湯俊杰

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路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（PSSI）是瀝青路面使用性能（PQI）的重要參數(shù)，是綜合判定路基路面承載能力和整體壽命最直觀的指標(biāo)之一，如何高效準(zhǔn)確地采集瀝青路面的彎沉值，對(duì)公路養(yǎng)護(hù)管理工作具有十分重要的意義。如今國(guó)內(nèi)較常見的路面彎沉檢測(cè)裝備有貝克曼梁、落錘式彎沉儀及激光自動(dòng)彎沉儀，其通病是檢測(cè)速度緩慢，彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)的需求無法大規(guī)模地實(shí)現(xiàn)。相對(duì)路面使用性能（PQI）其他參數(shù)的自動(dòng)化快速檢測(cè)設(shè)備的效率，傳統(tǒng)的彎沉檢測(cè)手段已無法匹配，全面、大規(guī)模的網(wǎng)級(jí)路面彎沉檢測(cè)至今尚未實(shí)現(xiàn)?？紤]到實(shí)際技術(shù)條件約束下的工程可行性，最新版《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》JTG 5210-2018目前仍延續(xù)舊版的規(guī)定，只需進(jìn)行抽樣抽檢并抽樣比例不低于公路網(wǎng)列養(yǎng)里程的20%即可，而且仍未納入到瀝青路面使用性能指數(shù)計(jì)算參數(shù)里面。

近年來高速激光彎沉測(cè)試技術(shù)的成熟及逐漸推廣應(yīng)用，有效地解決了這一大檢測(cè)難題。相信在不久的將來，高速激光彎沉儀能夠取代傳統(tǒng)彎沉檢測(cè)設(shè)備，使得路面彎沉可以與其他路面使用性能分項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)定。

一.高速激光彎沉測(cè)試技術(shù)原理

高速激光彎沉測(cè)試技術(shù)主要是在高速行駛過程中利用激光多普勒效應(yīng)來測(cè)試地面在荷載作用下的垂直下沉速度，通過一套慣性系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄多普勒激光傳感器的振動(dòng)情況和運(yùn)行姿態(tài)，用于修正計(jì)算路面實(shí)際彎沉變化的速度。通過速度傳感器精確地測(cè)量出測(cè)量點(diǎn)的沉降速度。根據(jù)測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于車輪中心的位置和它的沉降速度，利用彈性力學(xué)理論可以得到彎沉盆曲線的數(shù)學(xué)方程，再結(jié)合車輪的壓力就能夠算出標(biāo)準(zhǔn)彎沉值。路面可以看成滿足歐拉-伯努利方程的彈性模型：

測(cè)試原理如圖1所示：

圖1 高速激光彎沉測(cè)試技術(shù)原理圖

當(dāng)一道激光打到移動(dòng)物體上，反彈回的激光的波長(zhǎng)就會(huì)被改變，改變的多少與物體移動(dòng)的速度快慢有關(guān);把反彈回來的波與原本的波進(jìn)行干涉，就會(huì)產(chǎn)生能量，通過檢驗(yàn)?zāi)芰康拇笮?，再進(jìn)行一系列的運(yùn)算，就可以計(jì)算出相應(yīng)的速度。解此方程可得路面變形曲線的公式為：

圖2 高速激光彎沉測(cè)試技術(shù)激光傳播示意圖

確定了系數(shù) A、B的以后，可以結(jié)合荷載力F推導(dǎo)出路面的彈性模量E。

二.高速激光彎沉測(cè)試技術(shù)與傳統(tǒng)路面彎沉檢測(cè)技術(shù)的區(qū)別及優(yōu)勢(shì)

（1）高速激光彎沉測(cè)試技術(shù)與傳統(tǒng)路面彎沉檢測(cè)技術(shù)的區(qū)別

貝克曼梁測(cè)試的是路面回彈彎沉，即路基路面在規(guī)定荷載作用下產(chǎn)生的彈性變形；落錘式彎沉儀是模擬行車荷載作用下的彎沉盆，測(cè)試的是路面總彎沉，是彈性變形與路基路面塑性變形之和；而高速激光彎沉測(cè)試技術(shù)所測(cè)的是在真實(shí)移動(dòng)軸載作用情況下實(shí)際產(chǎn)生的彎沉盆，從而得到路面總彎沉值，最接近路面在車輛行駛的真實(shí)狀態(tài)。

（2）高速激光彎沉測(cè)試技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

高速激光彎沉儀與其它檢測(cè)設(shè)備優(yōu)勢(shì)對(duì)比，如表 1 所示。

表1 高速激光彎沉儀的優(yōu)勢(shì)

由上表可以看出，高速激光彎沉技術(shù)對(duì)比其他傳統(tǒng)的彎沉測(cè)試方法，具有高效率，全覆蓋，備案簡(jiǎn)單，成本低及安全性高的優(yōu)點(diǎn)。但高速激光彎沉技術(shù)要求檢測(cè)路段路面干燥通暢，檢測(cè)時(shí)應(yīng)避免潮濕或擁堵的情況。

三.激光動(dòng)態(tài)彎沉技術(shù)與傳統(tǒng)路面彎沉檢測(cè)方法的相關(guān)性分析

為全面對(duì)比激光動(dòng)態(tài)彎沉系統(tǒng)測(cè)試效果，根據(jù) 工程實(shí)際測(cè)試的需要，設(shè)計(jì)了在同一瀝青路面結(jié)構(gòu)下與貝克曼梁及落錘式彎沉儀進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，其試驗(yàn)路段路面結(jié)構(gòu)見表2：

表2 試驗(yàn)路段路面結(jié)構(gòu)

選取2段不同水平的試驗(yàn)路段，彎沉水平分布如 表3所表示，每段均用油漆做好標(biāo)記。

表3 試驗(yàn)路段路面結(jié)構(gòu)

在試驗(yàn)路段上高速激光彎沉儀以60km/h的速度采集數(shù)據(jù)，每段路采集3 次，按 20m 間隔取出所測(cè)彎沉值后求3次平均值作為單點(diǎn)彎沉值（LDD），然后依次在標(biāo)記點(diǎn)上測(cè)試落錘彎沉（FWD）值及貝克曼梁彎沉（BB）值。

（1）根據(jù)高速激光彎沉儀與落錘式彎沉儀兩種測(cè)試方法的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立相關(guān)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 FWD值與LDD值對(duì)比測(cè)試結(jié)果

本次檢測(cè)路段高速激光彎沉儀與落錘式彎沉儀對(duì)比試驗(yàn)相關(guān)系數(shù)R =0. 9564，相關(guān)關(guān)系式為：

（2）根據(jù)高速激光彎沉儀與貝克曼梁兩種測(cè)試方法的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立相關(guān)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 BB值與LDD值對(duì)比測(cè)試結(jié)果

本次檢測(cè)路段高速激光彎沉儀與落錘式彎沉儀對(duì)比試驗(yàn)相關(guān)系數(shù)R =0. 9537，相關(guān)關(guān)系式為：

各單點(diǎn)彎沉值對(duì)比曲線如圖5所示：

圖5 各單點(diǎn)彎沉值測(cè)試數(shù)據(jù)

通過試驗(yàn)結(jié)果我們可以看到，高速激光彎沉儀與落錘式彎沉儀、貝克曼梁彎沉儀的測(cè)值結(jié)果具有良好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0. 9564/0.9537，符合相關(guān)道路評(píng)價(jià)檢測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性要求。

四.結(jié)論

高速激光彎沉測(cè)試技術(shù)是為全面、大規(guī)模的網(wǎng)級(jí)路面彎沉檢測(cè)解決了技術(shù)上的問題，并為路面彎沉參與路面使用性能綜合評(píng)定提供了可行方案。本文介紹了高速激光彎沉測(cè)試技術(shù)原理，分析了該方法對(duì)傳統(tǒng)彎沉檢測(cè)技術(shù)的區(qū)別及優(yōu)勢(shì)，提出了高速激光彎沉測(cè)試儀在檢測(cè)中需要注意的事項(xiàng)，并與落錘式彎沉、貝克曼梁彎沉測(cè)試進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論：

（1）高速激光彎沉測(cè)試技術(shù)的非接觸連續(xù)檢測(cè)特性使其可以按照正常車速行駛進(jìn)行檢測(cè)，工作效率較傳統(tǒng)彎沉檢測(cè)方法有質(zhì)的飛越，可連續(xù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集模式可以有效消除單點(diǎn)檢測(cè)間隔中的可能丟失彎沉異常值的弊端；另外具有檢測(cè)的成本低，執(zhí)行力高，安全性能好的優(yōu)點(diǎn)。

（2）通過比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果我們可以看到，高速激光彎沉儀與落錘式彎沉儀、貝克曼梁的測(cè)值結(jié)果具有良好的相關(guān)性，其比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)系數(shù)均符合相關(guān)道路評(píng)價(jià)檢測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性要求，證明其測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確有效。