路面無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)介與評(píng)價(jià)
2012-03-26 來源：來源：中國(guó)鳴網(wǎng) 作者：邵曉良
路面檢測(cè)技術(shù)的總體趨勢(shì)是由人工檢測(cè)向自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)發(fā)展，由破損類檢測(cè)向無損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展，由低速度、低精度向高速度、高精度發(fā)展。近20年來，路面無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)的研究和應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外受到日益廣泛的重視，其中路面強(qiáng)度檢測(cè)與結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)一直是道路工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。近幾年來，隨著交通基礎(chǔ)建設(shè)投資力度的加大，我國(guó)公路通車?yán)锍讨鹉昕焖僭鲩L(zhǎng)，未來一段時(shí)期內(nèi)大量的原有路面需要維修改造，以保持良好的路用性能。路面性能檢測(cè)是公路建設(shè)與管理中的關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性技術(shù)，它不僅對(duì)檢測(cè)和控制工程質(zhì)量至關(guān)重要，而且決定著路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)決策的科學(xué)性，直接影響?zhàn)B護(hù)資金分配的合理性。
當(dāng)前，我國(guó)正興起一場(chǎng)大規(guī)模的高等級(jí)公路建設(shè)熱潮。發(fā)展高新檢測(cè)技術(shù)是高等級(jí)公路建設(shè)與管理的必然要求，不少單位已引進(jìn)FWD等快速、無破損路面檢測(cè)系統(tǒng)。新實(shí)施的路面路基現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程，F(xiàn)WD貝克曼梁和自動(dòng)彎沉儀一起列入路面彎沉檢測(cè)基本設(shè)備，對(duì)于加快FWD檢測(cè)技術(shù)的研究開發(fā)和推廣應(yīng)用將起到有力的推動(dòng)作用。
一、FWD（落錘式彎沉儀）簡(jiǎn)介
FWD（FallingWeightDeflector）即落錘式彎沉儀，是目前國(guó)際上比較流行的先進(jìn)的路面無損檢測(cè)設(shè)備，可很好地模擬行車荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的作用，并且測(cè)速快，精度高。
1、FWD的組成
FWD由兩部分構(gòu)成，1是由引車車上裝有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及電源控制系統(tǒng)；2是由拖車（FWD）車上裝有發(fā)電機(jī)，脈沖荷載發(fā)生系統(tǒng)，承載板及四種傳感器（位移傳感器、壓力傳感器、距離傳感器和溫度傳感器）。牽引車與FWD用5條電纜相聯(lián)。FWD在野外測(cè)量所采集的信號(hào)通過電纜線送入接口箱與計(jì)算機(jī)相聯(lián)。
2、FWD路面檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理
本文以DynatestFWD為例，簡(jiǎn)要介紹FWD的工作原理。DynatestFWD是由Dynatest國(guó)際集團(tuán)公司研制開發(fā)的高科技路面強(qiáng)度檢測(cè)系統(tǒng)，其技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性和可靠性代表了當(dāng)前路面無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展水平，并在國(guó)際上得到廣泛應(yīng)用。
DynatestFWD檢測(cè)系統(tǒng)主要包括FWD掛車、9000型信息處理系統(tǒng)和微機(jī)操作系統(tǒng)。FWD掛車由加載系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)構(gòu)成。其基本工作原理:是通過液壓系統(tǒng)提升一重錘，然后釋放下落，從而對(duì)路面施加一沖擊荷載。荷載的大小通過改變提升高度或錘重來調(diào)節(jié)，并由壓力傳感器精確測(cè)定。這種加荷方式較好地模擬了行車荷載對(duì)路面的作用。路面的變形（彎沉）由一組傳感器測(cè)定。DynatestFWD通常在距荷載中心1.8m的范圍內(nèi)布置7—9個(gè)速度傳感器。9000型信息處理系統(tǒng)記錄荷載和路面變形的全部時(shí)程信息。整個(gè)操作系統(tǒng)均通過微機(jī)實(shí)現(xiàn)。
DynatestFWD主要技術(shù)指標(biāo)如表1。由于FWD檢測(cè)系統(tǒng)可精確測(cè)試路面所受荷載和完整的變形（彎沉）信息，從而可以應(yīng)用力學(xué)反分析法確定路面材料性能，并對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為深入的分析評(píng)價(jià)。
表1DynatestFWD主要技術(shù)指標(biāo)
荷載范圍 0.7—12.0t
位移傳感器分清率 1um
位移傳感器系統(tǒng)誤差 <2%
系統(tǒng)測(cè)速 每測(cè)點(diǎn)約35s
FWD掛車自重量 1.0t
位移傳感器數(shù)量 9個(gè)
脈沖荷載形狀 近似半正弦波
3、目前FWD主要的應(yīng)用：
1.路面彎沉盆檢測(cè)；
2.路面接縫傳荷效率檢測(cè)；
3.剛性路面板脫空檢測(cè)；
4、FWD與其他彎沉檢測(cè)設(shè)備相比，其技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：
1.計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，可以連續(xù)的快速測(cè)量，1小時(shí)大約能夠進(jìn)行60次試驗(yàn)；
2.準(zhǔn)確性和精度高，彎沉分辨率達(dá)1微米；
3.加載范圍大，可以在0.7～12噸之間；
4.能夠準(zhǔn)確的測(cè)定較完整的彎沉盆信息，為路面結(jié)構(gòu)層模量反算提供了必要的基礎(chǔ)；
5.對(duì)環(huán)境條件要求相對(duì)較低；
6.測(cè)試方便，速度快，全套系統(tǒng)由微機(jī)控制，一測(cè)點(diǎn)只需約40秒；
7.對(duì)交通干擾小。
二、FWD路面結(jié)構(gòu)反分析研究現(xiàn)狀
1、路面結(jié)構(gòu)反分析問題的提出
自1953年貝克曼梁式彎沉儀問世以來，路面彎沉一直被用于路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)。然而這種傳統(tǒng)的彎沉評(píng)價(jià)法存在明顯的缺陷。由于路面結(jié)構(gòu)是一個(gè)多層體系，僅用單點(diǎn)彎沉來評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)性能是不充分的。
雖然路面使用性能劣化的機(jī)理十分復(fù)雜，但一般認(rèn)為，路面開裂造成的結(jié)構(gòu)性劣化主要與面層材料中的最大拉應(yīng)力或最大拉應(yīng)變有關(guān)，而路面轍槽或平整度降低造成的功能性劣化，主要與基層或路基散離體材料中的最大壓應(yīng)力或最大壓應(yīng)變有關(guān)，因此，為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)路面承載能力，必須首先確定路面結(jié)構(gòu)層材料性能，進(jìn)而分析路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。
路面材料性能的確定分為破損和非破損兩類方法。破損類方法（如取芯法）不僅周期長(zhǎng)、效率低，而且取樣過程中材料不可避免的受到“擾動(dòng)”，造成試驗(yàn)結(jié)果難以全面反映路面結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)特性。因此，70年代以來，隨著以落錘式彎沉儀為代表的快速，高效、無破損檢測(cè)技術(shù)在國(guó)際上得到廣泛應(yīng)用，根據(jù)彎沉盆信息反演路面材料性能，逐步得到學(xué)術(shù)界和工程界的普遍關(guān)注。
2、路面結(jié)構(gòu)反分析的研究現(xiàn)狀
根據(jù)彎沉盆檢測(cè)數(shù)據(jù)反算路面結(jié)構(gòu)層摸量的早期研究，以推理法、圖解法及回歸法為基礎(chǔ)。近年來，力學(xué)反分析法成為人們研究的重點(diǎn)，它大致可分為數(shù)據(jù)庫搜索法和迭代法兩類。
美國(guó)德克薩斯A&M大學(xué)在數(shù)據(jù)庫方面作了長(zhǎng)期而系統(tǒng)的研究，開發(fā)出了實(shí)用化的軟件系統(tǒng)MODULUS，其基本原理和實(shí)現(xiàn)過程為：首先根據(jù)路面各層厚度、材料迫松比和彈性模量的可能范圍，應(yīng)用多層彈性體理論（BISAR程序）建立一個(gè)路面彎沉盆數(shù)據(jù)庫，然后利用模式搜索和拉格朗日插值方法確定一組模量，使計(jì)算與實(shí)際彎沉盆最為接近。數(shù)據(jù)庫法的優(yōu)點(diǎn)在于避開了反分析中的“病態(tài)”問題，求解過程穩(wěn)定：一旦建立了數(shù)據(jù)庫，可以快速實(shí)現(xiàn)模量的反算。缺點(diǎn)是對(duì)于不同的路面結(jié)構(gòu)，必須建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，即數(shù)據(jù)庫不具有通用性。
迭代法的研究成果較為豐富，代表性的軟件有MODCOMP2,BISDEF,CHEVDEF等。迭代法的基本過程為：（1）輸入已知的路面各層厚度、泊松比及荷載值；（2）假定一組模量初試值；（3）應(yīng)用路面力學(xué)模型計(jì)算相應(yīng)于FWD傳感器位置各點(diǎn)的彎沉；（4）比較計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差；（5）調(diào)整各層模量值；（6）重復(fù)（3）、（4）、（5），直至計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差達(dá)到最小。
迭代法的關(guān)鍵在于如何保證計(jì)算過程中的穩(wěn)定性。現(xiàn)有研究成果大多對(duì)初始值的選取要求非?？量獭３跏贾颠x取不當(dāng)將使計(jì)算過程不收斂，或者對(duì)不同的初始值有不同的收斂結(jié)果，其根本原因在于未能有效的處理反算方程的“病態(tài)”問題。為此，美國(guó)戰(zhàn)略性公路研究計(jì)劃路面長(zhǎng)期使用性能研究采用數(shù)據(jù)庫法（MODULUS軟件）作為FWD數(shù)據(jù)分析的基本方法。
三、系統(tǒng)識(shí)別反分析方法
識(shí)別系統(tǒng)的目的是根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出來確定系統(tǒng)的特性。較直觀的方法是建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型來模擬未知系統(tǒng)，然后修改模型使其與實(shí)際系統(tǒng)之間的誤差在某種意義上得到最小。常用的誤差極小化是在相同輸入條件下使模型與系統(tǒng)的輸出誤差達(dá)到最小。根據(jù)這一識(shí)別過程可建立路面結(jié)構(gòu)反分析方法：（1）利用FWD檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)路面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)非破壞性試驗(yàn)，觀測(cè)路面結(jié)構(gòu)在已知荷載作用下的變形（彎沉盆）；（2）應(yīng)用路面力學(xué)模型，計(jì)算在相同荷載作用下路面的變形（正分析）；（3）建立模型修改算法，逐步調(diào)整模型參數(shù)，使計(jì)算與觀測(cè)結(jié)果之間的誤差達(dá)到最小。
由此可見，系統(tǒng)識(shí)別反分析不僅要求試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，理論模型合理，而且需要具有較好的穩(wěn)定性和收斂性的參數(shù)改算法。
四、結(jié)束語
?。?）路面無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)在公路建設(shè)與管理中具有重大應(yīng)用價(jià)值和顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在工程檢測(cè)方面，應(yīng)用快速、無破損檢測(cè)技術(shù)和路面力學(xué)反演方法，能夠及時(shí)準(zhǔn)確的分析路面結(jié)構(gòu)各層強(qiáng)度，從而防止因材料強(qiáng)度不足而造成的質(zhì)量隱患，從根本上避免路面過早破壞；在養(yǎng)護(hù)決策方面，對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行定期檢測(cè)和結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)，可以科學(xué)的制定養(yǎng)護(hù)方案，合理的分配養(yǎng)護(hù)資金；在道路改造方面，準(zhǔn)確的檢測(cè)和評(píng)價(jià)待改造路段的剩余強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)路面補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
?。?）路面無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)的研究涉及許多學(xué)科分支：在學(xué)術(shù)上以路面力學(xué)反問題等現(xiàn)代力學(xué)理論為基礎(chǔ)；在技術(shù)上涉及自動(dòng)化檢測(cè)、信息處理、計(jì)算機(jī)輔助工程等高新技術(shù)；在應(yīng)用上密切結(jié)合工程實(shí)踐。因此，它是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的科研方向，要求理論研究、技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用密切結(jié)合。
?。?）本方法在國(guó)際上發(fā)展很快，在理論研究、設(shè)備研制和軟件開發(fā)等方面都取得了較豐富的成果。由于我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)正處于迅速發(fā)展時(shí)期，加快開發(fā)先進(jìn)、高效的路面檢測(cè)技術(shù)和配套、實(shí)用的路面評(píng)價(jià)系統(tǒng)已成為當(dāng)務(wù)之急。
