（生物医学工程专业论文）路面缺陷的自动分析系统.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h e s i st i t l e ：s t u d ya n di n v e s t i g a t i o nf o ra u t o m a t i o np a v e m e n td i s t r e s si n s p e c t i n gs y s t e m a u t h o r ：h a n gw e i p i n g t h e s i ss u p s - v i s o r ：p r o f e s s o rl u ol i m i n s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , d o m e s t i ct r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r yh a s a t t a i n e dp r o m i n e n ta c h i e v e m e n t sa m o n gw h i c ht h et o t a lm i l e a g eo fh i g h w a yh a sa t r e a d yr a n k e d s e c o a di nt h ew o r l d i ti s n e c e s s a r yt ou p g r a d et h ep a v e m e n ts u r f a c ed e t e c t i n gt e c h n i q u e g e n e r a l l y8 , 0t h a ts u c hn u m e r o u sh i g h w a yr 1 疑；c l 玎c 铭a l em a i n t a i n e dp r o p e r l y b u tt h ec o l l e c t i o n o fp a v e m e n td a t ai sm a i n l yi n s p e c t e db yp e t s o n sv i s u a l ，a n dt h i si n s p e c t i n ga p p r o a c hi sv e r y c o s t l ya n dd a n g e r o u s t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt oe x p l o i tp a v e m e n td i s t r e s si n s p e c t i n gs y s t e m a n dc a r r yo i lt h es t u d y0 1 1p a v e m e n td i s t r e s sa u t o m a t i ci n s p e c t i o n s ，1 1 l i st h e s i si n v e s t i g a t e st h ea p p l i c a t i o no ft h ea d v a n c e dd i g i t a li m a g es y s t e mi i la s p h a l t e x p r e s s w a yp a v e m e n tt e s t h o w e v e r , b e c a u s eo fh i g h w a yp a v e m e n ti m a g e s c o m p l e x i t ya n d d i v e r s i t y , a n da l s od i s t r e s si n f o r m a t i o n sw e e k - s i g n a l i ti sn o te a s yt og e te f f i c i e n td e t e c t i o n a l g o r i t h m s l o t so fa l g o r i t h mo fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gi sa n a l y z e ds u c ha st h ee f f i c i e n t p r e - p r o c e s s i n ga l g o r i t h mo fh i g h w a yp a v e m e n ti m a g ew h i c hi n t e g r a t e sm a n i f o l dt e c h n o l o g i e so f i m a g ee n h a n c e m e n ta n dg r a ys c a l ei m a g ep r o c e s s i n g ，t h ew a y so fb i n a r yi m a g ea n db i n a r yi m a g e p r o c e s s i n g ，al a r g en u m b e rc l a s s i c a la l g o r i t h m so fe d g ed e t e c t i o na n db pn e u r a ln e t w o r k m e t h o d t h em u l t i - f i tm e t h o de x t r a c t sp o s s i b l ec r a c kp o i n t so fi m a g eb l o c k s ，f u s i n gt h er e s u l t so f s e v e r a lo v e r l a pw i n d o w sc a ng e tt h en e a r l yi n t a c tc r a c ko b j e c t b e i n gt e s t i f i e db ys i m u l a t i o na n d t y p i c a ld a t a ，t h es e r i e so fp a v e m e n td i s t r e s si n s p e c t i n ga l g o r i t h m sa l ep r o v e dt ob ef e a s i b l ea n d e f f e c t i v e h e n c e ，t h e yc a l lb ea p p l i e dt oa u t o m a t i o np a v e m e n td i s t r e s si n s p e c t i n gs y s t e m sa n d s o m eo t h e rs i m i l a rs t u d i e s k e yw o r d s ：p a v e m e n td i s t r e s si n s p e c t i n g ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ；e d g ed e t e c t i o n ； b pn e u r a ln e t w o r k ；m i n i m u me n c l o s i n gr e c t a n g l e ；m u l t i - f i t ；f r a m e w o r kd i s t i l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：e t 期d p = _ 专j 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 翩繇母斑r 1 1 课题研究目的与意义 第1 章绪论 “人道南北出，乍轮无停日”，人类社会的生存与麓展r i6 以米就与交通条什紧密相 关。其中，公路交通是妊j - 泛、最基本的交姬运输方式，是国比经济赖以拄展的重要基础 设施。截至2 0 0 7 年底，我国公路逋下总里程逃3 5 73 万公里r 其中高速公路53 6 万公里”， 仅次于美国位居世界第二位。与此同时，总规模约3 5 万公里的“五纵七横”国道主干 线系统己基本贯通，比原规划提前了1 3 年。高速公路呵的发达、畅通程度直接影响着我国 社会主义社会的发展和经济的腾e 。 乍 孝 氯 乏 苷 蠹 岛 趟 奄 9 9 11 9 9 ：j1 9 9 51 9 9 71 9 9 92 0 0 12 0 9 3 2 0 0 5 年份 图1 - 1 我国高速公路里程数发展情况 我国的公路交通事业止处r 一个高速发腱的时州， ( 址倒l - 1 ) 在新建、故扩建人培 公路尤其高等级公路的同时，对己建成公路进行养护带理、踏况监测、数据采集也成为一 个重要问题。公路路面病害，不仅影响运行车辆的舒适应，甚至会直接威胁乍辆的行使安 全。 i = l 此各种病害的检测是制定公路葬护计划的重要依据。 近年来，变通部结台国内情况引进了系列公路路面数据检测瑷备如：落锤式弯沉 仪( f w d ) ，激光断而仪探地雷逃，交通自动1 t 录仪等，川r 路面数据的r i 动采粜“。 但是在公路路面数摧中竹常哐妥的一个指标路【n i 舭损谊删仍上婪采】h 人i 恃删。人 i 捡洲费时费力、效率低，乩审外操作也不安全。同时，人i 检洲茹受检测人员人为闪豢 干扰+ 不利r 对路耐破损状0 0 进 r 客观平准确的评价。 錾r 拦像处理的公路啼m 并检测技术己经越米越受训人刑f n 重视实践址叫这种技 术满足现代公路养护管理的需监，是术米公路路面检测挫术f j 发展方向。辟l 此结台数字 h 像处理技术开发高渍、快述、准确的路面破损检j 则系统时提高我国高速公路路面养 护管理水平具有重要的现实愚义。 东南人学坝f j 学位论义 1 2 路面缺陷检测相关技术发展状况 1 2 1 国外相关研究工作介绍 上世纪8 0 年代以来，随着高速公路建没的高峰出现，对路面缺陷的自动检测的相关研 究得到越来越多的重视，涌现出一批利， j 摄像机米开发路面缺1 5 f j 的自动采集系统。如美国 e t c 公司的p c e s 系统、瑞典i m s 公司的p a v - u e 系统、日本的k o m a t s u 系统等。不过当 时由于技术的局限性导致系统的功能并不是很完善，并且各个系统的r 作原理也有所不同。 1 2 1 1 日本k o m a t s u 系统 日本的k o m a t s u 系统( 见图1 2 ) 研制于上世纪8 0 年代末，该系统利用车载的激光光 源向路面发射激光，通过接受从路面反射回来的光线强度来判断路面有无裂缝出现，即传 感器中光电倍增管的输出电压的变化对应着路面平整度的改变。图像数据由安装在检测车 前部底端的摄像机采集，存储于高密度磁带中，供系统离线处理。k o m a t s u 系统采川多处 理器并行处理，最后得到路面裂缝信息的宽度，长度，数量等参数。并进一步对相近的裂 缝段进行连接合并，以呈现出最终完整的裂缝信息。不过该系统只能在夜间l 作，车速也 限制在l o k m h 以内，影响了其l ：作应刚中的灵活性。p j l a s e r t u b es i t i t m jp i e 静i h d v r r c t a c 疑m gl o a l f l = t u d | f ：o 筘t o “o 图1 2 日本k o m a t s u 系统示意图 1 2 1 2 美国e t s 公司p c e s 系统 上t i j = 纪9 0 年代初，美国e t s 公司研究开发了p c e s ( p a v e m e n tc o n d i t i o ne v a l u a t es y s t e m ) 系统，在采集图像方面首次采 jj ，线阵士j 描摄像系统。陔系统测试下链夜均可1 ：作，乍速 最高 i j 达1 0 0 k m h 。不过为了任 l - 常乍速卜- 捕获路面蚓像，线描摄像系统比传统的i 硎缉 扫描摄像系统需要更高亮度的光，该强光艮时间照射可能会破坏沥青路面的结构。 p c e s 系统在初步研制完成，彳，鉴丁当时的图像处理技术| i 够成熟，及软硬件f 内兼容 性等问题，e t s 公司并没有对其进行斤继的开发利投资，冈此该系统最终没有能够走向市 场。但p c e s 系统仍然为斤而的发展做出丫其特殊的贞献。1 4 j 2 靖l f 绪论 1 2 1 3 瑞典i m e 公司p a v u e 系统 p a v l i e 系统( 见幽1 - 3 ) 由瑞典i m e 公司 f 瑞姐皇家技术 院r 上世纪9 0 年代中期 兆同研制开发。该系统分为数据采集系统和离线处理系统。采集中后部1 ：顺宜犍了4 台摄 像机，川以提高幽像的解析度。每个摄像机摄录范用覆靠路面宜应的】4 ，搬录的幽像解 像度这1 4 0 0 像素每个下道宽度。由1 摄像机的拍摄迪膻较高，使得测试乍i 作时的述度 最高可以逃划9 0 k n v h ，井能保证摄像的连续和在纵横方向取得敢的解折度。另外，往1 尾的底韶还外增加了补光系统h 队提高图像的质埘。 1 m e 公司白行设计了图像处理系统，利刚1 2 个不同的v m e 芯片构成了幽像处理系统 的核心全部p a v u e 处理系统包括8 0 个微处理嗣吕，井且图像处理软件l 卦化在硬件中以提 高处理的速度。数据和结果依次进入不同的序列处理单元，最后形成路面病害分析幽并 将其以模拟格式存储到s - v h s 磁带上”j 。 图1 3p a v u e 系统示意图 经过近二十年来的不断发展，c c d ( c h a r g e c o u p l e d d e v i c e 电荷耦台器件) 从实验室 阶段研究迅速走向市场，取得惊人的戍州成就。c c d 摄像机具有较高的动态范围、分辨率、 灵敏度，且配有专fj 的电子快门可明于动态场景幽像采集。伴随着计算机辅助酗像处理技 术的发展，c c d 摄像机可以通过图像采集卡与计算机2 间进行高速的数据传输，以达到实 时显示，存储以及处理。并且，采删d s p 技术的c c d 摄像机可以通过逆光的背景补偿的 实现，白平衡的自动跟踪等一系到处理步骤提高数字化图像的清晰度和分辨率。目前，由 于计算机硬件发展的突e 猛进，实现高性能c c d 摄像机系统的成本已经犬人降低。阿此， 在路面缺损自动检测系统的开艘中c c d 技术和计算机数字幽像处理技术等到了广泛的应 用。 典型的有美国d y a a t 嚣t 公司开发的d h d v ( d i g i t a l h i g h w a y d a t a v e h i c l e ) 系统、澳人 利弧c s i r o 实验室研究开发的r o a d c r a c k 系统、澳人利丽公路集团有限公司( a r r b ) 开 发的h a w k e y e s e r i e s 路面信息检测乍、加拿人r o a d w a r e 公司研制的a r a n 多功能道路检 测乍等。 1 21 4 美国d y n a t e s t 公司d h d v 系统 美国d y r t a t c s t 公司研制山，一垂实时路面裂缝测精系统d h d v ( d i g i t a l h i g h w a ) ，d a t a v e h i c l e ) ( 见斟1 4 ) 井提出，一系刈划像处理的升行算法以及提供了慢朴实现的平台。 系统由宜驻在测试下上的c c d 擞像机获得路面破损例像麻川g p s 系统对裂缝进 一定位 再通过距离测量装置( d m i ) 采集距离信息。该酗像处理的堙川系统基于一个辟通的多处 理器平台，一个般c p u 的微处理器米【| 5 集这些数据，井实时地传输刮个多c p u 的计算 机进行破损分析。该系统集成r 数字幽像采集和数宇图像处理模块，使得监测午能够在止 常速度行驶的情况f 进彳了路晰缺陷信息的数据采集以及h 像咀刖与分炎 超级计算机的辅助所以对世什的要求比较高“。 圈1 4d y n a t e s t 公司开发的d h d v 系统示意图 图1 5 a r a n 多功能逋路柱测车示意图 圈1 书r o a d c r a c k 系统示意图 1 215 加拿大r e a d w a r e 公司a i n 系统 加拿大r o a d w a r e 公司研制并开发了a r a n 多功能道路测试乍( 见图1 - 5 ) ，井为其配 备了数据采集、破损识* u _ i 破损分类二个子系统，使a r a n 成山了一套模块化的数据采集 平台。a r a n 使州多台13 8 0 ； 1 0 3 0 以t 像索的摄像机进行路况摄像和1 1 3 9 2 1 0 4 0 以上像 素的路面摄像。安装在伸缩息臂上的高速摄像机可住止常 ，驶进度r 记录清晰、连续，无 重叠和高对比度的15 m 4 m 的路面蚓像。成像系统可以根据 j 驶速度，自动选取肖前幽 像帧中适当的部分，重叠的部分将被舍弃。同时，由r 系统使川r 高强度的，同步的闪光 灯，即使在明亮的饵1 光f 也能消| ；5 ：树小、桥梁、隧道或其它j 。方物体的阴影。田此在理论 上即使缺少自然光的照明，a r a n 多功能道路检测下仍可采集路面幽像f j 。 2l6 澳大利砸c s i r o 室验室r o a d c r a c k 系统 r d c r a c k 系统( 见幽1 - 6 ) 是由躞人利研c s i r o 实验室经过多年研究开发的新一代 道路破损检测系统，采川了数字线扫描摄像机作为采集系统。该系统的数据采集设备安装 在车底盘上拍摄速度每秒可选2 7 0 0 0 帧，且安装了特殊的高质域反光装置，从而保、证了 乍辆高速行驶时，数码摄像机可以止常拍摄路面信息。该系统可以检测再种路面裂缝，速 度最高可选1 0 5 k m h 检测裂缝宽度撮小玎选l m m 。c s i r o 实验生开笈了一套数字削像处 理算法并提供了相应的硬什平台川以支持监测乍在行驶的过程中实时处理分析路面缺陷。 并且该系统也支持通过自身提供的光源，在瘦间进行路面检测i 作9 ) 。 。 图1 7 a r r b 公司h a w k e y e2 0 0 0 s e r i e s 示意图 1 2 】7 澳太剩砸a r r b 公司h a w k e y e 系统 澳大利亚a r g b 公司最新的h a w k e y e 2 0 0 0s e r i e s ( 见幽】7 ) 是一套专业片i 于路面信 息检测的模块化系统，井具有优异的升级扩展性能。该系统义多个可选于系统有机构成， 包括视频采集模块、d p 模块、g p s & d g p s 模块，软硬什模块等，其中g i p s i - t r a c k 模块 用于通过收集g p s 数据分析整理山整个高谜公路的信息。h a w k e y e2 0 0 0s e r i e s 路面检测车 最终提供的调弃结累包括病害经纬度路面平整度，纹理分析，病害面积缺陷分级等共 1 2 个参数指标。这是在前面的报多系统的基础之上的次更加深入的技术尝试，该系统为 路面缺陷 1 动检测领域的发展做山了强多新的突破。 1 2 2 国内相关研究工作介绍 伴随着我国经济的稳步迅速发j 拉我们住路基、路面敬计、旌i ：、管理上取得了k 足 进步。但是从全社会对建设质堵的要求来看高速公路建跛出存在一些不理想的地方。其 中，高述公路i j j 青路面早期破损问题，已成为影响我国公路健康发展的突出矛盾。我国在 公路路面破损白动检测的相戈领域虽然起步比较晚，但由1 ：，h 场的需求空缺较大以及进口 设备的价格昂贵，国内一些研究机构通过不懈的努力，最近儿年米也相继取得了一系列显 著的成果。 1 2 21 南理工路面状况激光三维智能检测车 南京理1 人学的贺安2 、徐友f 苷兆同研制出了“路面状况激光= 维智能检测下”，其 中争利“路面瘸害仪”由对路面近币直j ! f 明片光源与线阵c c d 探删器构成。巾辙0 路形断面 仪由一个或一组对路面小角度照明的片光源与面阵c c d 探测器组成。本系统实现了高速 检测，能仃散消除乍体振动埘平糌皮及乍辙测姑的影响同时给路面的_ 三维彤貌与平牿 度、干辙，纹理* 土耍参数荆裂缝，坑褙等病害的三维数据。平帑度检测精度逃01 毫米， 车辙及路面变形检测精度达1 遑米，裂缝检测精度2 毫米。n 1 l 222 武太卓越z o y o n r t m 智能道路检测车 武汉武大卓越( z o y o n ) 科技有限责任公司开发的z o y o n - r t m 智能道路检测车( 见 圈1 - 8 ) 集成和廊川了现代信息技术，以机动车为平台将光电、r r 和3 s 技术集成一体。 该系统采州了人功率激光辅助测站光的线结构光扫描仪，生成了数字高程模型，保证了全 天时条什f 的4 m 午道l m m 精度的1 。辙测草。往乍辆正常行驶状态f ，能自动完成道路路 面图像、路面形状、道路吐施幽像、平转虚及道路参数等数据采集、分析、分类与存储。 图1 8z o y o n r t m 智能道路检测车示意图 1 22 3 江苏省交科院路面表面破损自动采集分析系统 江苏省交通科学研究院研制开靛的路面表而破损自动采集分析系统( 见圈1 - 9 ) 是将 计算机信息技术、数字幽像采集存储技术、高频闪光灯技术、距离定俺技术结台为体的 路面破损检测设备，能够替代传统的人i 目测方式对路面表面破损进行高教地检测。 路面表面破损口动采集分析系统包括r i 动采集子系统和分析评价f 系统两部分组成。 自动采集子系统能够以不低r7 2 k m h 的速度对检测路段进行路面幽像采集可咀设定图 像采样间隔。由丁配需了照啊设蔷系统可咀在再种光线条什f 对路面进行酎像采集图像 分辨率为1 2 9 6 1 0 2 4 ，对裂缝的最小l 州凡寸为2 r a m 。分析评价于系统能够对路而幽像 进行自动识别，先剔除凡部分没有破损的路面图像，以减轻j 亓期人i 。破损识蹦的i 怍茸。 n 动识别的柏 榆率低丁0 0 5 误榆率低丁00 4 。 图1 - 9 江苏省教科院路面表面破损自动采集分析系统检测车 第l 章绪论 通过对国内外相关研究i ：作发展状况的分析，我们可以发现利用高速c c d 采集路面 图像数据，并基丁数字图像处理方法的路面缺陷自动检测系统已经成为该领域的主流研究 方向。并且伴随着计算机硬什的1 5 i 速发展，传感器技术的日新月异，以及各种快速算法的 涌现，路面缺陷臼动检测的发展前景将更加j “阔。但同时我f f j 也发现不少问题依然没有得 到完满的解决，如系统对病害信息的精度，自动检测设备的实时性，g p s 网络定位支持的 稳定性等等。因此我们仍需要对已有的方法进一步分析总结，在此基础上开发研究出更高 效更有实朋价值的图像检测分析算法。 1 3 本文研究工作的安排 本文的研究工作是在与我校交通学院的合作之下开展的，具体内容安排如下： 第l 章绪论，介绍本文的研究背景、研究意义，对比分析国内外沥青公路路面破损检 测技术的发展情况； 第2 章主要介绍沥青公路路面破损的相关知识，详细说明了路面破损的类型，几种常 见的裂缝病害的成冈、特点及危害，以及路面破损状况的评价方法和路面状况指数p c i 的 计算方法； 第3 章通过对路面图像采集原理的介绍，分析路面图像的特点，提出相应的灰度校正、 几何校正算法对图像进行预处理。在此基础之上进行了经典的边缘检测算法对路面缺陷进 行目标识别的研究1 ：作； 第4 章提出了一种基于晟小外接矩形的多级拟合算法，通过对裂缝区域最小外接矩形 的本身特点，以及一对最小外接矩形之间关联度的研究，对伪裂缝段的筛选和裂缝段的连 接合并起到了较好的实验结果。然后进一步对裂缝区域进行细化和曲线拟合处理，以提取 裂缝信息的骨架； 第5 章利刚基于b p 人工神经网络的子块图像分类方法对路面缺陷图像进行分析，设 计了基tb p 人：i ：神经网络的子块图像模式分类器，利用于块图像模式分类结果所组成的 矩阵作为路面破损图象分割结果； 第6 章总结与展望，主要对全文的研究内容作以总结，对下一步的研究工作提出建议。 7 第2 章沥青路面缺陷分类及。l 生能评价 我国高速公路的主要路面结构形式为沥青路面，具有地质条件适应性强、行车舒适、 维护方便等优点。沥青路面主要分为三种类裂：半刚性基层沥青路面，水泥混凝土路面， 刚性组合式路面。其中以ti 习i j 性基层沥青路面为主，约占总数量的7 5 。 伴随着时间的推移、交通量的增长以及自然环境的作用，高速公路路面在使用的过程 中会出现不同程度的老化、损坏现象，降低了自身的使j 【 j 性能。而我们利用数字图像处理 的方法进行路面缺陷的分析研究，首先需要理解沥青路面的各种破损产生的原因并合理地 对它们进行分类，以便可以更好的评估和检测路面缺陷。这样才能使高速公路处于良好的 技术状态，确保道路使用者出行的快速、舒适和安全。 2 1 沥青路面缺陷分类及成因 沥青公路路面的破损情况冈路基路面的类型、地区、气候和交通等差异而不同。从大 的方面可分为结构性破损和功能性破损两大类。结构性破损是由于路面各层的承载能力降 低引起的，反映在路面上往往是裂缝；功能性破损是由于路面提供给道路用户的服务能力 下降引起的，反映住路面上则是平整度降低和车辙加深。 2 1 1 结构性破损的分类与成因 结构性破损是由于路面各结构层的承载能力不能抵抗现有行车载荷的反复作用，而产 生路面结构整体性破坏。沥青路面开裂是国际上最普遍的损坏现象之一，只不过是裂缝发 生的甲晚多少及裂缝的类型有所不同。根据我国交通部2 0 0 2 年最新发布的高速公路养护 质量检评方法( 试行) ，常见的结构性破损有龟裂、块状裂缝、纵向裂缝和横向裂缝等， 路面结构性破损的分类及分级指标见表2 1 所示。【l l 】 表2 1 路面结构性破损的分类及分级指标 类型分级外观描述分级指标 轻初期龟裂，缝细，无散落，裂区无变形 块度： 2 0 5 0 c m 龟裂 巾 裂块明显，缝较宽，散落或轻度变形块度： 5 m m 轻 缝肇无散落或轻微散落，无或少支缝缝觉： 5 m m 横裂 重 缝譬散落多，支缝多缝觉： 5 m m 2 1 1 1 纵向裂缝 与路面行下方向平行的裂缝称为纵向裂缝( 见图2 1 ) 。由于我国路面的沥青层较薄， 8 第2 十膏路血趾陷 * 性能h 价 高述公路洳卉路的纵向裂缝* 遍，其上要原田是路面承载能力不足导致路基软化从 而产生路面的结杜j 性损坏。具体原| = 【义分为以r 三个方面： 地基原冈 有些路段处丁r 陵低洼、河谷处，地基十沃然含水鲑较高，在设计及施i ：时术做处理 住高填十后，山丁地基承载能力的差别出现不均匀沉降，造成路面纵向开裂。 f 2 1 路基施l 原冈 如果十基施1 时天气干燥，局部路堤填抖十块粉碎不足，路基压实不均匀，暗埋式构 造处冈杜j 遗物k 度限制，路基边缘不能超宽碾压，致使路基边缘压实度不够，或者混合料 摊铺时纵向施j 搭接质繁不好，都会造成纵向裂缝。 ( 3 ) 水的渗透破坏 中央分隔带、路表、地坡等渗水，使局部路基受水浸泡后承载力值降低，在动静荷载 的作埘f ，路基滑动产生裂缝，另外填料若为弱嘭胀七，如施工中术做处理渗水后含水 封变化，也会导致裂缝产生。i l “ 闰2 1 纵向裂缝示意固 2 i 1 2 横向裂缝 图2 - 2 横向裂缝示童图 横向裂缝( 见图2 - 2 ) 是由于在寒玲季1 ，气温骤降和反复的温度变化后冈疲劳而产 生的温缩裂缝，以及、n 刚性基层的干缩和玲缩开裂造成的沥青路面的反射性裂缝，或者两 者综合作川产生的裂缝。其具体成田有以r 三个方面：【i “ ( 1 ) 材料收缩引起横向裂缝 一方面在基层成型过程中田基层材料失水收缩而形成规则的横向裂缝，另一方面基 层材料冈温度墀降而发生低温收缩开裂。这两种收缩变形使面层底面承受拉力当拉力超 过沥青面层的抗拉强度时就使沥青面层底部拉裂，并随着温湿的循环变化及行车荷载的反 东南人学啦l 擘位论女 复作h 而导致i ! j j 青面层低面裂缝。 ( 2 ) 洲青及混凝十的温缩引起的裂缝 闪沥青是一种对温度变化比较敏感的粘弹性材料，温度f 降时，澌青捏合料逐渐变硬 变脆，并发生收缩变形当收缩拉席力超过洲青渑凝士的抗拉强度时，青路面表面就会被 拉裂，r 逐步向r 发展，形成上宽f 窄的横向裂缝，这种温缩裂缝在北方温差较大地区初 冬一般宽度为3 5 m m ，到严冬可加宽到l o n m l ，晟宽达到2 0 m m 而到春季则x 缩同。 ( 3 ) 幕异沉降引起的横向裂缝 在软十地基与非软土地基交界处、软土地基处理方法变化处或构造物台背与路段交接 处，固地基蠛路基与构造物差异沉降导致基层开裂，并反射到沥青面层，形成横向裂缝。 2 1 1 3 龟裂 在重复的运输载荷作用f ，沥青路面表面会产生疲劳破坏，形成一系列多边形小块组 成的阿状开裂，它的胡始形态是枯轮迹带出现单条或多条平行的纵缝，进一步破坏造成纵 缝问出现横向和l 斜向小网格式的网状裂缝。由于其形状娄似乌龟背壳，故称为龟裂( 见剧 2 - 3 ) 。通常是由丁路面整体强度不足。基层软化，稳定性不良等原因引起的。其具体成因 订以f j l 个打面： ( 1 ) 基层质措差 由r 碎t l 、r 刚性基层的整体强度与材料、拌和、摊铺、养生等多种因素密切相关，任 何一个环节出问题均会影响整体结构导致半刚性基层局部强度不足而引起沥青面层开裂。 雨水从裂缝浸入，并渗入到基层表面，使基层表面被泡软。在汽乍荷载反复作用下，粉浆 i 臣过面膳裂缝及空隙被乐到表面产生唧浆，基层表面被逐步掏空使沥青路面面层产生龟 裂、沉陷进而形成坑梢。 ( 2 ) 施i 陋l 素 施i ：质埘直接影响裂缝的产生，特别是备结构层的压实度是控制裂缝产生的重要技术 要求。压宴度空就可保证稳定性。排水性能盘：f _ ，面层接缝处理优良，也是保证不发生龟裂 的前提条件。 f 3 1 汽乍超载 由丁交通荷载作柱生疲劳破坏。目前，汽车超载情况非常严重，有些运输个体户以 增加钢板弹簧片数、或加高车辆栏板、或加大1 ：轮规格等方法来提高车辆的装载能力。 ( 4 】由1 。i l ：l j 青砼老化或收缩引起面层老化。 ( 5 ) 由丁路面局部开裂进而发展形成龟裂。 网裂的处沂方法如f ：对丁轻微网裂可件j 玻璃纤维布罩面。对丁人面积的网裂、常加 铺乳化澌青封层或在补愠基层后，再重新罩面，修复路面。i l ” 图2 - 3 路面龟裂示意图 蚺2 帝j l i 青路咖缺陷5 类世性能w 忻 2 1 14 块状裂缝 路面上产生的不规则人刚格式嘲状裂缝，裂缝间距大小相近，裂块的网格在形状和尺 寸上部有别r 网状裂缝。 j j j 青路面产生裂缝后，雨水将不断从裂缝渗入基层，块状裂缝路 面承载力进一步f 蹄，使路面损蜘、程度逐渐加人。块裂逝常发生在路面较人的范围内，但 有时也只山现在没有交通负载的位置上。2 1 l j 青路面老化变脆，也会艟展成块状裂缝。2 1 图2 4 块状裂缝示意囤 2 1 2 功能性破损的分类与成因 所谓功能性破损一般指基于表面性的一些易于辨认的缺陷，功能性破损在我们国家的 高速公路建设中相对下结构性破损的比例要略少，但其对国家交通安全所产生的危害却是 不容忽视的。根据我国交通部2 0 0 2 年是新发布的高速公路养护质量检评方法( 试行) ， 常见的功能性破损有坑槽、松散、沉陷、车辙、波浪拥包、泛油等，路面功能性破损的分 类及分级指标见表2 - 2 所示。 表2 - 2 功能性破损的分娄殛分级指标 类掣分类外观描述分级指标 轻坑浅，面税较小坑深2 5 r a m 坑槽 重坑深面稍较大坑深 2 5 r a m 轻 细集料散失，路表粗麻 橙散 重细集科散失表面剥落 轻深度浅，行车无明显= _ l ：适感深度2 5 r a m i 冗陷 重深度深行车明显不适癌 深度 2 5 一 轻变形较浅 * 度2 5 一 车辙 重变形较深 深度 2 5 r a m 轻波峰波谷高芹小深度2 5 r a m 渡7 捌包 重波峰波谷高蔗大 深 2 5 一 泛油 路表旱现沥青| 睫，有轮印 f 面主要介o j t ) l 种足常见的功能性破损： 1 3 1 隶南人学$ ll 学位论空 乍辙、拥包等流动变形损坏当高速公路卞辆渠道化以j 亓t 乍辙( 见糊2 - 5 ) 逐渐成为 土要病害。由r 我国泞遍采h # 刚性基层洳青路面的结构，基层本身的变形不是主要的， 多数都是i l l i 青她和料产生的流动性车辙。其土要成田是路面在高温情况f 劫度楼龉人幅度 降低，抗剪切变形能力不足以抵抗超载和重础车作埘f 的剪应力尤其是在砼大纵坡上坡 路段，由r 重载乍乍况莘、爬坡午速降低更为严重。 严重车辙的内田是由丁沥青溜凝十的矿料级配不台适，我国已通车的多数高速公路都 使刚规范中的连续式密集配。沥青混凝土的高温抗形变能力较差不能承受重载交通的反 复作用，容易产生严重辙槽。有的为避免产生水破坏，有意在沥青混凝十中多用细集料和 i ! j j 青。自由水进入井长期滞留在中面层内，使中面层沥青挂凝土慢度显著减弱、沥青剥落 直到橙散表面开始产生较严重辙槽、辙槽两侧鼓起。 2 122 松散 图2 - 5 车辙示意图 圈2 - 6 松散示意图 由水破坏产生松散( 见图2 - 6 ) 变形类府害尤其广泛主要表现为以f 三种不同情况： 第一种情况是由于雨水较快的透 空隙率较大的沥青混凝土表面层后，由于其f 层比 较密实在进入表面层的水还木米得及往f 层渗透前，表面层就开始产生水砬坏。表现为 沥青路面的表面层产生叫形坑洞。 第二种情况是由于透入表面层的水较快渗入中面层，滞留在中面层的水田难于或来不 及透过中面层进入底面屡2 前，中面层沥青混凝十强度变弱，沥青剥落，甚至松散导致 表面层首先在行午道底轮迹带上产生网裂形变有的其至产生明显辙槽。 第2 章沥青路面缺陷分类及性能评价 第三种情况是由于透入表面层的水透过中面层进入底面层，如果在底面层表面有粘结 防水层，或有质鼙好的卜封层，同时进入的水量不大，则滞留在底面层的水会使底面层沥 青混凝十强度减弱，进而沥青剥落，甚至沥青混凝十松散，导致沥青混凝土路面表面产生 网裂形变。在基层顶面没有粘结防水层，或虽做了下封层但质量不好的情况下，进入底面 层的水将直接滞留在基层项面。行车荷载生的水压力，使滞留水首先冲刷基层表面的水泥 细料或二灰细料，接着向下冲刷并形成自浆，在行车荷载的泵吸作用下，白浆被唧到表面 层，浆被唧出的过程中，沿途的沥青混凝土碎石上的沥青剥落，轻者表面产生网裂变形， 重者很快产生坑洞，碎石被甩出洞外，洞中积水。沥青混凝土面层的表面层、中面层和底 面层都不能让水侵入和滞留，只要水能侵入任一层并滞留在该层就会产生水破坏。 2 1 2 3 泛油 夏季沥青膨胀且变稀，在车辆的反复作用下，多余的沥青被挤向路表面，形成光面。 沥青路面泛油现象是沥青路面早期破坏中最常见的一种病害，在高温、潮湿多雨的南方地 区尤为突出。这种功能性破坏，导致路面表层如镜面一般光滑，甚至出现油包。这种路面 状况使得在雨天行驶的车辆易打滑，很大程度上影响了行车的安全。 出现泛油主要是由于沥青面层沥青用量过大，稠度太低，热稳性差等原因引起。对于 路表轻微泛油，表面石子仍外露的路段，可不作处理。对于因局部施工质量差引起水损坏 且出现坑槽等破坏的，宜按坑槽修补的方法处治。对于大段泛油严重，磨擦系数降低较多， 影响行车安全的，可采用碎石压人法处治或铣刨原路面重新摊铺面层。 2 2 沥青路面使用性能评价系统 高速公路路面性能评价是路面养护维修决策、道路经济分析的基础。路面性能评价模 块根据收集的路面数据，判断目前路面状况是否满足交通要求；所得结果将作为采取养护 或改建措施以及采取何种措施的依据。高速公路养护管理系统辅助决策的好坏，很大程度 上取决于养护管理系统对路面性能的评价。 2 2 1 使用性能各项评价指标 路面使用性能包括功能性能、结构性能、结构承载能力、安全性能几个方面。功能方 面的使用性能体现了路面为道路使用者提供方便和行驶舒适性程度的能力；结构方面的性 能表现了路面的物理状况；结构承载能力是路面结构剩余寿命的体现：而安全方面的性能 则是车辆在路面上行驶时安全性的表征，这四方面从不同侧面体现了路面的使用性能，目 前国内外路面使用性能一般也从这四个方面来进行评价。1 7 j ( 1 ) 路面结构承载能力 公路路面在达到预定的损坏状况之前还能够承受的行车载荷的作用次数，或者还能使 川的年数。路面强度的凋奄指标为路面弯沉值。 ( 2 ) 路面结构损上1 i 状况 路面结构损坏状况反映了路面结构在行乍载荷与自然冈素的双重作用卜保持路面整体 稳定性与结构完整性的程度。 ( 3 ) 路面行驶质量 路面行驶质鼙的好坏，从路面状况的角度考虑，主要冈素是路面的平挚度。路面的平 整度是路面诱使行乍山现振动的高程变化。路面不平整引起的车辆振动对下辆磨损、燃油 1 3 东南大学硕卜学位论文 消耗、行车舒适、行车速度、路面损坏和交通安全等多方面产生直接影响。 ( 4 ) 路面的抗滑性能 是指行驶车辆轮胎受到制动时，沿路表面滑移所产生的抗滑力。它是路面安全性能评 价的主要指标，其调查指标为轮胎与路面的摩擦系数。 2 2 2 路面破损状况调查方法 根据我国交通部2 0 0 2 年最新发布的高速公路养护质量检评方法( 试行) ，高速公 路因养护质量评定所需的沥青路面状况数据调查频率为每三个月进行一次全面调查。路面 破损状况具体调查方法如下： ( 1 ) 根据目的选择各类破损调查的时间，如对于强度不足或疲劳引起的裂缝( 龟裂) ， 宜在春季或雨季这一类最不利季节之后调查。对于温度收缩引起的非荷载性裂缝( 块状裂 缝及横向裂缝) ，应在冬季以后观测。对车辙、波浪拥包等热稳定性变形，宜在夏季观测。 对松散类破损宜在雨季观测。也可在规定的同一时间观测，需要时可定期观测，以了解破 损状况。为便于裂缝观测，宜选择在雨后( 或预先洒水) 路表已干燥但尚有水迹的时候观 测； ( 2 ) 选择测试路段并测量其路面的长度、宽度，计算测试路段总面积( a ) ； ( 3 ) 检测前应通报有关交通管理部门，检测时应有专人指挥交通( 必要时可封锁交通) ， 并设置安全标志等以确保检测车及检测者的安全； ( 4 ) 当采用高速摄影车或其它高效测试设备时，按有关使用说明书操作。采用自动摄 影车测试时，进行连续摄影或录像，然后在室内评定或用计算机检测裂缝等各类破损量 当人工检测时，由2 4 人组成一组，沿路面仔细观察路面各类破损状况。若观测裂缝时， 一般以逆光观测较为清楚，对不明显的裂缝，可在裂缝位置用粉笔做出标记； ( 5 ) 目测或用量尺测试路段的路面上各类破损的长度或范围，准确至0 1 米。车辙检测 按规程t 0 9 7 3 的规定进行。拥包、波浪、沉陷等变形类损坏除记录面积外，尚应测记拥起 高度或下陷深度； ( 6 ) 记录破损位置( 桩号) ，就地在方格纸上按比例描绘破损图，记录破损类别。 2 2 3 路面损坏状况评价 为了更好的比较不同路面损坏状况的严重程度，我们必须采用某项定量的综合评价指 标来反应其具体情况。根据我国交通部2 0 0 2 年最新发布的高速公路养护质量检评方法 ( 试行) ，实际操作中般采用路面状况指数p c i ( p a v o n e n tc o n d i t i o ni n d e x ，值域为0 1 0 0 ，其值越大，路况越好) 来对路面损坏状况进行评价。而要计算p c i 的值，我们首先 要得到d r ( 路面沥青破损率) 的值，然后进一步推导得到p c i 。 1 4 1 d r 的值按下式计算： 伽：旦1 0 0 ：婴x l o o ：逝1 0 0 aaa 然后可得p c i 的计算公式如下： p c i = 1 0 0 一a o d r q 其中： 1 4 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 第2 章沥青路面缺陷分类及性能评价 d r 路面沥青破损率( 破损折合面积之和与总调查面积之比，以百分数表示) ； 4 沥青混凝土路面破损中，第i 类破损( 分严重程度) 的调查面积； 彳沥青混凝_ 十路面的实际调查面积( 调查路段与有效路面宽度之积) ； w 沥青混凝士路面第i 类破损( 分严重程度) 的权重； 标定系数，采用1 5 0 0 ； 儡标定系数，采用0 4 l 。 上面公式中的沥青路面各类破损长度或面积可按高速公路养护质量评价方法( 试行) 提供的沥青混凝土路面破损类型和换算系数( 见表2 - 3 ) 进行计算统计。 表2 3 沥青混凝土路面破损类型和换算系数表 类型程度 权重( w ) 单位 轻 0 6 龟裂 中 0 8 平方米( m 2 ) 重1 0 结 轻0 4 构 块状裂缝 平方米( m 2 ) 性 重 o 6 破 轻