激光平整度检测系统在高速公路沥青路面施工中的应用
刘 健
（广西交通科学研究院，广西 南宁530000）
摘要：公路路面平整度直接影响到行车的舒适性和安全性。文章就激光平整度检测系统在高速公路沥青路面的应用展开初步探讨，论述了青路面平整度指标，高速公路沥青路面平整度的传统检测设备及方法，仅供参考。
关键词：高速公路；沥青路面；平整度检测；重复性试验
中图分类号：U412 文献标识码：A
文章编号：1009-2374 （2010）19-0144-03
高速公路路面平整度可定义为路面表面诱使行使车辆出现振动的高程变化，它是评价路面使用性能、养护质量的一项重要指标。平整度指标的变化可以反映路面的综合质量状况，大多数路面病害几乎都会影响平整度，因此平整度的检测是路面施工和养护的一个非常重要的环节。随着高等级公路的迅速发展，对于路面平整度要求越来越高，路面平整度的合格率直接关系到公路为用户提供的舒适性、安全性、快捷性等服务的水平，关系到道路本身的使用寿命。目前，我国针对道路检测技术开展了深入研究，自20世纪80以来，通过设备和技术引进和自主开发，我国在路面检测技术方面也取得了很大进展。本文主要探讨激光平整度检测系统在高速公路沥青路面的应用，以供同行参考。
1 沥青路面平整度指标
1.1 国际上沥青路面平整度指标
国际上沥青路面平整度指标有：平均调整坡ARS、纵断面平整度指标 （如σ）和国际平整度指数IRI 3种。平均调整坡是指在一定测试速度下，反应类平整度仪测定的累积计数值或将计数值转化为相应的悬挂系竖向位移量（如cm）与测试距离 （如km）之比，它反映了单位行使距离内悬挂系的累积行程，以cm/km表示。纵断面平整度指标是指由断面类平整度测定系统测试到的轮迹带路表纵断剖面曲线的高程变化情况，采用数理统计分析方法得出的高程变化量的方差、方根或指数数值。国际平整度指数IRI是路面平整度最基本的指标，其是在模拟标准车在80km/h速度条件下，车身悬架的总位移 （如m）与行驶距离 （如km）之比，同时发表了采用精密水准仪测得路面一定间隔（如每25cm或50cm）的高程，计算IRI的算式和计算程序的真实纵断面情况表征为国际平整度指数IRI。
1.2 我国采用的沥青路面平整度指标
一是用3m直尺测得的最大见习和八轮连续式平整度仪测得的路面不平整标准差σ，以路面凹凸程度来反映；二是用车载式颠簸累计仪按规定行使速度测得的颠簸累计值VBI（cm/km）及按规定的相关性要求换算得出的IRI，以司机感受到的舒适性来反映。
2 高速公路沥青路面平整度的传统检测设备及方法
路面平整度的测试设备分为断面类和反应类两大类。断面类（其测试设备包括3m直尺、连续式平整度仪和激光路面平整度测定仪等，）测定路表凹凸情况引起车辆振动的颠簸情况，反应类测定路表不平整程度，实际上其是测定路面舒适性指标，最常用的测试设备是车载式颠簸累计仪。
2.1 3m直尺
3m直尺是传统的路面平整度检测方法。其工作原理是：将3m直尺轻放于路面上，将画图仪移至其一端，用手将画图仪推向另一端，由画图仪下面的测轮带动画针上下运动，同时滚筒轮在输力轮的带动下旋转，并带动纸带移动两个运动的合成便使画针在纸带上画下了路面的几何量，然后由此求得路面平整度数值。该检测法适用于测定压实成型的路面各层表面的平整度，以评定路面的施工质量和使用质量；但由于其是非自动化的手工检测方法，精度不高、检测效率低，目前在我国公路现场平整度检测中已很少采用。
2.2 连续式平整度仪（又称“八轮仪”）
连续式平整度仪在测量时，由人或车拉动该仪器前进，由于路面不平引起测量小轮上下摆动，并带动位移传感器的测杆在传感器的小孔槽里上下滑动，然后根据传感器输出的电位的正负及其大小来确定路面平整度。该设备灵活性较大，适用于测定路表面的平整度；但其测试效率较低（检测速度≤12km/h），不适用于在已有较多坑槽、破坏严重的路面上测定。
2.3 车载式颠簸累计仪
车载式颠簸累计仪在测定时，测试车以一定的速度在路面上行使，路面的凹凸不平引起汽车的激振，通过机械传感器可测量后轴同车厢之间的单向位移累积值VBI，以cm/km计。VBI越大，说明路面平整度越差。该设备测定路面平整度速度快，操作简便，可用其检测结果评定路面的施工质量和使用舒适性。
3 激光平整度检测系统概述
3.1 激光平整度检测系统的工作原理
其工作原理为：采用激光传感器和距离传感器组合成惯性参照路面纵断面剖面检测系统，通过对应于轮迹为止的激光传感器测得距离路面的高度，随着车辆的行使可以得到路面纵向断面，即可计算纵向平整度，其中车辆振动带来的影响通过加速度传感器（对应左右轮迹各一个）记录数据的两次积分来扣除；惯性运动传感器可以反映水平纵向、水平横向和竖向的角度，扫描得到的数据经专业软件分析后可以输出各种评价指标，包括：国际平整度指标（IRI）、平整度标准差（σ）、观测打分值（RN）、行驶质量指数（RQI）等参数。本系统可在正常车速的条件下对路面进行长距离快速自动检测与现场计算机数据分析与评价。
3.2 激光平整度检测系统的优点
其优点有：检测速度快，是传统检测方法的几倍甚至是几十倍；可充分保证路面检测的高精度，其检测精度高达0.1mm，样点采集间距0.13mm，检测车速可达到80km/h，适用于高速公路、城市道路、机场跑道路面的建设、大规模公路路面病害数据采集等工作中；可直接检测和输出IRI值、行使质量指数、纵断面及几何参数，如坡度值、曲率半径或曲率数据等，且精确可靠；取消了人为操作，实现计算机自动化，更好地保证测试的精度和准确性；功能强，除可检测路面平整度外，还可用于测量路面纹理和车辙深度等。
4 激光平整度检测系统的可靠性试验分析
4.1 速度影响性试验
速度影响性试验是分析检测系统的速度稳定性，检验车速的变化是否会影响检测结果。在本次试验中，选择某路段(长约300m)，分别以30km/h、50 km/h、80 km/h的时速各进行两次平行试验，然后求得速度影响系数dv(dv=(IRIv IRI50)/IRI50×100%)，若dv＜5%，说明该检测系统的检测结果受车速影响很小，或可以说根本不受车速的影响。
4.2 重复性试验
重复性试验是为了检测系统在使用过程中的检测稳定性。在本次试验中，选择某路段（长约300m），以固定车速(一般为50 km/h)进行若干次平整度检测，然后应用计算软件计算出所得IRI值的变异系数CV，若CV<5%，则表明该检测系统的检测稳定性良好。
4.3 相关性试验
相关性试验是为了检验系统检测的准确性。在本次试验中，选择某路段（长约300m），采用经检验合格的标准仪器和激光路面平整度检测系统对该路段进行检测，然后将两者检测结果进行对比，若激光路面平整度检测系统和标准仪器采集的IRI值之间的相关系数R2≥0.98，则表明激光路面平整度检测系统相关性能良好，符合要求。
5 激光平整度检测系统的应用和检测结果
5.1 工程应用实例
某项目公路沥青路面的其中一个路段，全长约300m，设计车速为100km/h。在本次路段测试中，我们采用精密水准仪和激光平整度检测系统分别进行检测。首先，我们先采用目视法在该300m路段上确定了8 个路段；其次，采用精密水准仪在300 m的路段上每隔 250 mm 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；最后，采用激光平整度检测系统在300 m的路段上每隔 247 mm进行测试，然后取先后3 次测试的平均值作为测试结果。
5.2 检测结果
采用精密水准仪和激光路面平整度检测系统对同一段路面检测得到的路面相对纵断面曲线，其检测结果如图1和图2所示：
由图可知，采用两种检测仪器对路面平整度进行检测，其检测结果较温和，坑洼和凸起一一对应；而两者曲线局部的差别，主要是由于两者采样间隔不一致（精密水准仪每间隔 250 mm采 1个点 ，激光平整度检测系统每间隔 247 mm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。
而从这两种检测仪器的检测结果相比分析来看(见图3)，其存在着以下关系：
[IRIs] =0.97[IRIc]＋0.09
从两种仪器的检测结果对比而看，其相关系数为0.99，相对误差不超过4%，检测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。
6 结语
综上所述，激光平整度检测系统应用于高速公路沥青路面平整度的检测，其具有检测速度快、计算准确、数据采集和结果分析自动化等优点，且该检测系统的检测
结果不受车速影响，检测稳定性良好，检测结果准确。实践证明，该系统不仅适用于我国高等级公路路面的平整度检测，还可应用于我国公路的竣工验收和质量评价等，并有助于提高我国公路的检测水平，值得推广。
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