路面无损检测技术应用简介与评价
2012-03-26 来源：来源：中国鸣网 作者：邵晓良
路面检测技术的总体趋势是由人工检测向自动化检测技术发展，由破损类检测向无损检测技术发展，由低速度、低精度向高速度、高精度发展。近20年来，路面无损检测与评价技术的研究和应用在国内外受到日益广泛的重视，其中路面强度检测与结构性能评价一直是道路工程领域的热点课题。近几年来，随着交通基础建设投资力度的加大，我国公路通车里程逐年快速增长，未来一段时期内大量的原有路面需要维修改造，以保持良好的路用性能。路面性能检测是公路建设与管理中的关键性、基础性技术，它不仅对检测和控制工程质量至关重要，而且决定着路网养护决策的科学性，直接影响养护资金分配的合理性。
当前，我国正兴起一场大规模的高等级公路建设热潮。发展高新检测技术是高等级公路建设与管理的必然要求，不少单位已引进FWD等快速、无破损路面检测系统。新实施的路面路基现场测试规程，FWD贝克曼梁和自动弯沉仪一起列入路面弯沉检测基本设备，对于加快FWD检测技术的研究开发和推广应用将起到有力的推动作用。
一、FWD（落锤式弯沉仪）简介
FWD（FallingWeightDeflector）即落锤式弯沉仪，是目前国际上比较流行的先进的路面无损检测设备，可很好地模拟行车荷载对路面结构的作用，并且测速快，精度高。
1、FWD的组成
FWD由两部分构成，1是由引车车上装有计算机控制系统及电源控制系统；2是由拖车（FWD）车上装有发电机，脉冲荷载发生系统，承载板及四种传感器（位移传感器、压力传感器、距离传感器和温度传感器）。牵引车与FWD用5条电缆相联。FWD在野外测量所采集的信号通过电缆线送入接口箱与计算机相联。
2、FWD路面检测系统的工作原理
本文以DynatestFWD为例，简要介绍FWD的工作原理。DynatestFWD是由Dynatest国际集团公司研制开发的高科技路面强度检测系统，其技术指标的先进性和可靠性代表了当前路面无损检测技术的发展水平，并在国际上得到广泛应用。
DynatestFWD检测系统主要包括FWD挂车、9000型信息处理系统和微机操作系统。FWD挂车由加载系统和传感器系统构成。其基本工作原理:是通过液压系统提升一重锤，然后释放下落，从而对路面施加一冲击荷载。荷载的大小通过改变提升高度或锤重来调节，并由压力传感器精确测定。这种加荷方式较好地模拟了行车荷载对路面的作用。路面的变形（弯沉）由一组传感器测定。DynatestFWD通常在距荷载中心1.8m的范围内布置7—9个速度传感器。9000型信息处理系统记录荷载和路面变形的全部时程信息。整个操作系统均通过微机实现。
DynatestFWD主要技术指标如表1。由于FWD检测系统可精确测试路面所受荷载和完整的变形（弯沉）信息，从而可以应用力学反分析法确定路面材料性能，并对路面结构进行较为深入的分析评价。
表1DynatestFWD主要技术指标
荷载范围 0.7—12.0t
位移传感器分清率 1um
位移传感器系统误差 <2%
系统测速 每测点约35s
FWD挂车自重量 1.0t
位移传感器数量 9个
脉冲荷载形状 近似半正弦波
3、目前FWD主要的应用：
1.路面弯沉盆检测；
2.路面接缝传荷效率检测；
3.刚性路面板脱空检测；
4、FWD与其他弯沉检测设备相比，其技术特点主要表现在：
1.计算机自动采集数据，可以连续的快速测量，1小时大约能够进行60次试验；
2.准确性和精度高，弯沉分辨率达1微米；
3.加载范围大，可以在0.7～12吨之间；
4.能够准确的测定较完整的弯沉盆信息，为路面结构层模量反算提供了必要的基础；
5.对环境条件要求相对较低；
6.测试方便，速度快，全套系统由微机控制，一测点只需约40秒；
7.对交通干扰小。
二、FWD路面结构反分析研究现状
1、路面结构反分析问题的提出
自1953年贝克曼梁式弯沉仪问世以来，路面弯沉一直被用于路面结构性能评价。然而这种传统的弯沉评价法存在明显的缺陷。由于路面结构是一个多层体系，仅用单点弯沉来评价路面结构性能是不充分的。
虽然路面使用性能劣化的机理十分复杂，但一般认为，路面开裂造成的结构性劣化主要与面层材料中的最大拉应力或最大拉应变有关，而路面辙槽或平整度降低造成的功能性劣化，主要与基层或路基散离体材料中的最大压应力或最大压应变有关，因此，为了准确评价路面承载能力，必须首先确定路面结构层材料性能，进而分析路面结构的应力状态。
路面材料性能的确定分为破损和非破损两类方法。破损类方法（如取芯法）不仅周期长、效率低，而且取样过程中材料不可避免的受到“扰动”，造成试验结果难以全面反映路面结构的现场特性。因此，70年代以来，随着以落锤式弯沉仪为代表的快速，高效、无破损检测技术在国际上得到广泛应用，根据弯沉盆信息反演路面材料性能，逐步得到学术界和工程界的普遍关注。
2、路面结构反分析的研究现状
根据弯沉盆检测数据反算路面结构层摸量的早期研究，以推理法、图解法及回归法为基础。近年来，力学反分析法成为人们研究的重点，它大致可分为数据库搜索法和迭代法两类。
美国德克萨斯A&M大学在数据库方面作了长期而系统的研究，开发出了实用化的软件系统MODULUS，其基本原理和实现过程为：首先根据路面各层厚度、材料迫松比和弹性模量的可能范围，应用多层弹性体理论（BISAR程序）建立一个路面弯沉盆数据库，然后利用模式搜索和拉格朗日插值方法确定一组模量，使计算与实际弯沉盆最为接近。数据库法的优点在于避开了反分析中的“病态”问题，求解过程稳定：一旦建立了数据库，可以快速实现模量的反算。缺点是对于不同的路面结构，必须建立相应的数据库，即数据库不具有通用性。
迭代法的研究成果较为丰富，代表性的软件有MODCOMP2,BISDEF,CHEVDEF等。迭代法的基本过程为：（1）输入已知的路面各层厚度、泊松比及荷载值；（2）假定一组模量初试值；（3）应用路面力学模型计算相应于FWD传感器位置各点的弯沉；（4）比较计算结果与试验结果之间的误差；（5）调整各层模量值；（6）重复（3）、（4）、（5），直至计算结果与试验结果之间的误差达到最小。
迭代法的关键在于如何保证计算过程中的稳定性。现有研究成果大多对初始值的选取要求非常苛刻。初始值选取不当将使计算过程不收敛，或者对不同的初始值有不同的收敛结果，其根本原因在于未能有效的处理反算方程的“病态”问题。为此，美国战略性公路研究计划路面长期使用性能研究采用数据库法（MODULUS软件）作为FWD数据分析的基本方法。
三、系统识别反分析方法
识别系统的目的是根据系统的输入和输出来确定系统的特性。较直观的方法是建立一个数学模型来模拟未知系统，然后修改模型使其与实际系统之间的误差在某种意义上得到最小。常用的误差极小化是在相同输入条件下使模型与系统的输出误差达到最小。根据这一识别过程可建立路面结构反分析方法：（1）利用FWD检测系统对路面进行现场非破坏性试验，观测路面结构在已知荷载作用下的变形（弯沉盆）；（2）应用路面力学模型，计算在相同荷载作用下路面的变形（正分析）；（3）建立模型修改算法，逐步调整模型参数，使计算与观测结果之间的误差达到最小。
由此可见，系统识别反分析不仅要求试验数据准确，理论模型合理，而且需要具有较好的稳定性和收敛性的参数改算法。
四、结束语
（1）路面无损检测与评价技术在公路建设与管理中具有重大应用价值和显著的经济和社会效益。在工程检测方面，应用快速、无破损检测技术和路面力学反演方法，能够及时准确的分析路面结构各层强度，从而防止因材料强度不足而造成的质量隐患，从根本上避免路面过早破坏；在养护决策方面，对路网进行定期检测和结构性能评价，可以科学的制定养护方案，合理的分配养护资金；在道路改造方面，准确的检测和评价待改造路段的剩余强度，可以实现路面补强优化设计。
（2）路面无损检测与评价技术的研究涉及许多学科分支：在学术上以路面力学反问题等现代力学理论为基础；在技术上涉及自动化检测、信息处理、计算机辅助工程等高新技术；在应用上密切结合工程实践。因此，它是一个综合性很强的科研方向，要求理论研究、技术开发和工程应用密切结合。
（3）本方法在国际上发展很快，在理论研究、设备研制和软件开发等方面都取得了较丰富的成果。由于我国高等级公路建设正处于迅速发展时期，加快开发先进、高效的路面检测技术和配套、实用的路面评价系统已成为当务之急。
