無損檢測技術(shù)評估和檢測道路性能

郭成超，許朋飛，鐘燕輝

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001）

一、 前言

基礎(chǔ)設(shè)施不僅僅是一個城市發(fā)展的基礎(chǔ)，更是全民生活的保障。基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維護需要巨大的投資。美國聯(lián)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(xué)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(lián)邦政府、各州和地方政府已經(jīng)投入了910億美元，雖然短期內(nèi)情況會有所改善，但是這些投入仍然不足，根據(jù)FHWA的估計，在此基礎(chǔ)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)病害和破損，這對于日益發(fā)展的道路設(shè)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(shù)，可以經(jīng)濟有效地監(jiān)控路網(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)，并優(yōu)先為維修養(yǎng)護作業(yè)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(xù)路網(wǎng)的健康監(jiān)控方向發(fā)展。

二、道路病害與缺陷

路面劣化通常發(fā)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(xiàn)，它可以從一個小于0.5 mm寬、2 cm深的裂縫發(fā)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(fā)現(xiàn)的。這是因為當?shù)乇硭舭l(fā)后，裂縫中卻殘留了水。細小的裂縫需要及時處理以防止發(fā)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(xù)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(jié)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(shù)是由黏結(jié)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(fā)現(xiàn)。大面積的分層可能會在路面發(fā)展成大的裂縫，并最終導(dǎo)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(xù)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(yè)產(chǎn)品和檢測程序，以便于道路早期的維修養(yǎng)護。無損檢測的優(yōu)勢在于在不阻斷交通的情況下，準確、高效地評估結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

圖1 路面的劣化

圖2 坑槽病害路段修復(fù)圖

在我國，坑槽和其他路面病害困擾著城市的基礎(chǔ)設(shè)施。如圖2所示的坑槽存在于我國的大多數(shù)道路中，圖2中所示的修補是最常見，也是比較經(jīng)濟的處理方法，但其有效性差異很大。由于快速的修復(fù)需要和小補丁區(qū)不能實現(xiàn)足夠的壓實而容易受到損害。因此，應(yīng)改善維修方法，同時加強對路面和路面以下病害的監(jiān)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(xié)會（ASTM）對路面狀況的評價

美國國家公路管理員協(xié)會(AASHO）是最全面的路面快速測試協(xié)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(wù)性能指數(shù)（PSI）的準確性得到了提高。AASHO統(tǒng)計了美國道路可見的路面病害，如裂縫、修補塊、邊坡失穩(wěn)和車轍深度。用輪廓儀數(shù)據(jù)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(wù)性能指數(shù)；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(diào)查之前，根據(jù)道路等級將不同地區(qū)的道路分成若干部分，在進行調(diào)查時，只對給定地區(qū)的某一部分進行調(diào)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(qū)應(yīng)調(diào)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(jù)其密度和嚴重程度進一步劃分，根據(jù)該標準提供的表格中數(shù)據(jù)計算相應(yīng)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(shù)（PCI）分值可用于整個地區(qū)。

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

在ASTM D6433—2011標準采用PCI時，檢測設(shè)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(zhì)量圖像，再依賴人工從相關(guān)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(fēng)險高、需要訓(xùn)練有素的專業(yè)人員、結(jié)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(nèi)，需要結(jié)合一些基于物理、聲波或電磁性質(zhì)的測量系統(tǒng)來推導(dǎo)出路面以下的結(jié)構(gòu)特性。在評估路面平整度和駕駛舒適性時，宏觀構(gòu)造深度（MTD）和國際平整度指數(shù)（IRI）被廣泛使用。

四、評價公路路面的無損檢測技術(shù)

隨著技術(shù)的發(fā)展，路面管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和分析已經(jīng)從手動向自動化方向發(fā)展，在美國已經(jīng)開始自動化的數(shù)據(jù)采集和分析。盡管自動化技術(shù)花費巨大，但可以有效避免人工方法帶來的誤差，并且數(shù)據(jù)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(shù)得到了廣泛認可。用于數(shù)據(jù)自動化采集的主要裝備是安裝在車輛后面和側(cè)面的光學(xué)相機，它可以持續(xù)拍攝并保存圖像，以便技術(shù)人員可以在辦公室分析圖像并利用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)自動采集技術(shù)的廣泛應(yīng)用，ASTM D6433—2011標準已更新為ASTM D5340—2012。時至今日，大部分的機構(gòu)采用基于光學(xué)相機的街道數(shù)字圖像自動數(shù)據(jù)采集，一旦數(shù)據(jù)采集完成，可人工評估道路病害。相關(guān)機構(gòu)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(zhì)的儀器，主要由供電裝置、控制系統(tǒng)、承載盤、彎沉傳感器、數(shù)據(jù)存儲和處理系統(tǒng)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(guī)定，在測量道路彎沉值時，檢測車輛應(yīng)停下并使承載盤位于檢測位置之上。因此，F(xiàn)WD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(tài)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(yīng)。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(zhì)量、路基支撐、環(huán)境因素、路面不連續(xù)性以及路面結(jié)構(gòu)的種類。FWD檢測設(shè)備需要定期維護，這將提高設(shè)備的性能和使用壽命，使測量得到的數(shù)據(jù)更可靠。

圖4 FWD設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)，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(tǒng)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(tài)的數(shù)據(jù)，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(shù)，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(zhì)目標內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(fā)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(xù)向下傳播。天線接收到反射波，并將數(shù)據(jù)記錄在數(shù)字存儲設(shè)備中以便分析。

單頻GPR路面檢測是最早應(yīng)用到民生工程中的技術(shù)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(jié)構(gòu)。Loizos 等[7] 展示了使用不同頻率的GPR系統(tǒng)檢測路面層，并通過對比檢測結(jié)果與路面的實際情況，深入研究了GPR系統(tǒng)的可靠性。路面材料的介電常數(shù)可以通過計算路面各層內(nèi)的波速或路面的反射系數(shù)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(shù)據(jù)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(gòu)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(tǒng)方法。該方法用MTD值來表征表面的宏觀結(jié)構(gòu)，最早由英國運輸和道路研究所設(shè)計，在操作方面受人為影響較大，不宜在潮濕天氣測量。現(xiàn)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(jīng)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(gòu)造特性。

測量MTD值一般采用激光輪廓法，通過電機驅(qū)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(shù)據(jù)。

美國東北大學(xué)（NEU）研發(fā)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(yīng)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(shù)（IRI）

圖7 路面宏觀構(gòu)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(yù)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(yīng)用。該指數(shù)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(xù)測量160 m（約為0.1 mi），以規(guī)定速度行駛在路面上，分析行駛距離內(nèi)動態(tài)反應(yīng)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(shù)；Cs是懸架阻尼率；kt是疲勞彈簧勁度系數(shù)；mu是簧載質(zhì)量（一個車輪支撐的車身質(zhì)量的一部分）；ms是非簧載（車輪，輪胎，半軸/懸掛）質(zhì)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(tǒng)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(yīng)用和發(fā)展[11]。SASW法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的面波法，被廣泛地應(yīng)用于地下勘探與地質(zhì)實驗中。傳統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)玫缴⑶€，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(chǔ)之上，美國東北大學(xué)開發(fā)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(tǒng)安裝在一輛三輪手推車上，一個麥克風(fēng)陣列安裝在手推車的下面，每個麥克風(fēng)用隔音泡沫來隔絕環(huán)境噪音。該系統(tǒng)使用的電磁錘可以提供可調(diào)及可追溯的沖擊源，面波的典型聲音信號和來自系統(tǒng)的信噪比（SNR）如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場典型信噪比

原型車在現(xiàn)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(xiàn)場鉆孔（如圖11（a）所示）測量道路材料的彈性模量值，結(jié)果如圖11（b）所示，通過手推車測量的結(jié)果如圖11（c）所示，與現(xiàn)場鉆孔的測量結(jié)果很接近。另一現(xiàn)場試驗是位于Rowley MA的Pingree大橋的橋板現(xiàn)場測試，橋面寬5 m，測試者以步行速度，連續(xù)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(jié)果見圖12（b），測量結(jié)果與大橋設(shè)計文獻相吻合，現(xiàn)場測試結(jié)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(yè)傳感技術(shù)對路面狀況評價的總結(jié)，表3是無損檢測商業(yè)公司產(chǎn)品功能及優(yōu)缺點評價。我國幅員遼闊，需要發(fā)展無損檢測技術(shù)來測量廣大的路網(wǎng)區(qū)域，以應(yīng)對未來的維護問題。

五、結(jié)語

現(xiàn)有的路面自動檢測系統(tǒng)基本都采用現(xiàn)場檢測與離線分析處理的方式，無疑，這種方式還有待優(yōu)化和提升。如何實現(xiàn)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(guān)學(xué)者亟需解決的技術(shù)難題。本文詳細介紹了目前國外技術(shù)水平已經(jīng)十分成熟的幾種無損檢測技術(shù)以及我國的發(fā)展情況，對有代表性的檢測技術(shù)做了詳細介紹，指出了其中的不足之處，列舉了國內(nèi)外無損檢測商業(yè)公司產(chǎn)品的優(yōu)缺點，以指導(dǎo)相關(guān)人員結(jié)合工程實際合理選用。我國應(yīng)在無損檢測技術(shù)的基礎(chǔ)之上，繼續(xù)擴大路網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)控。總之，無損檢測技術(shù)水平的不斷提高對道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)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(xiàn)場測試

圖12 原型車在橋面板上的現(xiàn)場測試

表2 商業(yè)傳感技術(shù)對路面狀況的評價

表3 無損檢測商業(yè)公司產(chǎn)品功能及優(yōu)缺點評價

[1] Zaniewski J. Vehicle operating costs, fuel consumption and pavement type and condition factors [R]. Washington DC∶ Federal Highway Administration, 2008.

[2] ASCE. U.S. infrastructure report [R]. New York∶ The American Society of Civil Engineers, 2014.

[3] Mamlouk M S, Davies T G. Elastodynamic analysis of pavement deflections [J]. Journal of Transportation Engineering,1984,110(6)∶ 536–550.

[4] Dondi G, Barbarella M, Sangiorgi C, et al. A semi-automatic method to identify road surface defects [C]. Minutes of the 2011 International Conference on Sustainable Design and Construction,Italy∶ ASCE, 2011.

[5] Stationery Of fi ce. Design guidance for road pavement foundations[S]. London∶ Highways Agency, 2006.

[6] ASTM C131—2014. Standard test method for resistance to degradation of small-size coarse aggregate by abrasion and impact in the Los Angeles machine [S]. West Conshohocken∶ ASTM, 2006.

[7] Loizos A, Plati C. Accuracy of pavement thicknesses estimation using different ground penetrating radar analysis approaches [J].NDT & E International, 2007, 40(2)∶ 147–157.

[8] ASTM E965—2001. Standard test method for measuring pavement macrotexture depth using a volumetric technique [S]. West Conshohocken∶ ASTM, 2001.

[9] ASTM E2157—2009. Standard test method for measuring pavement macrotexture properties using the circular track meter [S].West Conshohocken∶ ASTM, 2009.

[10] Shen J, Tang T, Wang L L. Spectral methods∶ Algorithms, analysis and applications [M]. Berlin∶ Springer, 2011.

[11] 林莉, 李喜孟.超聲波頻譜分析技術(shù)及其應(yīng)用 [M].北京：機械工業(yè)出版社, 2009.

Lin L, Li X M. Application of ultrasonic spectrum analysis [M].Beijing∶ China Machine Press, 2009.