道路工程中无损检测技术的应用
发表时间：2016-04-12 15:24:53
近二十年来,国际上道路工程检测技术总体发展趋势是:由人工检测向自动化检测技术发展,由破损类检测向无破损检测技术发展,由一般技术向高新技术发展。比如,机电一体化技术及高精度传感器被应用于路面弯沉检测,激光技术被用于路面断面检测,雷达技术被用于路面厚度检测,模式识别与图像处理技术被用于路面病害观测等。下面就无损检测技术在公路工程中的应用进行阐述。
一、发展无损检测技术的意义
众所周知,传统的方法是根据规程随机选点,钻孔取样、进行室内分析处理,从中获取各种工程参数。然而,这种常规方法存在一定的局限性,因此,如果能够研究开发出无损、快速、直观、能显示道路内部状态的检测设备和技术手段,必将使道路建设质量和养护管理水平进人一个新的水平。开展路面无损检测与评价技术研究,将在控制道路施工质量、深入认识路面长期使用性能、改善路面设计、优化道路改造方案及提高路网养护水平等方面具有重要意义。
二、无损检测技术的原理及其适用范围
1、超声波无损检测技术
原理:超声波是一种频率高于人耳能听到的频率的声波,它在传输过程中服从于波的传输规律。超声波路面检测技术主要是通过发射超声波到材料介质,接收反射波的相关参数,进而判断结构内部破损情况的一种新型无损检测方法。在介质中不同位置设置传感器,测量超声波在一定距离内传播的时间,利用速度、时间与位移的关系计算波速,利用速度与介质相关参数的关系可以测定材料的有关参数如弹性模量、抗压强度、抗折强度等,还可用来检测材料或结构内部的缺陷。
适用范围:我国早在70年代开始应用超声波检测技术测量岩石的抗压强度和判断岩石的性质。由于它具有激发容易、检测简单、操作方便、价格便宜等优点,在路面检测中的前景非常广阔。现已成功地应用于检测路基路面材料的密实度与弹性模量、检测混凝土的抗压强度、抗折强度、检测路基路面的厚度与孔隙,以及路基快速测VVI等。
2、激光检测技术
原理:激光检测技术是近几十年来发展起来的新型无损检测技术,它之所以能得到广泛应用,主要是由于激光具有高亮度和分辨率,好的方向性、相干性、衍射性等特点,激光技术在路面检测中的应用主要利用激光的上述的特性,可归纳为三种原理。衍射原理是利用激光遇狭缝发生衍射现象的特点,调整狭缝的宽窄,得到屏幕上不同狭缝宽度下的亮暗相干条纹,建立二者的相互关系,可根据相干条纹的情况来判断狭缝宽度的变化;光电反射原理利用了激光光强愈强则光电流愈强的原理,通过光电转化器将光能转化为电能,当激光光强发生变化时,光电流也随之发生变化,事先标定建立光电流与位移关系,可根据光电流的变化反算弯沉位移的变化量;光时差原理是利用激光传播速度极快的原理记录激光通过很短距离的时差。
适用范围:基于激光检测技术上述三种检测原理,在路基和路面检测中,激光主要应用于距离测定,纹理深度测定,弯沉测定,车辙深度及平整度测定几个主要方面。
3、图象技术
原理:图象技术包括红外成像技术和激光全息图像技术。前者主要是利用不同材料介质导热性能不同的原理,利用高精度的热敏传感器可以检测结构物内部的热传导规律和温度场分布状况,将检测得到的数据图象化,从而将结构内部状况呈现出来。激光全息技术是通过分析全息摄影得到的全息图,再由全息图上测取数据求出相关力学量的方法,具有精细度高、直观可靠、能够给出全场情况等优点。
4、频谱分析技术
原理:频谱分析检测技术的基本原理是分析在不同介质中传播表面波的频率特性。在路面结构表面用一力锤施加瞬时的垂直冲击,就可以产生一组以振源为中心的具有各种频率成分并沿地表一定深度向四周传播的瑞雷面波,通过调整力锤重量或不同的锤头可以获得含有各种频率成分的瑞雷面波信号,在不同位置设置传感器可以检测到波传播的频率,借助于频域的互谱分析和相干分析技术,可以达到测试不同深度分层介质力学参数的目的。与传统方法相比,它具有速度快、检测效率高的特点。
适用范围:检测路面各分层介质的厚度、均匀性以及层间接触情况。 5、主要无损检测仪器设备
弯沉测试仪器:落锤式弯沉仪(FWD)是目前应用较为广泛的弯沉检测设备, 它的基本原理是通过液压系统提升和释放荷载块对路面施加冲击荷载,荷载大小由落锤质量和起落高度控制,荷载时程和动态弯沉盆均由相应的传感器测定。研究表明,FWD的冲击荷载与时速60～80km的车辆对路面的荷载相似,可以较好地模拟行车荷载作用,并且测速快,精度高,因此自20世纪80年代初以来,FWD在国际上得到日益广泛的应用。继FWD之后,新一代弯沉仪RWD(滚轮式弯沉仪)正处于研究阶段。它是采用高频激光扫描,连续地记录行驶中的测试车在路表产生的弯沉,测试速度约88.5km/h。RWD的最大优点是:所记录的是真实受力状态,而不是模拟荷载状态下的弯沉,并且测速远大于FWD,因此对交通的影响较小,是较为理想的弯沉检测设备,因此是此类设备的重要发展方向。
断面测试仪器:断面测试主要包括平整度与车辙测试,我国常用的检测设备是路面横断面仪和横断面尺,90年代中、后期引进了连续式激光断面仪,是目前最先进的平整度和车辙检测设备,逐渐在道路路面检测中得到广泛的应用,其正常测试速度可达80km/h,同时还可以测量横坡、纵坡、转弯曲率等指标。
抗滑能力测试: 目前车载或车牵引的高速自动化路面抗滑能力测试设备主要有3种:横向力系数测试仪、刹车式摩擦系数测试仪、不完全刹车式摩擦系数测试仪,横向力系数测试仪是在我国应用最为广泛的自动摩擦系数仪,20世纪90年代中期实现了国产化。该设备的基本原理是:设定试验轮与行车方向成一定角度,以便产生一个同试验轮平面垂直的横向力,该横向力与试验轮对路面荷载的比值即为横向力系数,横向力系数反映的是车辆在路面上侧滑的危险性,正常测试速度约50km/h。
路表破损采集:路面表面破损率是路面养护决策的重要指标,我国目前还主要依靠人工采集数据,少数单位从上世纪90年代中后期开始引进了路表破损数字图像采集系统,它的基本原理是采用车载式数字摄像系统连续高速采集路表的图像,然后在室内通过后处理软件自动处理与人工判读相结合,识别、分类与统计路表破损。
路表破损摄像系统极大地提高了工作效率,避免了高速公路人工破损调查的危险性,随着我国高速公路建设的快速发展,必将成为广泛应用的设备。
路用雷达技术:路面雷达是利用电磁波在路面结构层和路基中的传播和反射,根据回波的传播时间、波幅与波形,确定目标体的空间位置或结构。目前路面雷达在路面厚度测试、相对高含水区域检测、结构层完整性判定等方面测试应用已经非常广泛。由于实际情况难以客观判定,往往采用不同的检测方法来相互印证,例如用落锤式弯沉仪与路面雷达同时做脱空判定,用红外热成像仪和路面雷达同时做桥面铺装剥离判定,但这方面的国内外研究成果较少,仅有的少数成果也多没有得出相关性良好的结论。
总之,路面检测与评价技术在检测和控制施工质量、提高公路养护管理科学化水平及改进路面设计等方面都具有十分重要的地位和作用,路面检测评价技术水平的不断提高给公路建设带来的经济社会效益是非常明显的。