水泥混凝土路面平整度動態(tài)測量技術(shù)

陳新軒，楊雨薇，張清偉，徐中新

（長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064）

水泥混凝土路面平整度動態(tài)測量技術(shù)

陳新軒，楊雨薇，張清偉，徐中新

（長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064）

采用一種新的平整度測量裝置，測得路面在硬化過程中不同時間點的平整度情況，分析了平整度變化的成因，并對硬化后路面的整體平整度進行評價。該測量裝置可以準確地獲取路面的凹凸信息，既有利于缺陷定位，也有利于對硬化后的路面質(zhì)量進行評價，為水泥混凝土路面的質(zhì)量控制提供新途徑。

路面平整度；動態(tài)測量技術(shù)；硬化路面；質(zhì)量控制

0 引 言

路面平整度是行車舒適性和路面使用品質(zhì)的重要反映，它直觀地體現(xiàn)了材料的收縮變形性能、路基的平整度、施工機械的施工質(zhì)量以及離析控制等因素的綜合作用［1］。

水泥混凝土路面在硬化過程中，平整度是不斷變化的。對未硬化的水泥混凝土路面進行動態(tài)平整度檢測，可以快速確定平整度差以及波動大的位置，并及時通過人工或機械的方法修補缺陷部位，既降低了施工成本，又有利于提高通車后路面的平整度。本文采用一種新的激光測量平整度裝置，通過對水泥混凝土路面在硬化過程中平整度的波動情況進行測量，為路面的平整度檢測提供一種新的參考方法，同時為實際工程中的水泥混凝土路面的質(zhì)量控制提供借鑒。

1 工作原理與標定

圖1為激光測試系統(tǒng)，在測試區(qū)域內(nèi)，測量裝置上的激光器投射到被測路面時，會在路表面形成一條激光線，CCD攝像機拍攝到光條位置的圖像會根據(jù)被測物表面的凸凹變化而發(fā)生變化［2］。

圖1 激光測試系統(tǒng)

在測量系統(tǒng)中通過兩個事先放置的基準靶標建立系統(tǒng)的測量坐標系，以其中一個基準靶標上的點激光器為坐標原點，其投射方向為X軸，兩個激光器之間的連線為Y軸，垂直向下的為Z軸。測量時，基準靶標固定不動，這樣可以為測量系統(tǒng)提供統(tǒng)一的測量基準。在測量過程中，移動測量橋沿被測路面移動，線結(jié)構(gòu)光傳感器獲取整個路面的三維數(shù)據(jù)，即被測路面相對于移動測量橋單個測量位置處的Y軸和Z軸的坐標。移動測量橋上安裝有兩個激光測距儀，測量移動橋相對于基準靶標的移動距離，綜合計算，確定路表面數(shù)據(jù)X軸的坐標。該測量系統(tǒng)使用兩個基準線陣CCD和柱面成像棱鏡配合，激光器對兩個基準靶標上的點進行成像，可以補償橫向坡度引起的Z軸方向上的坐標偏移。

路面平整度測試儀如圖2所示，該測量儀器既可以測得水泥混凝土路面硬化過程中的平整度變化（路面的橫向變化量），也可以測得硬化后的路面平整度變化（路面縱向的變化量）。

圖2 路面平整度測試儀

在整個道路平整度測量系統(tǒng)中，需要使用多個線結(jié)構(gòu)光傳感器對整個測量系統(tǒng)進行全局標定。使用一個全局標定平板靶標，多次在攝像機視場內(nèi)任意擺放靶標，采集具有特征的點和光條的靶標圖像，并利用視覺標定技術(shù)獲取攝像機內(nèi)參矩陣A［fx，fy，cx，cy］，畸變系數(shù)為k1，k2，P1，P2，并得到每一幅靶標圖像的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。利用矩陣R的第三列（R3，R6，R9）作為法向量，與點（T1，T2，T3）確定靶標平面方程。

通過處理每幅靶標圖像中的光條，可以得到各光條點處的圖像坐標（u′i，v′i），根據(jù)畸變方程對這些坐標進行去畸變處理，就可以得到光條點處的理論成像位置（ui，vi）。求得每幅圖像的光條點的攝像機坐標（xci，yci，zci），對其進行PCA平面擬合。

2 橫向動態(tài)平整度測量試驗

2.1 試驗方法

試驗不宜選擇有較多坑槽和破損嚴重的路面，同時避免在彎道路面測量。試驗的主要內(nèi)容是：在水泥混凝土路面攤鋪結(jié)束后，立即進行平整度測量；將水泥混凝土路面分成2～5cm的單元塊，采用非接觸的測量方式，激光器應(yīng)保持距地面約10cm；在測量裝置上加鋪一個蓋子，確保激光鏡頭不會受到陽光的干擾；激光器在路面寬度范圍內(nèi)往復運動進行掃描，獲取路面凹凸的信息；儀器隨機選取500個點作為原始測量點，分別記錄攤鋪完成后1、2、3、4、5h的平整度變化情況，如圖3所示。

圖3 平整度變化情況

2.2 試驗結(jié)果分析

由圖3可知水泥混凝土路面硬化過程中不同時間采集的平整度變化量，通過線性擬合，得到擬合曲線和采樣數(shù)據(jù)點的方差。隨著時間的延長，平整度變化量逐漸增加，1、2h的平整度變化量的平均值超過了0.3mm；隨著路面逐漸硬化，平整度變化減緩，4、5h的平均變化量只有0.03mm左右；綜合前5h平整度變化的累積效應(yīng)，平整度變化量的平均值已經(jīng)超過0.45mm。從采樣數(shù)據(jù)方差變化情況可以看出，隨著時間的延長，平整度變化量方差逐漸增加，1～3h內(nèi)方差較小，表明此時間段內(nèi)各采樣點的平整度變化量一致性較好，波動較小。5h測得數(shù)據(jù)的方差達到最大值0.004 7，采樣點的平整度變化量呈現(xiàn)明顯的離散性；有的采樣點平整度變化量幾乎達到1mm，表明此處的平整度較差，宜采用拉麻或抹平等方式對其進行處理，提高混凝土塑性階段的平整度。

3 硬化路面平整度測試試驗

選擇一條沒有坡度的平直路面，保持兩個基準靶標不動，四輪儀上的兩個激光發(fā)射器所發(fā)出的激光打在靶標上方的毛玻璃片上，并據(jù)此來控制四輪儀的直線行駛。在行駛過程中需始終保持毛玻璃的激光點能垂直反射到安裝在四輪儀上的2個小玻璃片上。每隔1m采集一次平整度，并處理數(shù)據(jù)，分析平整度的變化情況。

圖4為平整度測量儀在走動過程中于不同位置測量得到的數(shù)據(jù)，通過二次曲線擬合，得到同一測量位置不同采樣點的平整度變化量的變化趨勢。由圖4可知，靠近兩側(cè)的采樣數(shù)據(jù)的絕對值較大，位置4處的最大變化量接近2mm。這主要是由于，靠近道路中央的路面只有混凝土本身沉縮變化，靠近道路外部則除了本身沉縮，還伴隨著向邊上的略微坍塌。同時可以看出，不同采樣位置處的平整度變化趨勢不盡相同，主要的原因有：一是混合料的級配不合理或者混合料在運輸和攤鋪過程中出現(xiàn)離析，影響混合料的和易性，導致混凝土路面各處的密實度不同，因此硬化過程中的收縮量也不同；二是滑模攤鋪機在攤鋪混合料的過程中履帶打滑、整機突然振動引起不同攤鋪位置平整度產(chǎn)生差異；三是路面基層不平會引起攤鋪厚度的變化，從而導致不同位置的收縮量不同；四是插入傳力桿會使砂漿被擠出，導致混凝土的骨架結(jié)構(gòu)被破壞，出現(xiàn)空槽現(xiàn)象，從而影響硬化后路面的平整度［3－7］。同一位置采集點獲得的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出明顯的波動性，有的采集點平整度變化量超過2mm，原因可能是在走動過程中試驗儀器輪子壓到小顆粒石子；或是由于路面清掃不干凈，在被測點處存在小石子；也可能是此處路面攤鋪后修補情況不理想。排除測量因素的影響后，宜利用磨石機或其他設(shè)備對平整度不合格的點進行修補，使平整度的變化量保持在較小值。

4 結(jié) 語

分析了一種新的平整度測量裝置測量系統(tǒng)的工作原理。該裝置通過CDD攝像獲取路面的凹凸信息；利用全局標定技術(shù)，對光條點處的圖像坐標進行畸變處理，以獲取路面的三維信息。

圖4 平整度測量儀走動變化量

利用新的平整度測量儀器，對水泥混凝土路面硬化過程中的平整度變化量進行了測量分析，試驗數(shù)據(jù)反映了硬化過程中平整度的變化規(guī)律。該裝置有利于對路面缺陷進行準確定位，及時對混凝土路面塑性階段的缺陷進行處理，可以達到提高硬化后路面平整度的目的，降低了工作強度和成本，為路面質(zhì)量控制提供了一種新途徑。

通過平整度測量儀對硬化后路面的整體平整度進行檢測評價，進行了硬化后路面的平整度測試試驗，分析了平整度變化的成因。平整度測量儀也可對路面缺陷進行定位，以便采用機器或人工手段進行快速修復，從而保證最終的路面質(zhì)量。

［1］周曉青，孫立軍，顏 利.路面平整度評價發(fā)展及趨勢［J］.公路交通科技，2005，22（10）：18－22.

［2］梁礎(chǔ)堅.路面激光平整度檢測系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.中國水運：下半月，2009，20（6）：215－216.

［3］趙 黽.瀝青混凝土土面層路面平整度的控制［J］.中國公路學報，1998（SI）：22－29.

［4］JTG E60—2008，公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程［S］.

［5］王宏偉，張國志.水泥混凝土路面不平整因素和提高平整度的工藝措施［J］.黑龍江交通科技，2004，27（8）：9－10.

［6］蔡正永，李世濟，牛開民.國外碾壓混凝土路面施工工藝及改善平整度的主要措施［J］.中國公路學報，1994（SI）：38－45.

［7］傅 智，杭伯安.高速公路滑模攤鋪水泥混凝土路面平整度研究［J］.公路，1997（4）：1－7.

Dynamic Measurement Technology of Smoothness of Cement Concrete Pavement

CHEN Xin－xuan，YANG Yu－wei，ZHANG Qing－wei，XU Zhong－xin
（School of Construction Machinery，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China）

A new smoothness measuring device was used to dynamically achieve the variation of smoothness of cement concrete pavement in the process of hardening.This device could get the information of road accurately，so it is in favor of getting the defect location and conducting quality evaluation of the hardened road.The device provides a new way of quality control of cement concrete pavement.

pavement smoothness；dynamic measurement technology；hardened pavement；quality control

U416.21

B

1000－033X（2015）08－0056－03

2014－12－30

［責任編輯：譚忠華］