广东省南粤交通云湛高速公路管理中心新阳管理处
摘要:在道路工程的施工建设以及路面,施工质量的验收中,都会将路面平整度作为一个重要的检测指标。激光路面平整度检测系统对传统的路面平整度评定方法进行了突破,是一种比较实用的路面平整度检测设备系统。本文对激光路面平整度检测系统的构成、功能、技术指标进行了简要的介绍,并分析了激光路面平整度检测系统的使用优势和检测过程,供相关人员参考借鉴。为提高路面平整度检测水平,提出了基于基准传递原理的路面平整度检测方法,给出了采用5个激光位移传感器检测路面纵断面相对标高的计算公式,在不同等级路面上与精密水准仪测量方法进行了对比试验。结果表明,依据基准传递原理的路面平整度激光检测系统不受检测速度限制,可给出被测道路的纵断面曲线和国际平整度指数(IRI)。
关键词:道路工程;路面;平整度;国际平整度指数(IRI);纵断面;激光位移传感器
0引言
路面平整度无论是在道路施工过程中,还是在质量验收和养护管理中都是一项必检的重要指标,它直接影响到行车的舒适性和安全性[1]。目前,规范中规定的平整度评定方法有多种:3m直尺给出度指数仅与路面的纵断面标高有关,具有客观性和的是最大间隙值;连续式平整度仪给出的是均方差;颠簸累积仪使用的是颠簸累积值;激光平整度仪给出的是国际平整度指数(IRI)。为研究各项指标之间的关系,交通部和各省交通部门都曾立项,以期实现各种评价指标的统一。早在20世纪80年代,世界银行组织就为确立平整度评价指标的唯一性提出了国际平整度指数(IRI)指标。国际平整唯一性,它已经在国外实施了多年。
目前中国的规范中已经引进了国际平整度指数指标,同时很多单位也引进了能够测量路面纵断面、输出国际平整度指数的激光平整度仪。路面纵断面的测量可分为惯性原理和非惯性原理。国外的激光检测仪一般采用惯性原理,即在检测系统中利用惯性元件(加速度计)校正车辆本身的振动。该方法的不足之处是由于频率响应的原因,行驶车速不能低于30(kmh-1),并对车辆的质量有严格的要求。为了克服惯性基准中的缺点,本文在光学检测技术的基础上,提出了基于双对称结构的非惯性基准传递原理,该原理的最大特点是不受行车速度的影响,甚至可以采用人力推动行车来进行施工过程平整度的控制。
1检测原理
如图1所示,在一标准刚性梁上,分别安装了5个激光位移传感器1、2、3、4、5(为了分析方便,传感器2、4用虚线表示),其中传感器2和4以3为中点,间隔2δ,传感器1和5以3为中点,间隔2Nδ(N>2),由此形成了步长分别为δ和Nδ的小步长和大步长双对称系统。
X轴是测量过程中的标高基准线,在整个行驶测量过程中,该坐标系一直保持不变。
1.1大步长(1、3、5)检测纵断面原理
图1中,传感器1、3、5组成了步长为Nδ的大步长测量系统。H(1)、H(1)、H(1)为车行驶到位置1、3、5时传感器1、3、5输出的各传感器到路面的距离。
Y(1)、Y(2)、Y(3)、Y(4)为路面纵断面上各点(间Nδ)到相对标高基准线的高度值(消除振动后)。从图1中可以看出,由于车辆振动,检测梁的位置向上移动了一个距离。每当检测梁向前移动一个步长Nδ时,新位置(2)中传感器1和3都重复测量移动前3和5测量过的测点Y(2)、Y(3)。根据两点决定一条直线原理,不但可以计算出检测梁向上的振动位移,还可以计算出新测点5相对于基准线的标高Y(4)。
式中:下标对应传感器序号;上标对应检测梁移动的次数;Y对应间隔为Nδ的道路纵断面相对于标高基准线的相对标高。
由式(3)、(4)可知,路面纵断面标高的计算是一个递推公式,任意点的标高可表示为
2Y(n-1)-Y(n-2)(n≥3)(5)
以Y(n)为Y轴,以nNδ为X轴,即可描绘出由大步长传感器1、3、5测得的被测路面纵断面形状。
1.2小步长(2、3、4)检测纵断面原理
图1中,传感器2、3、4同样组成了一个步长为δ的小对称系统,根据以上分析,小步长系统的相对标高公式：
时,传感器2、3、4输出的各传感器到路面的距离;y(m)为消除振动后计算出的纵断面上间隔δ的各点距标高基准线的相对高度。
同样,每当检测梁向前移动一个步长δ时,新位置中传感器2、3都重复测量移动前3、4测量过的测点。根据两点决定一条直线原理,不但可以计算出测梁向上的振动位移,还可以计算出新测点4相对于基准线的标高。
以y(m)为Y轴,以mδ为X轴,同样可以描绘出由小步长传感器2、3、4测得的被测路面纵断面形状。
1.3相对纵断面
大步长对称系统和小步长对称系统分别以不同的步长给出了同一个纵断面的标高曲线,但是大步长对称系统只能给出波长大于2Nδ的路面波长,无法给出纵断面局部更准确的标高信息;而小步长对称系统却可以给出波长大于2δ的路面纵断面信息。由于测量误差的存在,随着测量里程的增加,误差累计将呈幂级数递增,因此最终相对纵断面应由大步长和小步长叠加而成,测量间隔由小步长δ决定。
由式(5)、(6)可以看出,基于双对称结构的基准传递系统消除了车辆颠簸振动的影响,同时,由于没有惯性元件,测量结果与测量时的行车速度无关。
通过式(5)、(6)叠加,可计算出被检测路面的纵断面相对高程,再按照1/4车辆数学模型振动方程的求解方法,就可以得出被测路面的国际平整度指数。
2系统结构
根据以上的理论分析及其相关技术,我们研制开发了拖挂式的激光路面平整度检测系统(图2)及配套的计算机采集、分析软件。该系统主要包括激光位移传感器、接口控制器、系统电源、刚性检测梁、专用检测车架、牵引架、行走轮、防尘遮光板、警示灯牌等。该系统采用5个激光探头,激光探头安装固定在刚性检测梁上,彼此间隔距离成比例。激光探头采集的数据由系统接口控制器预处理后传输到牵引车上的计算机中,完成数据的存储仪检测和处理。系统开发的处理软件可直接计算国际平整度指数,也可进行路面相对纵断面的分析和功率谱分析。为减小检测梁在运输及行驶检测过程中由于路面颠簸、振动、冲击引起的变形,检测梁用弹簧悬浮在车架中间。
3应用与检测结果
为了对激光平整度检测系统进行标定,我们通过目视法在河南许昌确定了8个路段。先用精密水准仪在300m的路段上每隔250mm测出纵断面高程,然后运用程序计算路面的国际平整度指数,再用激光平整度检测系统在选取路段进行测试,取先后3次测试的平经回归分析可知,激光检测结果[IRIc]和精密水准检测[IRIs]之间存在以下关系
[IRIs]=0.97[IRIc]+0.09(7)
两者之间的相关系数为0.99,相对误差不超过4%,测试结果达到了世界银行组织规定的一类平整度检测仪器标准。
图4为激光路面平整度检测系统和精密水准仪对同一段路面检测得到的路面相对纵断面曲线。从图4中可以看出,两种检测仪器的测量结果比较吻合,坑洼和凸起一一对应。图4(a)、(b)曲线局部的差别,主要是由于两种检测方法的采样间隔不一致(精密水准仪每间隔250mm采1个点,激光平整度检测系统每间隔247mm采5个点取平均值)、检测行走路线不重合等因素引起的,因而也造成两种检测方法计算的国际平整度指数有差别,精密水准仪的检测结果[IRIs]=4.72,激光平整度检测系统检测结果[IRIc]=4.65。
4结语
通过对比试验,并经过上千公里高速公路的检测试验,可以得出以下结论:
(1)基于双对称基准传递原理的激光平整度检测系统可以准确给出被测路面的局部纵断面曲线,测量间隔为247mm。
(2)检测系统克服了惯性基准的缺点,检测结果不受检测速度、路面颠簸的影响。检测速度可快可慢,比较适合中国的道路实际情况。
参考文献:
[1]严志刚,盛洪飞,陈彦江.桥面平整度对大跨度钢管混凝土拱桥车辆振动的影响[J].中国公路学报,2004,17