基路面回彈彎沉檢測技術的研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)，隨著公路使用年限的增加和交通量的不斷增大，公路路面的損傷和變形問題日益嚴重，對回彈彎沉檢測技術的要求也越來越高，因此后續(xù)需要繼續(xù)深入研究回彈彎沉檢測技術的原理和方法，探索更加高效、準確的檢測手段，為公路工程建設和養(yǎng)護提供更為可靠的技術保障。

參考文獻

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