CN103669184A - 一种路面结构层隐形病害检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种路面结构层隐形病害检测方法，通过路用探地雷达和激励路面发声装置对路面进行检测并根据检测得出的数据得出路面结构层的回弹模量，根据回弹模量分析检测路段的路面结构层强度特征，确切检测出路面内部的脱空、疏松等隐形病害位置和大小。本发明能够快速、准确的对各等级公路、城市道路、机场跑道等形式路面的结构层疏松、空洞、层间不连续、强度不足等隐形病害连续检测，为检测路面评价提供全面数据，为道路预防养护的实施提供依据，为道路寿命期限内的养护决策提供数据支撑，减少对交通的干扰，该检测方法是无损的，减少对路面的二次破坏，节约成本，降低能源损耗，提高社会效益，能够更加全面合理的评估路面结构状况。

Description

一种路面结构层隐形病害检测方法

技术领域

本发明涉及路面结构层检测方法，特别涉及一种路面结构层隐形病害检测方法。

背景技术

目前，不管是传统的人工养护检测还是技术先进完备的现代化多功能道路路面检测车，均主要针对路面出现的表面病害进行统计，传统的人工养护检测方式需要封闭交通，路上作业危险性大，且难以发现路基路面内部的病害隐患；以钻孔取芯为代表的传统检测方法根据规范随机选点、钻孔取样，进行分析处理，从而获得道路质量状况参数。这些常规方法由于随机选择测点，因而检测结果的随机性大，检测深度有限，且钻芯一般采用湿钻，难以发现路面内部病害隐患，这些隐患通常只有等到基层或路基病害影响到路面时才会被发现；传统检测方法还存在检测效率低、安全性差、影响交通的缺点，对于交通量大的高速公路来说，钻芯取样显得特别困难，而且对公路具有很强的破坏作用，急需开发路面结构层隐形病害的检测方法。

所谓的路面隐形病害指未发展到路面表面的结构层内部各种病害，或者尽管路面内部未出现病害，但由于路面结构层的某些属性或缺陷随时间的推移必定会引起路面病害发的各种因素，主要包括结构层疏松、空洞、层间不连续、强度不足等。对于以上所述的隐形病害，由于缺少有效的检测手段，不能预先发现和查明路面结构层中的面层、基层或路基内部的病害隐患的分布状况和严重程度，也就难于监控和评估道路质量状况，无法有针对性地制定处治措施，只能“头痛医头，脚痛医脚”，难以根治病害。因此也就不能适应现代高速公路飞速发展的需要，为此根据路面内部病害状况及发展机理，需要研发一种快速、简便、准确的道路检测方法与技术并做出合适养护方案的决策。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种设计合理、操作简便且检测速度快、效率高、检测结果准确的路面结构层隐形病害检测方法。

按照本发明所提供的设计方案，一种路面结构层隐形病害检测方法，包含如下步骤：

步骤1.将路用探地雷达和激励路面发声装置安装在连续行走的检测车上，并打开电源，启动路用探地雷达和激励路面发声装置；

步骤2.利用激励路面发声装置连续敲击路面，使得因敲击路面而产生路面振动的声波沿路面结构层由面层向下传播，同时路用探地雷达向路面发射电磁波，并开启信号同步装置，将路用探地雷达发射信号与激励路面发生装置敲击路面的时间同步；

步骤3.路用探地雷达接收发射的电磁波信号，并根据电磁波在路面结构层中的传播时间计算出路面结构层中每层的厚度： $h_1=\frac{c_0{t}_1}{2\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_1}};$ $h_2=\frac{c_0(t_2-t_1)}{2\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_2}};......;h_n=\frac{c_0(t_n-t_{n-1})}{2\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_n}},$ 其中，h1，h2，……，hn代表路面结构每层的厚度，c0代表路用探地雷达的电磁波在真空状态下传播的速度，t₁，t₂，……，t_n代表路用探地雷达的电磁波到达路面结构层中每层结构的传播时间，ξ₁，ξ₂，……，ξ_n代表路面结构层中每层的介电常数；

步骤4.路用探地雷达对路面结构层中的各层结构进行探测时，根据激励路面发声装置的声波在每层路面的传播时间T_p1，T_p2，……，T_pn，及步骤3计算得到的路面结构层中每层的厚度h₁，h₂，……，h_n，获得声波在路面结构层中每层的传播速度：

$v_1=\frac{h_1}{T_{P1}};v_2=\frac{h_2}{T_{P2}-T_{P1}};......v_n=\frac{h_n}{T_{\mathrm{Pn}}-T_{\mathrm{Pn}-1}};$

步骤5.根据声波速度V_i和回弹模量E_i的关系公式，计算出路面结构层中每层的回弹模量E_i：

其中，V_i代表声波在路面结构层中第i层的传播速度v_i，ρ_i代表路面结构层中第i层材料的密度；

步骤6.由步骤5得到的路面结构层中各层的回弹模量E_i，分析路面结构层中材料强度的衰减。

根据上述的路面结构层隐形病害检测方法，所述路用探地雷达包含主机、分别与主机连接的发射天线和接收天线，所述信号同步装置包含信号处理和控制单元、与信号处理和控制单元相连接的同步单元、与同步单元相连接的同步信号发生器，所述激励路面发声装置包含声波振荡激发器、及与声波震荡激发器相连接的声波激励信号发生器，所述发射天线的输出端向检测路面发射信号，所述发射天线的输入端通过波形整形器与信号处理和控制单元相连接，所述接收天线的输入端接收检测路面的雷达信号，接收天线的输出端通过放大器与信号处理和控制单元相连接，所述声波震荡激发器的输入端通过声音激励信号发生器与同步单元相连接，所述同步信号发生器、路用探地雷达和激励路面发声装置分别与上位机控制系统相连接。

根据上述的路面结构层隐形病害检测方法，所述检测车配备12V低压电源，检测车的行走速度≤100km/h。

根据上述的路面结构层隐形病害检测方法，所述步骤3还包含如下步骤：

步骤3.1.根据经验值设定路面结构层的介电常数ξ_i；

步骤3.2.对检测过的路段进行取芯试验，测量路面结构层中每层实际厚度；

步骤3.3.校验步骤3.2所得到的实际厚度与通过电磁波在路面结构层中的传播时间计算出路面结构层中每层的检测厚度h_i是否符合，若不符合，则重新调整介电常数ξ_i进行检测，直至计算得到的检测厚度h_i与通过取芯试验得到的路面结构层中每层的实际厚度相一致为止。

根据上述的路面结构层隐形病害检测方法，所述步骤5中路面结构层中第i层的密度ρ_i通过对检测过的路段进行取芯试验测得。

本发明路面结构层隐形病害检测方法的有益效果：

1.本发明路面结构层隐形病害检测方法能够快速、准确的对各等级公路、城市道路、机场跑道等形式路面的结构层疏松、空洞、层间不连续、强度不足等隐形病害连续检测，为检测路面评价提供全面数据，为道路预防养护的实施提供依据，为道路寿命期限内的养护决策提供数据支撑。

2.本发明路面结构层隐形病害检测方法中激励路面发声装置和路用探地雷达实现路面病害的精确检测，通过路用探地雷达检测路面因振动的机械波传播的时间，确定路面的强度特征，确切检测出路面内部的脱空、疏松等隐形病害位置和大小。

3.本发明路面结构层隐形病害检测方法实现连续检测，检测车行走速度不高于100km/h，即时在高速公路上检测无需封闭交通，减少对交通的干扰，该检测方法是无损的，减少对路面的二次破坏，节约成本，降低能源损耗，提高社会效益。

4.本发明路面结构层隐形病害检测方法对检测出病害的地点可随时进行加固处置，防止造成交通事故或地面沉陷等不良影响，检测方法所得到的检测数据可作为现有规范《公路技术状况评定标准》(JTGH20-2007)和《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)的补充和完善，更加全面合理的评价路面状况。

附图说明：

图1为本发明路面结构层隐形病害检测方法流程示意图；

图2为本发明路面结构层隐形病害检测方法中检测装置的结构示意图；

图3为本发明路面结构层隐形病害检测方法中路面结构层示意图；

图4为本发明路面结构层隐形病害检测方法中实施例的路用探地雷达信号图谱。

具体实施方式：

图中标号1代表主机，标号2代表发射天线，标号3代表接收天线，标号4代表上位机控制系统，标号5代表激励路面发声装置，标号6代表面层，标号7代表基层，标号8代表底基层，标号9代表垫层，标号10代表土基。

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。

参见图1～4所示，一种路面结构层隐形病害检测方法，包含如下步骤：

步骤1.将路用探地雷达和激励路面发声装置安装在连续行走的检测车上，并打开电源，启动路用探地雷达和激励路面发声装置；

步骤2.利用激励路面发声装置连续敲击路面，使得因敲击路面而产生路面振动的声波沿路面结构层由面层向下传播，同时路用探地雷达向路面发射电磁波，并开启信号同步装置，将路用探地雷达发射信号与激励路面发生装置敲击路面的时间同步；

步骤3.路用探地雷达接收发射的电磁波信号，并根据电磁波在路面结构层中的传播时间计算出路面结构层中每层的厚度： $h_1=\frac{c_0{t}_1}{2\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_1}};$ $h_2=\frac{c_0(t_2-t_1)}{2\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_2}};......;h_n=\frac{c_0(t_n-t_{n-1})}{2\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_n}},$ 其中，h1，h2，……，hn代表路面结构每层的厚度，c0代表路用探地雷达的电磁波在真空状态下传播的速度，t₁，t₂，……，t_n代表路用探地雷达的电磁波到达路面结构层中每层结构的传播时间，图4所示的路用探地雷达信号图谱中，水平方向表示路用探地雷达沿检测方向的水平坐标，竖直方向表示检测路面结构深度h的坐标，利用雷达信号传播时间t和修正介电常数ξ确定，明暗相间的过渡线界面与雷达信号在路面结构层各层之间的界面上反射相对应，根据界面测量并形成时间标记t₁，t₂，……，t_n，另，ξ₁，ξ₂，……，ξ_n代表路面结构层中每层的介电常数；

步骤4.路用探地雷达对路面结构层中的各层结构进行探测时，根据激励路面发声装置的声波在每层路面的传播时间T_p1，T_p2，……，T_pn，及步骤3计算得到的路面结构层中每层的厚度h₁，h₂，……，h_n，获得声波在路面结构层中每层的传播速度：

$v_1=\frac{h_1}{T_{P1}};v_2=\frac{h_2}{T_{P2}-T_{P1}};......v_n=\frac{h_n}{T_{\mathrm{Pn}}-T_{\mathrm{Pn}-1}};$

步骤5.根据声波速度V_i和回弹模量E_i的关系公式，计算出路面结构层中每层的回弹模量E_i：

其中，V_i代表声波在路面结构层中第i层的传播速度v_i，ρ_i代表路面结构层中第i层材料的密度；

步骤6.由步骤5得到的路面结构层中各层的回弹模量E_i，分析路面结构层中材料强度的衰减。

根据上述的路面结构层隐形病害检测方法，所述路用探地雷达包含主机、分别与主机连接的发射天线和接收天线，所述信号同步装置包含信号处理和控制单元、与信号处理和控制单元相连接的同步单元、与同步单元相连接的同步信号发生器，所述激励路面发声装置包含声波振荡激发器、及与声波震荡激发器相连接的声波激励信号发生器，所述发射天线的输出端向检测路面发射信号，所述发射天线的输入端通过波形整形器与信号处理和控制单元相连接，所述接收天线的输入端接收检测路面的雷达信号，接收天线的输出端通过放大器与信号处理和控制单元相连接，所述声波震荡激发器的输入端通过声音激励信号发生器与同步单元相连接，所述同步信号发生器、路用探地雷达和激励路面发声装置分别与上位机控制系统相连接。

根据上述的路面结构层隐形病害检测方法，所述检测车配备12V低压电源，检测车的行走速度≤100km/h。

根据上述的路面结构层隐形病害检测方法，所述步骤3还包含如下步骤：

步骤3.1.根据经验值设定路面结构层的介电常数ξ_i；

步骤3.2.对检测过的路段进行取芯试验，测量路面结构层中每层实际厚度；

步骤3.3.校验步骤3.2所得到的实际厚度与通过电磁波在路面结构层中的传播时间计算出路面结构层中每层的检测厚度h_i是否符合，若不符合，则重新调整介电常数ξ_i进行检测，直至计算得到的检测厚度h_i与通过取芯试验得到的路面结构层中每层的实际厚度相一致为止。

根据上述的路面结构层隐形病害检测方法，所述步骤5中路面结构层中第i层的密度ρ_i通过对检测过的路段进行取芯试验测得。

以某公路超车道为检测试验路段，具体说明本发明路面结构层隐形病害检测方法的实施过程，选取其中一段，起止桩号为K1+000～K12+000共11km。

通过查找新建时路面结构资料，对该条路段的结构信息调查，得知该路建好通车3年时间，共有5层结构，详细如表一所示：

表一:检测路段某段路面结构信息数据表

通过本发明路面结构层隐形病害检测方法获得本检测路段路面结构层的数据信息如表二所示：

表二：检测路段某段通过路面结构层隐形病害检测方法检测得到的无隐性病害路面结构层数据信息表

通过计算得出不同距离处路面各结构层内是否存在隐形病害，并通过强度来反映。从表二中可以确定声波在各层的传播速度v近似与各层的回弹模量的平方根成正比，这说明声波传播速度v与回弹模量Е和材料强度之间具有很好的相互关系。

将调查到的数据文件导入编制程序即可得到该检测路段的输出报告，通过输出报告可看出该整个检测路段的路面结构层强度及隐形病害，该检测路段的输出结果如表三所示：

表三：检测路段输出数据信息表

以上检测数据说明该条路存在一定程度的隐形病害，急需采取一定的措施进行处置，防止路面隐形病害进一步扩展。

本发明能够快速、准确的对各等级公路、城市道路、机场跑道等形式路面的结构层疏松、空洞、层间不连续、强度不足等隐形病害连续检测，为检测路面评价提供全面数据，为道路预防养护的实施提供依据，为道路寿命期限内的养护决策提供数据支撑，减少对交通的干扰，该检测方法是无损的，减少对路面的二次破坏，节约成本，降低能源损耗，提高社会效益，能够更加全面合理的评估路面结构状况。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种路面结构层隐形病害检测方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤1.将路用探地雷达和激励路面发声装置安装在连续行走的检测车上，并打开电源，启动路用探地雷达和激励路面发声装置；

步骤2.利用激励路面发声装置连续敲击路面，使得因敲击路面而产生路面振动的声波沿路面结构层由面层向下传播，同时路用探地雷达向路面发射电磁波，并开启信号同步装置，将路用探地雷达发射信号与激励路面发生装置敲击路面的时间同步；

步骤3.路用探地雷达接收发射的电磁波信号，并根据电磁波在路面结构层中的传播时间计算出路面结构层中每层的厚度： $h_1=\frac{c_0{t}_1}{2\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_1}};$ $h_2=\frac{c_0(t_2-t_1)}{2\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_2}};......;h_n=\frac{c_0(t_n-t_{n-1})}{2\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_n}},$ 其中，h1，h2，……，hn代表路面结构每层的厚度，c0代表路用探地雷达的电磁波在真空状态下传播的速度，t₁，t₂，……，t_n代表路用探地雷达的电磁波到达路面结构层中每层结构的传播时间，ξ₁，ξ₂，……，ξ_n代表路面结构层中每层的介电常数；

步骤4.路用探地雷达对路面结构层中的各层结构进行探测时，根据激励路面发声装置的声波在每层路面的传播时间T_p1，T_p2，……，T_pn，及步骤3计算得到的路面结构层中每层的厚度h₁，h₂，……，h_n，获得声波在路面结构层中每层的传播速度：

$v_1=\frac{h_1}{T_{P1}};v_2=\frac{h_2}{T_{P2}-T_{P1}};......v_n=\frac{h_n}{T_{\mathrm{Pn}}-T_{\mathrm{Pn}-1}};$

步骤5.根据声波速度V_i和回弹模量E_i的关系公式，计算出路面结构层中每层的回弹模量E_i：

其中，V_i代表声波在路面结构层中第i层的传播速度v_i，ρ_i代表路面结构层中第i层材料的密度；

步骤6.由步骤5得到的路面结构层中各层的回弹模量E_i，分析路面结构层中材料强度的衰减。

2.根据权利要求1所述的路面结构层隐形病害检测方法，其特征在于：所述路用探地雷达包含主机、分别与主机连接的发射天线和接收天线，所述信号同步装置包含信号处理和控制单元、与信号处理和控制单元相连接的同步单元、与同步单元相连接的同步信号发生器，所述激励路面发声装置包含声波振荡激发器、及与声波震荡激发器相连接的声波激励信号发生器，所述发射天线的输出端向检测路面发射信号，所述发射天线的输入端通过波形整形器与信号处理和控制单元相连接，所述接收天线的输入端接收检测路面的雷达信号，接收天线的输出端通过放大器与信号处理和控制单元相连接，所述声波震荡激发器的输入端通过声音激励信号发生器与同步单元相连接，所述同步信号发生器、路用探地雷达和激励路面发声装置分别与上位机控制系统相连接。

3.根据权利要求1所述的路面结构层隐形病害检测方法，其特征在于：所述检测车配备12V低压电源，检测车的行走速度≤100km/h。

4.根据权利要求1所述的路面结构层隐形病害检测方法，其特征在于：所述步骤3还包含如下步骤：

步骤3.1.根据经验值设定路面结构层的介电常数ξ_i；

步骤3.2.对检测过的路段进行取芯试验，测量路面结构层中每层实际厚度；

步骤3.3.校验步骤3.2所得到的实际厚度与通过电磁波在路面结构层中的传播时间计算出路面结构层中每层的检测厚度h_i是否符合，若不符合，则重新调整介电常数ξ_i进行检测，直至计算得到的检测厚度h_i与通过取芯试验得到的路面结构层中每层的实际厚度相一致为止。

5.根据权利要求1所述的路面结构层隐形病害检测方法，其特征在于：所述步骤5中路面结构层中第i层的密度ρ_i通过对检测过的路段进行取芯试验测得。

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