水泥混凝土路面平整度动态测量技术

陈新轩，杨雨薇，张清伟，徐中新

（长安大学 工程机械学院，陕西 西安 710064）

水泥混凝土路面平整度动态测量技术

陈新轩，杨雨薇，张清伟，徐中新

（长安大学 工程机械学院，陕西 西安 710064）

采用一种新的平整度测量装置，测得路面在硬化过程中不同时间点的平整度情况，分析了平整度变化的成因，并对硬化后路面的整体平整度进行评价。该测量装置可以准确地获取路面的凹凸信息，既有利于缺陷定位，也有利于对硬化后的路面质量进行评价，为水泥混凝土路面的质量控制提供新途径。

路面平整度；动态测量技术；硬化路面；质量控制

0 引 言

路面平整度是行车舒适性和路面使用品质的重要反映，它直观地体现了材料的收缩变形性能、路基的平整度、施工机械的施工质量以及离析控制等因素的综合作用［1］。

水泥混凝土路面在硬化过程中，平整度是不断变化的。对未硬化的水泥混凝土路面进行动态平整度检测，可以快速确定平整度差以及波动大的位置，并及时通过人工或机械的方法修补缺陷部位，既降低了施工成本，又有利于提高通车后路面的平整度。本文采用一种新的激光测量平整度装置，通过对水泥混凝土路面在硬化过程中平整度的波动情况进行测量，为路面的平整度检测提供一种新的参考方法，同时为实际工程中的水泥混凝土路面的质量控制提供借鉴。

1 工作原理与标定

图1为激光测试系统，在测试区域内，测量装置上的激光器投射到被测路面时，会在路表面形成一条激光线，CCD摄像机拍摄到光条位置的图像会根据被测物表面的凸凹变化而发生变化［2］。

图1 激光测试系统

在测量系统中通过两个事先放置的基准靶标建立系统的测量坐标系，以其中一个基准靶标上的点激光器为坐标原点，其投射方向为X轴，两个激光器之间的连线为Y轴，垂直向下的为Z轴。测量时，基准靶标固定不动，这样可以为测量系统提供统一的测量基准。在测量过程中，移动测量桥沿被测路面移动，线结构光传感器获取整个路面的三维数据，即被测路面相对于移动测量桥单个测量位置处的Y轴和Z轴的坐标。移动测量桥上安装有两个激光测距仪，测量移动桥相对于基准靶标的移动距离，综合计算，确定路表面数据X轴的坐标。该测量系统使用两个基准线阵CCD和柱面成像棱镜配合，激光器对两个基准靶标上的点进行成像，可以补偿横向坡度引起的Z轴方向上的坐标偏移。

路面平整度测试仪如图2所示，该测量仪器既可以测得水泥混凝土路面硬化过程中的平整度变化（路面的横向变化量），也可以测得硬化后的路面平整度变化（路面纵向的变化量）。

图2 路面平整度测试仪

在整个道路平整度测量系统中，需要使用多个线结构光传感器对整个测量系统进行全局标定。使用一个全局标定平板靶标，多次在摄像机视场内任意摆放靶标，采集具有特征的点和光条的靶标图像，并利用视觉标定技术获取摄像机内参矩阵A［fx，fy，cx，cy］，畸变系数为k1，k2，P1，P2，并得到每一幅靶标图像的旋转矩阵R和平移矩阵T。利用矩阵R的第三列（R3，R6，R9）作为法向量，与点（T1，T2，T3）确定靶标平面方程。

通过处理每幅靶标图像中的光条，可以得到各光条点处的图像坐标（u′i，v′i），根据畸变方程对这些坐标进行去畸变处理，就可以得到光条点处的理论成像位置（ui，vi）。求得每幅图像的光条点的摄像机坐标（xci，yci，zci），对其进行PCA平面拟合。

2 横向动态平整度测量试验

2.1 试验方法

试验不宜选择有较多坑槽和破损严重的路面，同时避免在弯道路面测量。试验的主要内容是：在水泥混凝土路面摊铺结束后，立即进行平整度测量；将水泥混凝土路面分成2～5cm的单元块，采用非接触的测量方式，激光器应保持距地面约10cm；在测量装置上加铺一个盖子，确保激光镜头不会受到阳光的干扰；激光器在路面宽度范围内往复运动进行扫描，获取路面凹凸的信息；仪器随机选取500个点作为原始测量点，分别记录摊铺完成后1、2、3、4、5h的平整度变化情况，如图3所示。

图3 平整度变化情况

2.2 试验结果分析

由图3可知水泥混凝土路面硬化过程中不同时间采集的平整度变化量，通过线性拟合，得到拟合曲线和采样数据点的方差。随着时间的延长，平整度变化量逐渐增加，1、2h的平整度变化量的平均值超过了0.3mm；随着路面逐渐硬化，平整度变化减缓，4、5h的平均变化量只有0.03mm左右；综合前5h平整度变化的累积效应，平整度变化量的平均值已经超过0.45mm。从采样数据方差变化情况可以看出，随着时间的延长，平整度变化量方差逐渐增加，1～3h内方差较小，表明此时间段内各采样点的平整度变化量一致性较好，波动较小。5h测得数据的方差达到最大值0.004 7，采样点的平整度变化量呈现明显的离散性；有的采样点平整度变化量几乎达到1mm，表明此处的平整度较差，宜采用拉麻或抹平等方式对其进行处理，提高混凝土塑性阶段的平整度。

3 硬化路面平整度测试试验

选择一条没有坡度的平直路面，保持两个基准靶标不动，四轮仪上的两个激光发射器所发出的激光打在靶标上方的毛玻璃片上，并据此来控制四轮仪的直线行驶。在行驶过程中需始终保持毛玻璃的激光点能垂直反射到安装在四轮仪上的2个小玻璃片上。每隔1m采集一次平整度，并处理数据，分析平整度的变化情况。

图4为平整度测量仪在走动过程中于不同位置测量得到的数据，通过二次曲线拟合，得到同一测量位置不同采样点的平整度变化量的变化趋势。由图4可知，靠近两侧的采样数据的绝对值较大，位置4处的最大变化量接近2mm。这主要是由于，靠近道路中央的路面只有混凝土本身沉缩变化，靠近道路外部则除了本身沉缩，还伴随着向边上的略微坍塌。同时可以看出，不同采样位置处的平整度变化趋势不尽相同，主要的原因有：一是混合料的级配不合理或者混合料在运输和摊铺过程中出现离析，影响混合料的和易性，导致混凝土路面各处的密实度不同，因此硬化过程中的收缩量也不同；二是滑模摊铺机在摊铺混合料的过程中履带打滑、整机突然振动引起不同摊铺位置平整度产生差异；三是路面基层不平会引起摊铺厚度的变化，从而导致不同位置的收缩量不同；四是插入传力杆会使砂浆被挤出，导致混凝土的骨架结构被破坏，出现空槽现象，从而影响硬化后路面的平整度［3－7］。同一位置采集点获得的数据呈现出明显的波动性，有的采集点平整度变化量超过2mm，原因可能是在走动过程中试验仪器轮子压到小颗粒石子；或是由于路面清扫不干净，在被测点处存在小石子；也可能是此处路面摊铺后修补情况不理想。排除测量因素的影响后，宜利用磨石机或其他设备对平整度不合格的点进行修补，使平整度的变化量保持在较小值。

4 结 语

分析了一种新的平整度测量装置测量系统的工作原理。该装置通过CDD摄像获取路面的凹凸信息；利用全局标定技术，对光条点处的图像坐标进行畸变处理，以获取路面的三维信息。

图4 平整度测量仪走动变化量

利用新的平整度测量仪器，对水泥混凝土路面硬化过程中的平整度变化量进行了测量分析，试验数据反映了硬化过程中平整度的变化规律。该装置有利于对路面缺陷进行准确定位，及时对混凝土路面塑性阶段的缺陷进行处理，可以达到提高硬化后路面平整度的目的，降低了工作强度和成本，为路面质量控制提供了一种新途径。

通过平整度测量仪对硬化后路面的整体平整度进行检测评价，进行了硬化后路面的平整度测试试验，分析了平整度变化的成因。平整度测量仪也可对路面缺陷进行定位，以便采用机器或人工手段进行快速修复，从而保证最终的路面质量。

［1］周晓青，孙立军，颜 利.路面平整度评价发展及趋势［J］.公路交通科技，2005，22（10）：18－22.

［2］梁础坚.路面激光平整度检测系统的应用［J］.中国水运：下半月，2009，20（6）：215－216.

［3］赵 黾.沥青混凝土土面层路面平整度的控制［J］.中国公路学报，1998（SI）：22－29.

［4］JTG E60—2008，公路路基路面现场测试规程［S］.

［5］王宏伟，张国志.水泥混凝土路面不平整因素和提高平整度的工艺措施［J］.黑龙江交通科技，2004，27（8）：9－10.

［6］蔡正永，李世济，牛开民.国外碾压混凝土路面施工工艺及改善平整度的主要措施［J］.中国公路学报，1994（SI）：38－45.

［7］傅 智，杭伯安.高速公路滑模摊铺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

［责任编辑：谭忠华］