公路检测和养护行业的重大战略型颠覆性技术
发布时间:2020-07-03

据交通运输部发布的《2019年交通运输行业发展统计公报》(5月12日发布,以下简称公报)指出,截至2019年年末,全国公路总里程501.25万公里,高速公路里程14.96万公里;高速公路车道里程66.94万公里。国家高速公路里程10.86万公里。全国四级及以上等级公路里程469.87万公里,占公路总里程93.7%;二级及以上等级公路里程67.20万公里,占公路总里程13.4%,基本形成了较为完善的路网体系。

公路建设规模的快速增长,大大方便了我们的出行。但是,伴随着公路里程数不断增加而来的是大量新项目的竣工验收及现有公路检测、评估及养护工作的不断增长。公路在使用过程中,由于行车荷载长期累积作用,将使路面逐渐产生车辙、裂缝、坑槽等缺陷。路面缺陷对车辆的行驶速度、行车舒适性、燃料消耗、交通安全、环境保护等会造成不利影响。因此,人们开始探寻路网级承载力检测和评价的方法。

 

1

 

路面承载力检测难题

 

传统的路面结构承载力检测方法主要有:

  • 贝克曼梁弯沉仪
  • 自动弯沉仪
  • 落锤式弯沉仪

上述三种方法,是目前比较常用的路面承载力检测方法,一般检测速度在5km/h以下,需要在检测时考虑封闭交通的可行性和极端天气的影响,这就意味着采用传统方法不可能在短期内对大量公路网完成检测评估。

不仅在我国,美国、欧洲同样面临着同样的检测难题。SHRP 2项目组在全美各州的公路管理机构进行的调研,并在R06无损检测项目报告中指出:美国绝大部分州仍然处在项目级的检测水平,即通常是封闭交通对几百米到几公里的路段进行检测。这就导致在对路面状况进行评价,计算PQI路面状况指数时,通常PSSI路面结构强度指数因为缺乏实测依据而无法输入到PMS路面管理模型中。随着公路测试及养护技术研究的不断深入,对于连续、快速、可靠测试技术的需求不断加强。

自20世纪末,连续式弯沉测量技术开始发展。经过20年的研究及项目实践,交通速度弯沉仪TSD作为目前最先进的检测设备,被越来越多的专业研究及检测机构所采用。我国根据使用经验编写了两本相关标准:

  • JTG 3450-2019 T0957 激光式高速路面弯沉仪测定路面弯沉试验方法
  • JT/T 1170-2017 激光式高速弯沉测定仪

交通速度弯沉仪TSD是测试系统在高速行驶过程中,通过激光多普勒激光器来测试地面在荷载作用下的垂直下沉速度,通过一套惯性系统实时记录多普勒激光传感器的振动情况和运行姿态,用于修正计算路面实际弯沉变化的速度。

 

2

 

满足新时代的检测需求

 

01

路网级检测的需求

 

由于传统方法检测能力的不足,目前无法实现通过对历年来测试数据的比较,发现并判定结构承载力发生显著下降的区域。

而高速的交通速度弯沉仪检测速度高达80km/h,能够彻底解决传统测试方法检测能力不足的问题。为公路路况判定提供更有利的检测依据。

2005年,丹麦公路研究所使用Greenwood交通速度弯沉仪TSD测量国家公路网(大约3000公里)。在同一路段,在2005年、2006年和2007年,采用 SCI300指数对比三次测量的结果(见下图)。2005 年和 2006 年之间,丹麦公路养护部门修补了6公里至7.5公里处某路段。上图中该路段格林伍德TSD的SCI300指数测量结果偏低,准确验证了该段路面经过了养护。

 

02

连续测试的需求

 

传统的承载力测试方法都不是连续的,测点之间间隔很大,这样无法反映路面结构的整体结构状况,会产生非常多的信息缺失,可能恰好错过薄弱环节。根据SHRP 2的定义,连续弯沉仪应该能以不超过300mm的间距连续采集弯沉值。

高速弯沉仪可以在70km/h的速度下,以20mm的纵向间隔采集弯沉数据,这种采用间隔可以保证不丢失路面结构的关键信息,采集到所有的重要数据。此外还可以结合平整度、车辙、裂缝数据,共同建立以里程值为横坐标的综合数据曲线图谱对路面的状况进行综合、全面的分析。

交通速度弯沉仪TSD测量弯沉值与裂缝数据、车辙和平整度指标综合分析,利用TSD测量数据,能够在路面破损、车辙或平整度等表面指征发生前,准确识别薄弱路段。

 

03

模拟真实的路面结构受力条件

 

众所周知,目前使用最多的传统测试方法都不能真实的再现车辆的荷载条件。这里存在几个问题:

第一,贝克曼梁和自动弯沉仪都是基于静态加载的原理,与实际交通状况完全不符;落锤式弯沉仪提供的是瞬时动态冲击荷载,但路面结构实际受到的荷载是滚动荷载,FWD的荷载条件与真实行车状况也完全不符。

第二,目前进行弯沉测量时,通常是测量荷载作用处的最大弯沉,以及沿行车方向的几个点的弯沉,其他位置的弯沉盆曲线通过对称得到,但是因为实际路面受到的是滚动荷载,弯沉盆实际上并不是前后对称的,如图所示。

 

TSD交通速度弯沉仪测量中心荷载左右两侧得到的弯沉盆曲线

通过实测可以发现路面结构受到滚动荷载作用时,峰值荷载甚至不是发生在轮轴中心,而是后方20-40mm之间。如下图所示,FWD落锤弯沉仪得到的弯沉盆曲线中最大荷载就是在荷载中心(当然,对于这种作用形式来说,这也是正确的,只是与真实情况不符),弯沉盆曲线是对称得到的,因为我们并没有测量另一侧的弯沉值,无法通过绘图得到完整的弯沉盆。

 

FWD测量中心荷载一侧弯沉,通过对称得到的弯沉盆曲线

交通速度弯沉仪TSD是使用半挂卡车配重,在后轮轴处施加50kN的滚动荷载,与实际的车辆荷载作用形式一致,完全真实的再现了实际工况。

 

04

深化路面养护方面的研究(模量反算)

 

路面结构承载力测试最大的目的在于发现路面的薄弱环节,评估剩余使用寿命,并提前给出预防性养护方案,延长路面结构的使用寿命。

在路面设计环节,我们通常是使用沥青面层或基层的动态模量、无机结合料稳定类材料的单轴压缩弹性模量,土基和粒料类材料的重复加载三轴回弹模量作为路面结构模型的主要输入参数。为此,我们在进行路面性能评价时,也需要将路面实测的弯沉值反算成各层位模量,再结合探地雷达测量的各层位厚度来计算路面结构目前的性能水平,并确定是否需要养护以及具体养护方案。

 

在合适的时机进行与养护显著延长路面使用年限

利用路面现场检测得到的弯沉值反算各结构层模量多年来一直是业界关注的重点。为了寻找合适的模量反算方法,50年来全球各界同行已经付出了非常多的努力。但所有的算法基本上都是基于静态加载,弹性连续层状体系基础,而这恰恰与实际路面的荷载作用形式不符,事实同样证明:实验室测试模量与现场检测反算模量并不一致,两者之间的相关关系并没有得到业界公认的转换关系。(有非常多的学者展开研究,有些认为两者之间相关性较好,但这些研究都没有成为一种行业内、国际或国内普遍认可的标准)。

 

TSD、贝克曼梁和FWD的测试模型

目前国内关于路面养护中路面承载力检测、模量反算方面的研究还都是基于FWD落锤式弯沉测量仪,而基于交通速度弯沉仪TSD的模量反算和路面养护决策模型方面的研究,目前仍未大范围开展。

丹麦公路研究所DRD目前正在探索基于路网级弯沉检测数据,动态反算路面结构层模量的新方法,他们在2017年秋季在同一路段上连续进行9次试验,并反算了各层模量的结果。

 

2017年秋季在丹麦测试后反算各结构层模量

 

05

安全因素和便利程度

 

传统检测方法最大的检测难题是需要封闭交通进行检测,这就导致了两个问题:

  1. 封闭交通需要协调交管部门,限时封闭限时检测(多数是夜间),同时封闭交通会造成交通拥堵,因此使用FWD检测并不便利;

  2. 受限于传统检测手段都是慢速测试,非常容易因后方车辆来不及避让而导致交通事故,FWD在检测过程中后方的保护车辆发生事故导致的人员伤亡在全球范围内屡见不鲜。

交通速度弯沉仪TSD是以正常通车速度进行检测,发生交通事故的几率大幅度降低,汇入车流安全,近20年来全球未发生一起交通事故。

 

 

交通速度弯沉仪TSD

 

01

基本测试原理

TSD的测量设备安装在一台铰接式的半挂车上,对路面施加100kN的后轴轮载,每个测试轮的荷载是50kN(各国设计规范要求的当量轴载),对于特殊的研究应用,配重大小可以进行调整。整套系统的组成如图所示。这种三轴卡车的荷载作用形式会使路面产生如图所示的弯沉盆,为了测试弯沉盆曲线。TSD交通速度弯沉仪创造性的使用了激光多普勒测速技术,通过信号发射返回的时间差(频率变化)来计算弯沉变形的速度,再对弯沉变形速度进行积分计算得到弯沉值。

TSD的测量原理
 





 

 

激光式高速路面弯沉测定仪是一种由牵引车连接箱体式半挂车的组合形式,在牵引车的驾驶室内可以安装高清广播级数字摄像机,实时拍摄道路景观图像。

箱式半挂车用于安装弯沉测试装置、电源系统、计算机控制和采集系统、空调以及计算机工作站。

 

TSD交通速度弯沉仪的测试设备组成

 

 

02

TSD的高可靠性

 

01 纯净,无干扰的信号

与激光测距原理相比,激光多普勒测速传感器测试的是速度值,因此从下图可以看出,这种原理采集的信号本身纯净,无干扰,可以进行准确的数据分析。传统的高程测距原理则因为路面纹理、车辆颠簸引起的噪声信号远大于路面本身的弯沉信号,很难通过惯性单元进行补偿。这会给数据处理带来困难。

 

多普勒激光器测量速度与传统激光器测试高程的信号噪音对比

 

 

02 温度修正

由于沥青是一种温度敏感性材料,在不同温度下具有不同的黏-弹性特征,所以我们测量得到的弯沉值或反算的模量值均需要进行温度修正。

 

TSD测试数据的温度校准

 

 

03 TSD与FWD相关性的比较

从SHRP 2.0的项目报告以及国际上其他用户的报告来看,Greenwood提供的交通速度弯沉仪TSDFWD之间具有良好的相关性,下图典型的FWD与TSD测试结果的比较,数据由英国TRL交通运输实验室提供。采样间隔2米,可见TSD和FWD的试验曲线重合度很高,具有良好的相关性。

 

英国TRL的试验数据,2m间隔的数据曲线相关性比较

 

 

04 TSD不同检测速度下的重复性

TSD具有良好的多次测量的稳定性和重复性,TSD在英国测试得到的原始弯沉斜率信号的比较,和TSD测试的弯沉斜率转换为弯沉值的重复性比较,可以看其出重复性非常好。

 

TSD在英国以不同车速检验的重复性验证

 

TSD在50-80km/h的不同车速下在同一路段检测的结果

 

 

05 TSD多次测试之间的重复性

为了验证TSD测试的重复性,我们以南非SANRAL国家道路研究实验室的测试数据为例,可以看到重复性非常好。

 

TSD在南非进行的单一车速多次测试的重复性验证




 


通过上述TSD报告的结论不难看出,基于激光多普勒测速原理的TSD高速路面弯沉仪已经是一种成熟可靠的检测技术,并受到了广泛认可,是代表先进检测技术水平的、高精度、快速、连续、安全的检测设备。

 

 

关于Greenwood

 

 

丹麦Greenwood Engineering A/S公司(格林伍德工程公司)1992年成立于哥本哈根。是一家全球知名的工程公司,在全球公路和铁路行业,专注研发和生产用于公路和铁路行业状况调查的专业检测设备。

产品范围包括:交通速度弯沉仪TSD、横断面激光车辙仪Profiler、纵断面激光平整度仪LaserProf、路面破损图像测量系统SIS、路况前景图像测量系统ROW、高精度铁道轮廓测量仪,实验室激光轮廓扫描仪以及铁路和地铁行业应用的MiniProf系列轮廓仪等。全球有15台TSD高速弯沉仪、上百套激光断面测试仪和数千套MiniProf系列轮廓测量仪的用户。

目前全球15台TSD交通速度弯沉仪分别应用于:

丹麦

TSD1-丹麦DRD交通部公路研究所,TSD7-Greenwood Engineering A/S(内部测试)

中国

TSD6-交通运输部公路科学研究所,TSD11-上海市路政局

英国

TSD2和TSD16-英国高速公路管理局Highway Agencies (Highway England)

德国

TSD14-德国联邦公路研究院BASt,TSD15- Wuppertal大学

南非

TSD5-南非国家道路管理局SANRAL,TSD10-VNA公司

美国

TSD9-ARRB澳大利亚公路研究院

澳大利亚

TSD8和TSD12- ARRB澳大利亚公路研究院

意大利

TSD3-意大利国家公路管理公司ANAS

波兰

TSD4-波兰道路桥梁研究所IBDiM

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