《一、 前言》
一、 前言
基础设施不仅仅是一个城市发展的基础，更是 全民生活的保障。基础设施的建设和维护需要巨大 的投资。美国联邦公路管理局（FHWA）2008 年的 一份报告显示，在美国约有 6.4×106 km 的道路需要 大范围的维修 [1]。2014 年，美国土木工程师学会 （ASCE）的一份报告给道路情况的总体评级为 D 级 （分 A、B、C、D 四级）[2]，在美国有 42 % 的主 要城市道路因为破损而拥挤不堪。2014 年，联邦政 府、各州和地方政府已经投入了 910 亿美元，虽然 短期内情况会有所改善，但是这些投入仍然不足， 根据 FHWA 的估计，在此基础上，每年需再投入 1 700 亿美元，道路的状况和性能才能得以显著改 善 [2]。
现阶段，我国道路的检测方法主要是针对破损 路段，通过目测的方法发现病害和破损，这对于日 益发展的道路设施和繁重的交通压力来说显然是不 够的。因此，迫切需要一种技术，可以经济有效地 监控路网系统的状态，并优先为维修养护作业提供 准确、及时的信息，使道路检测方法从定期的局部 检查向连续路网的健康监控方向发展。
《二、道路病害与缺陷》
二、道路病害与缺陷
路面劣化通常发生在路面以下，是不能用目测 法来评价的（见图 1）。
常见的路面病害包括横向裂缝、纵向裂缝、车 辙、波浪、坑槽、分层、渗漏等。横向裂缝往往比 纵向裂缝更容易出现，它可以从一个小于 0.5 mm 宽、2 cm 深的裂缝发展而来。这样的裂缝在晴天的 时候很难看见，但在雨后是可以发现的。这是因为 当地表水蒸发后，裂缝中却残留了水。细小的裂缝 需要及时处理以防止发展为大的裂缝。大的裂缝通 常超过 1 mm 宽，5 cm 深，并且能延续几米长。如 果大的裂缝不加以密封，那么分层和收缩就会接踵 而至。如果路面和混凝土板的黏结力减小，那么覆 盖层就会从混凝土板面脱黏。裂缝或渗漏造成的坑 槽多数是由黏结力减小造成的。局部脱黏可能延伸 了几平方厘米，但是由于路表保持完好，这样的裂 缝很难发现。大面积的分层可能会在路面发展成大 的裂缝，并最终导致路面大的坑槽和破损。裂缝和 坑槽往往伴随着渗漏，水通过裂缝进入覆盖层，沥 青和混凝土板极易受到渗漏水的损害，路面裂缝里 面的水会留存甚至继续向下渗漏，这是对沥青路面 最大的损害。
为了评估和确定高速公路路面和桥面的状况， 本文探究了几种无损检测方法，检测路面和路面 以下的道路病害和缺陷，并列举了一些商业产品 和检测程序，以便于道路早期的维修养护。无损 检测的优势在于在不阻断交通的情况下，准确、 高效地评估结构的状态。
在我国，坑槽和其他路面病害困扰着城市的基 础设施。如图 2 所示的坑槽存在于我国的大多数道 路中，图 2 中所示的修补是最常见，也是比较经济的处理方法，但其有效性差异很大。由于快速的修 复需要和小补丁区不能实现足够的压实而容易受到 损害。因此，应改善维修方法，同时加强对路面和 路面以下病害的监测和检测，用来识别早期的坑槽 和局部损坏，以延长道路寿命。
《图 1》
图 1 路面的劣化
《图 2》
图 2 坑槽病害路段修复图
《三、美国材料与试验协会（ASTM）对路面状 况的评价》
三、美国材料与试验协会（ASTM）对路面状 况的评价
美国国家公路管理员协会 (AASHO）是最全 面的路面快速测试协会之一，该组织能检测道路的 状况，并解释道路恶化的原因，路面服务性能指数 （PSI）的准确性得到了提高。AASHO 统计了美国道 路可见的路面病害，如裂缝、修补块、边坡失稳和 车辙深度。用轮廓仪数据来计算路面平整度并与专 家评定的用于评价道路的四个等级做对比 [3]。
式（1） 中，PSI 为 路 面 服 务 性 能 指 数；SVt 为 t 时 刻 的 边 坡 变 化；RDt 为 平 均 车 辙 深 度，in (1 in ≈ 2.54 cm)；Ct 为每 1 000 ft2 的裂缝长度 (1 ft2 ≈ 929.0304 cm²)；Pt 为每 1 000 ft2 的修补面积。
在进行可视化调查之前，根据道路等级将不同 地区的道路分成若干部分，在进行调查时，只对给 定地区的某一部分进行调查，它们被称为路面取样 单元。通常，一个路面取样单元的面积为 2 500 ft2 。 ASTM D6433—2011 标准建议每个地区应调查评估 的道路面积为 33 % ~ 50 %。该标准可以确定任意路 面位置的 19 种病害 , 并将这些病害根据其密度和严 重程度进一步划分，根据该标准提供的表格中数据 计算相应的分值。例如，图 3 中的三条曲线分别代 表了高、中、低三种不同病害的扣分情况。基于一 个特定的样本单元病害的密度，计算得出的路面状 况指数（PCI）分值可用于整个地区。
MicroPaver 是一个可以输入 PCI 调查结果并能 执行路面状况计算的软件。此外，它还配备了路面 管理系统，即路面退化模型、成本预算分析和成本 效益分析系统。
在 ASTM D6433—2011 标准采用 PCI 时， 检 测设备并没有图像自动传输和自动检查功能，非接 触式传感装置也没有那么先进。直到如今，自动化 检测也只是拍摄路面的高质量图像，再依赖人工从 相关图像判断路面状况。PCI 方法的局限性在于耗 时长、需阻断交通、检测人员的安全风险高、需要 训练有素的专业人员、结果准确度还不高（如在交 叉路口的每条街只有一个单一的 PCI 值），而且路 面以下的状况完全没有考虑在内，需要结合一些基 于物理、声波或电磁性质的测量系统来推导出路面 以下的结构特性。在评估路面平整度和驾驶舒适性 时，宏观构造深度（MTD）和国际平整度指数（IRI） 被广泛使用。
《图 3》
图 3 不同病害密度下的扣分情况
《四、评价公路路面的无损检测技术》
四、评价公路路面的无损检测技术
随着技术的发展，路面管理系统的数据采集和 分析已经从手动向自动化方向发展，在美国已经开 始自动化的数据采集和分析。尽管自动化技术花费 巨大，但可以有效避免人工方法带来的误差，并且 数据采集工作可以在不影响交通的情况下完成，因 此，自动化技术得到了广泛认可。用于数据自动化 采集的主要装备是安装在车辆后面和侧面的光学相 机，它可以持续拍摄并保存图像，以便技术人员可 以在办公室分析图像并利用数据计算道路病害 [4]。 但自动化计算也有许多不利的影响因素，例如，图 像的阴影、光照、清晰度等。随着数据自动采集技 术的广泛应用，ASTM D6433—2011 标准已更新为 ASTM D5340—2012。时至今日，大部分的机构采 用基于光学相机的街道数字图像自动数据采集，一 旦数据采集完成，可人工评估道路病害。相关机 构使用 MicroPaver 和其他软件，如 StreetSaver 或 Cartegraph 来计算 PCI 值，以满足对路面的进一步 分析需求。
《（一）落锤式弯沉仪（FWD）》
（一）落锤式弯沉仪（FWD）
FWD 率先在欧洲使用，并从 20 世纪 80 年代 开始在美国使用。FWD 是用作测量路面物理性质 的仪器，主要由供电装置、控制系统、承载盘、弯 沉传感器、数据存储和处理系统组成。FWD 检测 是一种无损检测过程，检测不仅快速而且不需要清 除路面材料，如图 4 所示 [5]，因此，比其他有损 检测方法更受欢迎。ASTM C131—2014 标准 [6] 规 定，在测量道路弯沉值时，检测车辆应停下并使 承载盘位于检测位置之上。因此，FWD 为间断行 驶测量，测点与测点之间正常行驶，到测点位置时 车辆停止。FWD 法使用动态荷载作用于路面表面， 模拟单轮荷载，每个测量位置的弯沉单位为 μm， 如图 5 所示。该方法可测量冲击荷载作用于路面 时的道路垂直弯沉响应。使用 FWD 进行测试时， 影响弯沉的主要因素是路面各层厚度、各层材料 类型、材料质量、路基支撑、环境因素、路面不 连续性以及路面结构的种类。FWD 检测设备需要 定期维护，这将提高设备的性能和使用寿命，使 测量得到的数据更可靠。
《图 4》
图 4 FWD 设备组成示意图
《图 5》
图 5 FWD 荷载与弯沉测量
基于 FWD 的原理，20 世纪 90 年代末，丹麦 Dynatest 公司提出了一种改进装置 —— 滚动式弯 沉仪（RWD）。RWD 的目的是在不阻断交通的情 况下以正常的行驶速度进行道路测试。最新型的 RWD 于 2003 年推出，如图 6（a）所示。它包含 一个 16.2 m 长的拖车，通过一个固定的双轮装配， 在后单轴上对路面结构施加 80 kN 的标准荷载。 RWD 采用轮迹重叠的方法在路的表面测试轮胎的 偏斜方向，首先纪录轮胎无偏斜时的路面变形值， 接下来读取各测试点的激光读数，三角激光仪安 装在检测车的一根铝梁上，每间隔 2.6 m 测量一次 路面情况。该系统有 100 mm 的测量范围，精度达 到了 ± 0.0245 mm。运行时，采用空间重合的方法 来收集变形和非变形状态的数据，通过 3D 有限元 分析方法可以较好地得到道路各层的回弹模量参 数，反映路面的承载能力和生命周期，如图 6（b） 所示。
《图 6》
图 6 RWD 测试装备与测试原理
《（二） 探地雷达（GPR）》
（二） 探地雷达（GPR）
GPR 是利用高频脉冲电磁探测地质目标内部 结构和一种电磁波方法，可以提供高分辨率的地 下二维和三维图像。由天线发射的电磁波在材料 中传播，其速度由材料的介电特性所决定。如果 电磁波遇到了埋藏的物体或到达了两种介电特性 不同的材料的边界，那么电磁波的部分能量会被 反射回表面，而剩下的部分会继续向下传播。天 线接收到反射波，并将数据记录在数字存储设备 中以便分析。
单频 GPR 路面检测是最早应用到民生工程中 的技术之一。单频 GPR 可以在不阻断交通的情况 下准确地绘制道路的各层结构。Loizos 等 [7] 展 示了使用不同频率的 GPR 系统检测路面层，并 通过对比检测结果与路面的实际情况，深入研究 了 GPR 系统的可靠性。路面材料的介电常数可以 通过计算路面各层内的波速或路面的反射系数求 出。在路面分层过多的情况下，反射波可能会互 相干扰，需要使用特殊的数据处理方法来提取层 信息。
《（三）宏观构造深度（MTD）》
（三）宏观构造深度（MTD）
路面的 MTD 是轮胎和路面接触表面凹凸不平 的开口孔隙的平均深度，即反映路面的抗滑水平（见 图 7）。MTD 可以用来衡量路面（抗滑性）的摩擦 特性及检测路面施工期间的沥青混凝土的泛油、分 离或不均匀性。MTD 值低表示表面光滑，高则表 示表面粗糙。
《图 7》
图 7 路面宏观构造的物理意义（图中测量尺子长 15 cm）
“铺砂法”或“体积修补法”是 ASTM E965— 2001 标准 [8] 中提出的测量 MTD 值的传统方法。 该方法用 MTD 值来表征表面的宏观结构，最早由 英国运输和道路研究所设计，在操作方面受人为影 响较大，不宜在潮湿天气测量。现在比较常用的方 法是激光轮廓法，这是一种更加先进、安全、经济 的方法。ASTM E2157—2009[9] 提出了一种采用圆 形轨道仪的方法来测量和评价实验室与道路实际路 面的宏观构造特性。
测量 MTD 值一般采用激光轮廓法，通过电机 驱动传感器进行扫描，通过水平分量和垂直分量的 采集，得出被测路面的轮廓数据。
美国东北大学（NEU）研发了一种更便捷的 方法：利用车辆移动时轮胎与路面的噪声来估计 MTD 值，噪声越大，MTD 值越大。例如，通过激 光轮廓法测得路面的 MTD 值为 0.5 mm，此时轮 胎与路面的噪声为 3.2 dB，另一路面的 MTD 值为 2.5 mm，轮胎与路面的噪声为 9.6 dB，利用中间插 值法，可估算噪声为 3.2 ~ 9.6 dB 时所对应的 MTD 值。图 8 为测试路面的照片，为了验证方法的准确 性，首先用激光轮廓法测出每个路面的 MTD 值， 然后与 NEU 估计的 MTD 值比较，如表 1 所示，两 者的 MTD 值很接近，证明该方法可行。
《图 8》
图 8 测试路面照片图
《表 1》
表 1 激光轮廓法与预测法得到的 MTD 值比较
《（四）国际平整度指数（IRI）》
（四）国际平整度指数（IRI）
IRI 是由世界银行在 1986 年提出的，如今在测量路面平整度中被广泛应用。该指数表明了司机与 乘客在车辆行驶中的舒适程度。IRI 通常使用四分车 （也叫金车）来测量，如图 9 所示，至少连续测量 160 m（约为 0.1 mi），以规定速度行驶在路面上，分 析行驶距离内动态反应悬挂系的累积竖向位移量。
《图 9》
图 9 四分车模型
图 9 中，ks 是悬架弹簧的劲度系数；Cs 是悬架 阻尼率；kt 是疲劳弹簧劲度系数；mu 是簧载质量（一 个车轮支撑的车身质量的一部分）；ms 是非簧载（车 轮，轮胎，半轴 / 悬挂）质量；LB 是轮胎与路面的接 触长度。道路有其自身的几何形状，四分车在路面 上移动，道路表面的几何形状被作为输入值使模型 车上的弹簧向上移动，弹簧移动使得测量系统存在 两个方向的自由度。IRI 的值可由下式计算：
式（2）中，
为簧载重心高度（垂直坐标）的微分； 
是非簧载重心高度（垂直坐标）的微分。当计算 IRI 时，由前进距离来确定时间上的相对运动。人 们通过测量道路的轮廓来获得 IRI 值主要有两种方 法，即人工测量和移动测量。人工测量需要一个人 推着小推车测量，调查速度是人的行走速度；移动 测量是使用配备了轮廓仪和加速度计的测量车辆， 速度为正常行驶速度。道路外形由测得的加速度的 双重积分计算得出。
《（五）面波的频谱分析（SASW）》
（五）面波的频谱分析（SASW）
面 波 的 频 谱 分 析（spectral analysis of surface wave, SASW）法，简称 SASW 法 [10]。我国从 20 世纪 80 年代开始研究 SASW 法，在许多工程中 得到了应用和发展 [11]。SASW 法代替传统的面 波法，被广泛地应用于地下勘探与地质实验中。 传统的面波法比较费时，并阻断交通，传感器要与 路表面接触，每次测量时还需要重新定位。SASW 法的工作原理是：作用冲击荷载，利用双传感通 道间的相位差来测量在土壤中传播的面波的色散特 性，通过数据传输得到色散曲线，通过反演程序估 计该层土壤的形状和剪切速度。在此原理的基础之 上，美国东北大学开发了一种非接触式传感器快速 空气耦合面波分析算法，能够以正常行走速度检测 地下状况，大大提高了检测效率。目前，该原型系 统安装在一辆三轮手推车上，一个麦克风阵列安装 在手推车的下面，每个麦克风用隔音泡沫来隔绝环 境噪音。该系统使用的电磁锤可以提供可调及可追 溯的冲击源，面波的典型声音信号和来自系统的信 噪比（SNR）如图 10 所示。
《图 10》
图 10 现场典型信噪比
原型车在现场测试中，以美国波士顿 Rowley MA 的一个工地的沥青路面为例，通过现场钻孔 （如图 11（a）所示）测量道路材料的弹性模量值， 结果如图 11（b）所示，通过手推车测量的结果如 图 11（c）所示，与现场钻孔的测量结果很接近。 另一现场试验是位于 Rowley MA 的 Pingree 大桥的 桥板现场测试，桥面宽 5 m，测试者以步行速度， 连续性扫描的方法完成测试，每次测量宽度为 1 m， 如图 12（a）所示，测量深度为 0.22 m，测试结果 见图 12（b），测量结果与大桥设计文献相吻合，现 场测试结果证明了这种新的手推车 SASW 法具备地 下检测能力。
《图 11》
图 11 原型车在沥青道路上的现场测试
《图 12》
图 12 原型车在桥面板上的现场测试
表 2 是商业传感技术对路面状况评价的总结， 表 3 是无损检测商业公司产品功能及优缺点评价。 我国幅员辽阔，需要发展无损检测技术来测量广大 的路网区域，以应对未来的维护问题。
《表 2》
表 2 商业传感技术对路面状况的评价
《表 3》
表 3 无损检测商业公司产品功能及优缺点评价
《五、结语》
五、结语
现有的路面自动检测系统基本都采用现场检 测与离线分析处理的方式，无疑，这种方式还有 待优化和提升。如何实现道路破损检测图像的完 全、快速、自动识别，以及保证相当高的准确率， 是目前相关学者亟需解决的技术难题。本文详细 介绍了目前国外技术水平已经十分成熟的几种无 损检测技术以及我国的发展情况，对有代表性的 检测技术做了详细介绍，指出了其中的不足之处， 列举了国内外无损检测商业公司产品的优缺点， 以指导相关人员结合工程实际合理选用。我国应 在无损检测技术的基础之上，继续扩大路网监控 系统，实现实时监控。总之，无损检测技术水平 的不断提高对道路、桥梁等基础设施的病害检测、 寿命延长等都具有重要意义。
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