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路面質量檢測技術和應用
最近更新時間：2013-7-27
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詳細介紹：
路面質量檢測技術和應用
Applications of Pavement Surface Quality Detection Techniques
摘要
本論文對路面平整度檢測儀和路面車轍自動測定儀的基本原理和應用技術作簡單的討論，并對其技術檢驗給出實際的結果。這些實驗結果是基于上海市市政局的研究項目的基礎上的。除此之外，本論文對各檢測技術的應用中的一些注意事項作出一定的說明。后對各檢測技術常用的指標和范圍給出必要的參考指標，以供檢測技術的標準制定作參考之用。
1、引言
路面質量檢測和范圍主要包括：（1）路面平整度，（2）路面車轍深度，（3）路面彎沉，（4）路面摩擦系數，（5）路面破損，（6）路面構造深度。在所有這些檢測中，路面平整度和路面車轍深度是重要的，而且在我國交通部的行業標準，檢定規程和驗收規范中，路面平整度和車轍深度的檢測技術也相對全面。路面平整度的檢測可客觀的反映行使車輛中乘客所感覺的舒適度，而路面車轍深度則能客觀地反映路面對行駛的車輛所提供的行駛安全水平。一般說來粗糙的路面會讓行駛車輛中的乘客產生不舒服感。而較深的車轍則有可能形成積水和積冰，對行駛的車輛造成不安全因素。事實上，路面平整度指標和路面車轍深度指標也是路面管理系統中的為重要的指標。在我國交通部有關的標準，檢定規程和驗收規程方面，相對于路面彎程，路面摩擦系數和路面磨損而言，路面平整度和車轍深度的檢測技術具有較完整的技術指標，檢定規程，和指標驗收規范。
2、基本的檢測技術
（1）平整度檢測技術
路面平整度的檢測技術主要分為兩大類，即直接式檢測和響應式檢測。直接式檢測又分為步行式檢測和高速慣性檢測。一般說來步行式檢測的檢測精度較高，但檢測速度較慢，因此主要用于路面施工質量驗收和給其它平整度儀的標定提供參照。這些年來，一些路面施工單位已陸續采用步行式路面平整度檢測儀進行施工過程中平整度質量的過程控制。圖一顯示的是目前較為*手推式（步行式）平整度檢測儀的檢測原理圖和照片。目前在我國路面平整度檢測儀的應用中，大多*技術主要應用于高等級的公路上，而城市中道路的平整度檢測技術仍停留在三米直尺或八輪儀檢測的技術上。事實上自動化手推式（步行式）*可應用于城市道路的路面平整度檢測，其主要原因是其體積小，自動化程度高，搬運方便，操作靈活，啟動和停止方便，不受其它交通的影響。
直接式平整度檢測技術的另一類是高速檢測技術，主要是以檢測車垂直加速度作為慣性參照。圖二顯示的是高速慣性平整度儀（也稱激光平整儀）的檢測原理圖和外形照片。由圖可知， 激光傳感器主要是檢測路面與車體之間的動態距離，加速度傳感器主要是檢測車體的垂直加速度，然后由雙積分器完成二次積分獲得車體的動態垂直彈跳。雙積分器的輸出和激光傳感器的輸出的組合即可獲得路面縱斷面剖面的曲線圖，然后由軟件可計算出平整度指標（IRI）。由于激光平整度儀可在高速行駛條件下工作（與普通車速一樣），因此可用于長距離的平整度檢測，即可用于路面施工質量驗收，又可用于路面管理的周期性檢測和評價。
響應式平整度檢測儀的主要目的不是獲得路面的縱斷剖面曲線，而是獲得乘客對路面變化的感覺，也稱動態反應。在技術上，乘客對路面變化的動態感覺是無法客觀地檢測出的。因此在技術上常用其它的客觀物理量來代替乘客的動態感覺，而且必須是可測的。目前在上為流行的技術是機械式檢測，即檢測出車體與輪軸之間彈跳的距離累積（也稱機械式顛簸累積儀）和電子式檢測，即檢測車體的垂直加速度（也稱電子式或響應式顛簸累積儀）。圖三顯示的是電子式顛簸累積儀的硬件系統和檢測式。硬件系統是裝在檢測車內的，可隨時拆卸。一般響應式平整度檢測儀可在正常車速的狀況下檢測，但無法獲得路面縱斷面剖面曲線，因此可用于快速，長距離的平整度檢測，僅可用于周期性的平整度評價，而不能用于路面質量的驗收。
從單純技術上講，直接式平整度檢測儀可直接獲得路面縱斷面剖面曲線，且對檢測車速不太敏感，而響應式平整度檢測儀的檢測結果受車輛減震系統的影響，因此檢測車速會對檢測結果有較大影響，同時需要定期實施技術標定（一般6 - 12個月標定一次）。
（2）路面車轍檢測技術
目前在上較為廣泛使用的路面車轍檢測技術是激光多探頭的路面橫斷面多點檢測技術。圖四顯示的是多激光探頭的路面車轍檢測儀（也稱路面車轍自動測定儀）及檢測示意圖。從圖中可知，激光傳感器的主要功能是：測出路面與檢測橫梁之間的間距，由此可獲得路面橫斷面剖面，同時通過車載式電腦對路面橫斷面剖面進行處理，獲得路面車轍深度指標。由于車轍檢測儀的檢測橫梁不夠寬（一般在2.6米以內），為檢測整個車道的橫斷面，檢測橫梁上邊上的兩個激光傳感器必須要斜裝，這也是上為常用的辦法。
3、檢測儀的技術檢驗
一般檢測儀的重要的指標是與標準檢測的相關性及檢測儀本身檢測的重復性。在路面檢測中，若不知道路面的實際剖面曲線，檢測儀的檢測精度（準確度）是無法確認的。
（1）平整度檢測儀的檢驗
筆者在過去的幾年間曾領導一研究組完成了上海市市政工程局的一項研究任務，研究課題的主要內容是國內現有的主要的平整度檢測系統進行技術檢驗和制定相應的技術標準。技術檢驗的主要內容是檢測儀相對標準檢測的相關性及儀器本身的重復性。在研究項目中，精密水準儀用來測試路面縱斷面剖面曲線，然后由電腦程序計算每個檢測路段的平整度指標（主要是平整度指標IRI）。因此，由精密水準儀測得的平整度指標（IRI）可作為標準檢測，為相關分析提供標準參考。
相關性的檢驗是在上海浦東新區完成的，共有10條實驗路段選作實驗路段，每段長為150 - 200米。圖五 - 七分別顯示的是手推式（步行式）平整度儀，電子式（響應式）顛簸累積儀和激光高速平整度儀與標準檢測的相關性。可以看出， 這三種平整度儀與標準檢測都具有良好的相關性。
如前所述，相關性是檢驗平整度儀質量性能的一個重要指標之一。但相關性的好壞有時也取決于現場檢測的手段和方法。在一般條件下，試驗路段越少，有可能會導致較高的相關性（高R2值）。從合理地相關分析的角度來說，實驗路段越多越好，一般應多于5條實驗路段，而且盡可能包括各種平整度條件下的試驗路段。
平整度儀的重復性檢驗是為了證明檢測儀的穩定性，也就是對同一試驗路段進行多次重復檢驗，而其它的給定條件則保持相對穩定。多次重復檢驗的標準偏差（或方差）是反映平整度儀重復性的一個較客觀的指標。標準偏差越少，表示重復性越好。本重復性檢驗是在上海浦東新區的金科路上完成的。表一列出了多種平整度檢測儀在此試驗路段上重復性檢驗的結果。可以看出，這幾種平整度儀都有較好的重復性。與相關性檢驗一樣，重復性檢驗的過程對檢驗的結果有一定的影響。合理和正確地檢驗過程將會使檢驗結果更為客觀和可靠。
（2）路面車轍儀技術檢定
路面車轍儀動態相關性檢驗是一項較為困難的工作，主要原因是無法找到一種精度較好的相對檢驗標準。采用自動化檢測手段來獲得路面的車轍深度數據并使之成為標準檢測結果，這本身就是一個問題，原因是如何驗證這個標準檢測結果的正確性。因此只有采用人工的方法來獲得標準檢驗結果，這將是十分費時和費力的工作。正因為如此，上的路面車轍檢測儀的動態檢驗一般只涉及到動態重復性的檢驗。本論文所涉及的路面車轍檢測儀的動態檢驗也只涉及到重復性的動態檢驗。本研究的車轍檢測儀重復性檢驗的試驗路段選在上海市外環線，這些試驗路段也有多年的運營歷史，因此有較為明顯的路面車轍深度。表二列出了路面車轍儀的重復性動態檢驗數據。從表二的數據可以看出，路面車轍儀有相對較好的動態檢測重復性。
四、常用的評價指標
從一般的應用來說，衡量平整度檢測儀的為主要的指標有以下幾個：（1）平整度指標檢測范圍，（2） 檢測結果與標準檢測的相關性，（3） 檢測結果的重復性，（4）檢測儀可檢測的路面波長范圍，（5） 檢測儀的小采樣間隔，（6）連續可檢測的距離，（7）檢測速度。對路面車轍自動測定儀來說，其主要指標有：（1） 可檢測的大車轍深度，（2）檢測結果的重復性，（3）檢測儀的小采樣間隔，（4）連續可檢測的距離，（5）可測得的路面橫斷面寬度，（6） 檢測速度。除此之外，檢測車（儀）的縱向距離檢測精度和分辨率也是衡量檢測儀質量的重要指標。表三列出了常用的指標范圍，可供制定基本的檢測儀標準之用。
5、檢測儀的應用注意事項
路面檢測儀的應用具有一定的操作局限性，若操作不當，其檢測結果就有可能缺乏可依賴性。。
（1）檢測儀操作過程對檢測結果的影響
路面質量檢測結果有時往往受儀器操作過程的影響。在操作過程中主要考慮的因素有：（1）檢測的起點和終點，（2）檢測的速度，（3）檢測車的載重，（4）檢測的輪跡。在檢測過程中必須明確列出檢測的起點和終點，尤其是在作重復性檢測時，若重復性檢測的起點和終點不一致，則檢測的重復性會受到影響。大量的實踐已表明檢測儀的運行速度對檢測的結果會有一定的影響（尤其是響應式平整度檢測儀）。在實際檢測時必須嚴格規定檢測的行駛速度，并盡可能使檢測儀按此速度平穩的運行，否則檢測結果會受到一定的影響。對響應式平整度檢測儀來說，車體的載重會直接影響到車體對路面不平整的動態響應。一般來說，在技術標定時要規定車體的載重（如以人數為準），在實際檢測時也應使檢測車保持此重量，以確保檢測結果的準確性。平整度和車轍的檢測結果還取決于檢測車在路面橫斷面的上的位置。若檢測車的橫向位置不同，其平整度或車轍檢測的結果也不同。在作重復性檢測或作對比試驗及標定儀器時，一般要盡可能使儀器行駛在的輪跡上，減少檢測偏差。
（2）平整度檢測儀可檢測的路面波長檢測的范圍
路面縱斷面剖面曲線事實上反映的是一個隨機過程。剖面曲線既有長波長的剖面也有短波長的剖面。長波長的剖面主要由大斜坡，橋面，以及起伏緩慢的剖面組成，主要反映的是路面剖面較宏觀的部分，而短波長的剖面則是剖面起伏較快的部分，反映的是路面剖面較微觀的部分。乘客在坐車時，當車的行駛速度在80km/h時，對波長的敏感范圍大約在0.3m - 80m之內。一個比較好的直接式（類）平整度檢測儀一般要盡可能檢測出包括以上波長范圍的路面縱斷面曲線。從理論上講，精密水準儀和手推式斷面儀（路面縱斷面剖面檢測儀）均能達到此要求。激光斷面儀一般能檢測出80m以下波長的路面，因此也能滿足要求。而連續式平整度儀（八輪儀）由于其前后輪支架之間的間距為3米，根據數字采樣定理，多僅能檢測出1.5米波長的路面（即僅能檢測短波長的路面）。
事實上，平整度檢測中重要的二個指標為平整度指標IRI和平整度標準差σ。IRI檢測所需要包括的波長范圍為0.3～80m，而σ檢測所需包括的僅為短波長的路面，一般取決于八輪儀的檢測波長范圍。因此，如果要直接檢測IRI，則必須使用精密水準儀，手推式斷面儀，或激光平整度儀，用八輪儀是無法直接獲得IRI的。而σ的檢測則可采用各種直接式平整度儀，但必須限定檢測的波長范圍。我國在路面質量測試規程中未涉及到σ的檢測的波長范圍，這也是不足之處。
（3）響應式平整度檢測儀的定期標定
響應式平整度檢測儀主要是檢測車體對路面的動態響應，而不是檢測路面縱斷面剖面，因此無法直接得到IRI和σ。為獲得平整度指標IRI和σ，響應類平整度檢測儀需通過參考標準檢測來進行技術標定，將測得的平整度指標換算成IRI和σ。一般響應式平整度檢測儀測得的平整度指標與直接式平整度儀測得的IRI和σ具有線性相關性，因此標定的過程也是相關分析的過程。
由于響應式平整度檢測儀是通過檢測車體對路面縱斷面剖面變化的動態響應而獲取平整度指標的，當車體的機械性能（如懸掛系統）發生變化時，其動態響應的特性也將發生變化，導致檢測結果發生變化。因此響應式平整度檢測儀需定期進行技術標定（即定期通過相關分析得到新的線性關系）。一般情況下，響應式平整度檢測儀需6～12月進行一次標定。標定用的參照檢測（標準檢測）可采用路面縱斷面剖面儀（如手推式斷面儀或激光斷面儀）來完成，也可采用精密水準儀，但其過程是十分耗時耗力的，一般不建議采用。標定的詳細過程可參閱《路面平整度評價體系及其工程應用研究》1。
（4）檢測儀的定期養護和校正
平整度檢測儀和車轍檢測儀與其它檢測儀器一樣，需定期進行養護和校正。由于平整度檢測儀和車轍檢測儀應用在道路檢測中，其操作環境相對惡劣，更應多加以保養和校正。在一般條件下，檢測儀的傳感器有一定的使用壽命，超過時限后，會影響到檢測質量，如溫度漂移會更嚴重，非線性會更明顯，精度下降，動態響應變差等。因此必須在使用期限到來之前更換傳感器。當這些另器件更換后，檢測儀需進行校正，主要原因是各種傳感器的性能不相同，會使檢測結果不一致。一般靜態校正主要是對傳感器的零點和放大系數進行設置，而動態系統校正大多依靠技術標定。由于這些養護和校正涉及到技術問題，一般應由檢測儀的生產廠家的技術人員來完成。對于國產的檢測儀相對說來較方便些，費用也低；而對于進口的檢測儀來說，則極為不方便，而且費用*。因此，一般建議平整度檢測儀和車轍檢測儀好購買國內產品，以利于養護和校正。若需買進口的檢測儀，則必須保證在國內有定點維修站。若檢測儀不實施定期的保養和校正，則測得的結果會有較大的偏差。
（5）檢測規范和技術標準
我國交通部在行業規范中對路面施工質量驗收和養護有平整度檢測和車轍檢測的規范要求。早期的規范要求檢測的平整度指標包括三米直尺檢測結果和平整度標準差。隨著平整度檢測新技術的不斷改進，平整度指標IRI被引入到規范中來，并逐漸成為主要的平整度檢測指標。必須強調的是我國行業規范中并未何種平整度檢測儀（若平整度檢測儀則會導致于行業壟斷）。事實上，任何平整度檢測儀只要在技術上達到要求，同時能獲得平整度指標IRI或平整度標準差，均符合規范的要求。如此解釋將有利于平整度檢測技術的發展，防止過時的平整度檢測技術壟斷行業。路面車轍檢測的規范是要求檢測車轍深度指標。2005年交通部制定了路面車轍自動測定儀的技術標準和檢定規程2，從而使路面車轍檢測技術標準化，并使車轍檢測儀的技術檢定規范化。
六、小結
路面平整度檢測儀和路面車轍自動測定儀是路面質量為主要和重要的檢測系統。隨著我國公路建設的發展，這些檢測技術的應用將變得更加迫切。目前為止，我國在這方面的技術已達到了相當的程度，國內已有多家企業能制造出達到*水平的檢測儀。但在應用上，我國尚較為落后，大多仍停留在人工檢測的水平。事實上，*路面檢測技術的應用已相當迫切了，交通部也明確表示我國公路建設和養護要采用*檢測技術，并采用上普遍采用的檢測指標（如平整度指標IRI和車轍深度指標RD）。可以預見，在不久的未來，我國將全力推廣使用*路面檢測技術，以適應我國公路建設和養護管理的需求。
關鍵詞：考普勒斯（COPRES）路面質量綜合檢測系統/路面綜合檢測系統/路面檢測/道路綜合檢測系統/平整度儀/車轍儀/構造深度儀/路面平整度儀/激光平整度儀/激光平整度與構造深度儀/車載式路面激光平整度儀/路面質量綜合檢測儀/路面綜合檢測儀
路面平整度儀/平整度儀/激光平整度儀：
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