维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第２８卷第２期 公路路面结构检测技术研究现状 陈露一，廖卫东，占宝剑 （武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室，武汉４３００７０） 摘 要： 路面结构检测是公路建设和使用过程中一项至关重要的技术。文章通过对国内外文献资料总结，简要分 析了目前路面结构检测技术的研究现状，并对其中应用较为广泛的几项检测技术做了简单阐述。 关键词： 路面结构；探地雷达； 冲击回波 Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｒｏａｄ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｓｕｒｖｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＣＨＥＮ Ｌｕ—ｙｉ，ＬＩＡＯ Ｗｅｉ—ｄｏｎｇ，ＺＨＡＮ Ｂａｏ—ｊｉａｎ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｒｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｓｕｒｖｅｙ ｉｓ ａ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｒｏａｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｅｒｖｉｃｅ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ａ ｓｉｍｐｌｙ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｒｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｓｕｒｖｅｙ ｒｅｖｉｅｗ，ａｎｄ ｂｒｉｅｆｌｙ ｅｘｐａｔｉａｔｅ ｓｅｖｅｒａｌ ｐｒｅｖａｌｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｒｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｓｕｒｖｅｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒｏａｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ； ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ ｄｍｐａｃｔ ｅｃｈｏ 公路路面在实际使用过程中，温度、水分以及荷 大、工做效率低。其后又相继开发生产出自动弯沉 载等因素均会对整个路面结构产生不利影响，使其 仪、稳态动力弯沉仪等。但因其具有动力荷载较小， 产生各种病害。病害的产生极大地降低了路面的使 不能完全反映实际行车情况的缺点，后又被落锤式 用性能，同时也带来了巨大的经济损失。因此，对路 弯沉仪（ＦＷＤ）所取代。目前ＦＷＤ被世界各国广泛 面结构实行安全检测显得异常重要。近年来，传统检 用于动态弯沉检测和结构性能评价。 测技术已经逐渐被新型检测技术取代。国内外许多 ＦＷＤ的工作原理是通过计算机控制下把一定 研究者在不断开发新型、实用的路面检测技术。国外 质量的重锤由液压传动装置提升至一定高度，然后 在路面检测技术方面的研究已经有３Ｏ多年的历史， 释放，使其自由下落，落在一刚性圆盘上（荷载盘）， 并且随着高新技术的发展在近些年里有所突破。我 对路面产生一个脉冲荷载，其作用时间和振幅值非 国从２Ｏ世纪８０年代后期开始，通过设备和技术引进 常接近于运动着的汽车轮载，在该荷载作用下，路面 与自主研发，在路面检测领域也获得了长足的发展。 产生变形，形成弯沉盆。弯沉盆各处的变形或者最大 该文在对国内外资料进行详细分析的基础上，对目 位移值，由分布在弯沉盆不同位置上的数个位移传 前路面结构安全检测技术研究现状做了分析。 感器测定。荷载的大小通过改变落锤重量，其提升高 １弯沉检测技术 度可在相当大的范围内调整，并通过刚性圆盘作用 到路面上，路面的变形由５～９个位移传感器测出。 路面弯沉是表征路面结构整体强度的重要指 基于弯沉盆数据反演路面结构层模量是ＦＷＤ应用 标。最初是通过贝克曼梁利用杠杆原理进行人工测 的关键技术。 试，测量结果为单点静态回弹弯沉，这种方法技术简 ＦＷＤ具有以下优点： 便、易于普及，但是检测精度受人为和环境因素影响 １）可以较好地模拟实际行车荷载作用（相当于 ４５ 维普资讯 http://www.cqvip.com ６Ｏ一８Ｏ ｋｍ／ｈ的行车速度）。 ２）克服了梁式弯沉仪参照系不稳定的缺点。 ３）相比于稳态动力弯沉仪，静力预载较小。 ４）测试过程全部由微机控制，精度及自动化程 度较高。 利用ＦＷＤ能够快速、准确地检测和评价路面 各结构层或路基的强度，在施工过程中通过逐层检 测和结构层的模量反算，可及时发现质量隐患，并迅 速采取处理措施，从而在根本上控制了工程质量。 ２路面结构缺陷及隐患检测技术 路面缺陷检测和预测在道路质量控制体系中的 作用至关重要。它不仅能有效探测路面可能发生的 各种病害，也可以对路面结构各层在使用过程中的 结构性能变化做出分析和预测。传统的混凝土缺陷 无损检测技术主要是超声法，随着科学技术的发展 一些新兴的无损检测技术如红外法、雷达法、冲击回 波法、声发射法等也相继应用于混凝土缺陷的无损 检测。因各种检测方法的特点和应用范围存在差异， 目前国内外在路面结构检测中应用最为广泛的检测 技术为探地雷达检测技术和冲击回波检测技术。 ２．１探地雷达检测技术 １９９４年，美国地球物理公司发明了ＳＩＲ地质雷 达仪，适用于公路路面检测。９Ｏ年代日本雷达仪器 公司（ＪＲＣ）研制开发了一系列混凝土内部雷达探测 仪。 雷达波属于电磁波的一种，其主要原理是雷达 波在混凝土中传播时，其传播速度与介质的介电常 数相关，当遇到混凝土界面、内部缺陷、钢筋等介电 常数变化较大的目标时发生反射、散射等，通过反射 信号的波形、传播时间等参数判断混凝土内部状况。 其工作原理见图１。 发射天线 接收天线 图１探地雷达检测原理不意图 电磁波在介质面的折射与反射特征，由折射系 数Ｔ和反射系数Ｒ表示。对于非磁性介质，电磁波垂 直入射时，可由下式表示 等 √￡ｌ＋√￡２ 一 √￡ｌ＋√￡２ 式中，４￡。，４￡。分别为上下介质的介电常数。 ２００７年第２８卷第２期 可以看出：对于非磁性介质，电磁波的反射特性 仅与介质的介电常数有关。探地雷达发射的电磁波 在地层中传播的过程中，遇到该反射界面就会产生 反射波，从而探地雷达根据不同的反射波的振幅、相 位及频率特征进行对比，确定路面的结构层厚度及 路基病害。 公路路基、路面、隧道衬砌的层状结构特点，以 及各层不同材料的电磁特性适合于探地雷达的检 测。探地雷达不仅可以在公路运营期中检查出多种 病害，如路面沉陷、脱空、桥头搭板损坏、路基损坏 等。而且还可以在建设时期检测出施工质量。如路 面施工中路基、路面厚度，隧道衬砌质量等。 ２．２冲击回波检测技术 冲击回波法的原理是由弹性冲击产生的瞬时应 力波理论。由钢球短促敲击混凝土表面，产生低频 应力波（７０ ｋＨｚ以下），该应力波进入混凝土结构内 部并在缺陷或其它界面处发生反射。由反射波引起 的结构表面位移被传感器记录下来，产生电压一时 问信号，即波形。该信号描述了由结构内部应力波的 多次反射引起的瞬时振动。在这些振动中占主导地 位的频率同来自结构内部不深度反射上来的应力波 有关。模拟信号经采集系统数字化后传输到计算机 的内存。通过数算把电压一时间信号转化为振 幅频率图（频谱）。频谱的峰值即波形的主导频率（主 频），用其可以计算结构的厚度或缺陷的深度，出现 在图例中的波形以及在频谱中的主频，可以提供有 关缺陷的深度或结构的尺寸等信息。 由于缺陷的存在，波的传播方式以及在实心结 构中发生的发射均被改变。这些变化在冲击回波测 试中的波形及频谱上均有反映。冲击回波技术在路 面检测中主要用于路面厚度、裂缝等的检测分析。 ３路面应力应变检测技术 路面在使用过程中要不断经受荷载、温度等的 影响，在结构内部产生应力，这些因素均能引起路面 结构内部的损伤，从而影响到路面的整体使用性能。 常见的主要有电阻式和振弦式等几种，但是这些传 统的传感器技术由于受到工作原理和材料性质所 限，多为点传感，采集的数据量有限，难以满足目前 土木工的监测要求，而传感器材耐久性差，不便于更 换缺陷，更影响到了检测结果和技术的推广。光纤做 为传感和传导材料在土木工程中的应用从上世纪９Ｏ 年代后才兴起，由于光纤良好的物理化学特性以及 杰出的传导、传感性能，使其在近年来得到迅猛发 展。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年光纤传感器即为应用光纤传输的基本原理组合 的一个光电感应系统。通常的光纤传感系统由光源、 光导纤维、光传感元件，光调制元件和信号处理部分 组成。其工作原理如下图２所示：光源发出的光经过 —第２８卷第２期 ＲＩＳ系统、加拿大Ｓｔａｎｔｅｃ公司开发的ＲＴ２０００系统 等。 交通部公路科学研究所开发了“路面图像识别 系统”ＣｉＡＳ（Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ｉｍａｇｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）。 ＣｉＡＳ系统能够对路面破损（裂缝、坑槽等）进行自动 分析和处理，确定裂缝位置，计算裂缝长度和宽度， 并按照我国现行规范的分类标准进行自动归类，数 光导纤维进入光传感元件，而在光传感元件中受到 周围环境场的影响而发生变化的光再进入光调制机 构，由其将传感元件测量的参数调制成幅度、相位、 偏振等信息，这一过程称为光电转换过程，最后利用 据处理结果还可直接发送给路面管理系统 微处理器进行信号分析。 结 ｛ｌ 示 ｆ 一 转换丽信 图２光纤传感器工作原理 光纤传感器可以粘贴在公路表面用于测量，同 时也可以通过预埋实现路面内部物理量的测量。利 用预先埋人的光纤传感器，可以对结构内部损伤过 程中内部应变的测量，再根据荷载一应变关系曲线 斜率，可确定结构内部损伤的形成和扩展方式。通过 现场实验表明，光纤测试的载荷一应变曲线比应变片 测试的线性度高。 光纤传感器可广泛用于路面结构热应变和温度 检测、结构内部应力应变检测、裂缝检测和结构整体 性估计等几方面。光纤传感器具有连续监控、传输容 量大、耐久性好、抗干扰能力强、轻细柔韧和测量精 度高等优点，使其表现出卓越的工作性能以及良好 的发展前景。 ４路面破损状况检测技术 路面破损检测自动化技术一直是路面管理领域 的重要研究方向，目前以基于摄影／摄像和模式识别 技术的图像检测方法应用最为广泛。路面破损自动 检测系统的工作流程为：由车载摄影／摄像装置连 续、高速采集路面图像，利用计算机识别、分类与统 计路面破损。目前用于数据采集的技术设备已经比 较成熟，随着ＣＣＤ摄像机和计算机硬件的迅速发 展，可完成路面破损图像的实时采集和识别处理等 过程。其中具有代表性的有美国阿肯色大学交通研 究所开发的Ｗａｙｌｉｎｋ系统、英国ＴＲＩ 开发的ＨＡＲ （ＣＰＭＳ）。 现有的路面破损自动检测系统均需采用现场检 测、离线分离的工作方式，因具有图象识别功能、识 别精度较低、数据处理工作极大等缺点，一定程度上 其进一步广泛应用。 ５ 结 语 目前越来越多的现代化高新技术融人到检测技 术中，使得路面结构检测技术正向快速、准确、便捷 等方向发展。 参考文献 Ｅｌ３李强。潘玉利．路面快速检测技术与设备研究进展 及分析［Ｊ］．公路交通科技，２００５。（９）：３５—３９． ［２］易文成，徐继欣．落锤式弯沉仪工作原理及检测应用 ［Ｊ］．公路交通技术，２００６，（１）：４９—５２． ｒ３］ Ｂｅｎｅｄｅｔｔｏ Ａ，Ｐｅｎｓａ Ｓ．Ｉｎｄｉｒｅｃｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ Ｐａｖｅｍｅｎｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｄａｍａｇｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ ＧＰＲ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，２００６． １—１７． ［４］ＡＬ—Ｑａｄｉ Ｉ Ｌ，Ｌａｈｏｕａｒ Ｓ．Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｌａｙｅｒ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ— ｅｓ ｗｉｔｈ ＧＰＲ—ｔｈｅｏｒｙ ｔＯ Ｐｒａｃｔｉｃｅ Ｉ－Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，２００５，１９：７６３－７７２． ［５］ 王书斌．分布式光纤传感器用于连续配筋混凝土路面 健康监测的试验研究［Ｊ］．公路，２００５，（１２）：１４６—１４９． ［６］郭璐璐．光纤传感器在土木工程中的应用与发展综述 ［Ｊ］．施工技术，２００６，（２）．４３－４５． 收稿日期：２００７—０３—１６． 作者简介：陈露一（１９８３一），硕士生． Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｙｅｅｅ＠１２６．ｃｏｍ ４７
