Методы измерения неровности покрытий

За многие годы были разработаны и нашли применение самые разнообразные приборы для измерения неровности покрытий; периодически издавались обзоры последних достижений в данной области: [(5) в 1960 г., (6) в 1968 г., (7) в 1975 г., (8) в 1981 г. и (9) в 1987 г.]. Анализ литературных данных и строительных нормативов, установленных в отдельных штатах, показывает, что измерение неровности для оценки эксплуатационного состояния и приемки конструкций, чаще всего, проводилось с помощью следующих устройств:

1. Передвижная рейка

2 Дорожные профилографы (профилометр PCA или профилометр Мэйса);

3. Динамический профилометр (Surface Dynamics Profilometer)

Ниже кратко обсуждается каждое из этих устройств.

Рис. 8–3. Зависимость между резонансными частотами легкового автомобиля,  скоростью и длиной волны профиля [по данным (3)]

Передвижная рейка, или профилометр, используется во многих штатах для измерения начальной неровности новых покрытий или настилов. В этом устройстве используется  набор колес от тележки, установленных на расстоянии от 10 до 30 футов (3-9 м) друг от друга, которые образуют реперную плоскость. Отклонения от этой плоскости регистрируются по положению колеса, находящегося в центре устройства. Отклонения в вертикальной плоскости аккумулируются по длине покрытия и переводятся в дюймы  вертикального смещения в расчете на милю. В результате получают так называемый показатель неровности. Из-за особенностей своей геометрии данное устройство непригодно для детектирования неровностей с длиной волны, равной ½, ¼, ⅛ и т.д. длины колесной базы передвижной рейки. Из-за низкой рабочей скорости подобные устройства используются, главным образом, для строящихся дорожных покрытий или слоев, наращенных поверх существующих покрытий на дорогах, не открытых для движения. Большинство этих устройств толкают вручную или тянут на буксире с помощью другого транспортного средства со скоростью менее 10 миль/час, что делает их пригодными для использования на высокоскоростных магистралях.

Дорожные профилографы приобрели большую популярность при измерении неровности. Они используются как для определения начальной неровности новых дорожных покрытий, так и для мониторинга состояния эксплуатируемых покрытий. Существует два основных варианта дорожных профилографов – профилометр РСА (10) и профилометр Мэйса (MRM), который был первоначально разработан Иваном Мэйсом, а далее описан в (11) и изготовлен компанией Rainhart (12).

Дорожный профилограф в версии РСА обычно монтируется на типичном легковом автомобиле или универсале. Данное устройство представляет собой электромеханическую систему для измерения числа и величины вертикальных перемещений центра задней оси относительно кузова машины (дюймы/миля). С помощью профилометра Мэйса, в сущности, измеряется тот же параметр, что и в случае РСА, однако измерительная система коренным образом отличается от РСА, так как в профилометре Мэйса для измерения колебаний в вертикальной плоскости используется фотодиодный датчик с разрешением 0,1".

Данные дорожные профилографыобладают рядом достоинств:

1. Работа при обычных для высокоскоростных магистралей скоростях.

2. Относительная дешевизна, несложность конструкции и простота в эксплуатации.

3. Портативность и высокая мобильность.

4. Возможность эффективного использования для инвентаризации всей системы автомагистрали.

5. Достаточно высокая воспроизводимость, особенно если состояние проезжей части характеризуется средним значением величин, полученных по результатам нескольких прогонов.

В то же время эти устройства имеют ряд серьезных недостатков, которые в определенных случаях могут сдерживать их широкое применение:

1. Необходимость достаточно частой калибровки.

2. Необходимость строгого соблюдения мер предосторожности при эксплуатации.

3. Необходимость повторной калибровки при любом изменении подвесной системы автомобиля (например, при замене шин или амортизатора).

4. Отсутствие чувствительности к длинноволновой компоненте неровности, как следует из рис. 8–2.

В большинстве штатов дорожные агентства все же используют эти устройства, так как полагают, что их достоинства перевешивают недостатки.

Динамический профилометр SDP был разработан компанией General Motors; его описание появилось в 1962 г. (13). В оригинальном варианте это устройство позволяло измерить профиль дороги для следа только одного колеса. Однако с тех пор его конструкция претерпела ряд изменений, и теперь это устройство может измерять профили для следов обоих колес одновременно.

На рис. 8–4 приведена принципиальная схема работы профилометра SDP. В самых первых устройствах такого типа контакт с дорожной поверхностью достигался с помощью набора небольших колес, к  каждому их которых с помощью торсионов прикладывалась нагрузка в размере в 300 фунтов (1350 Н). Между хомутом над колесом толкателя и кузовом грузового автомобиля или фургона, в котором размещалось устройство, был установлен потенциометр. Выходной сигнал потенциометра соответствовал величине относительного перемещения кузова машины и колеса толкателя. Непосредственно над подложкой потенциометра внутри машины устанавливался акселерометр, с помощью которого измерялось вертикальное ускорение корпуса машины. Далее бортовой компьютер дважды интегрировал показания акселерометра, что давало в результате количественную оценку вертикального положения кузова машины. С учетом чувствительности акселерометра к длинноволновым «воздействиям» дороги, чреватой его насыщением и перегрузкой, в компьютер был встроен набор фильтров для ослабления амплитуды длинноволновых сигналов, соответствующих изменениям уклона или топографии. Таким образом, компьютер дважды интегрирует отфильтрованный сигнал акселерометра и добавляет к нему сигнал потенциометра, что дает в итоге профиль дороги.

Рис. 8–4. Схематическое изображение измерительной системы профилометра SDP [по данным (13)]

Для обработки данных о профиле (в аналоговой или в цифровой форме) используются сложные процедуры, например, методики на основе спектральной плотности мощности. Обобщение данных о профиле дороги (за исключением обработки данных на бортовом компьютере) – это сложный процесс, который занимает много времени и требует большого объема работ по анализу данных о профиле дорог и их представлению в форме, отвечающей нуждам потребителей. ПрофилометрSDP имеет целый ряд важных преимуществ, однако, большой объем капитальных затрат и высокая оплата труда задействованного персонала, а также сложность системы и высокая стоимость анализа данных серьезно ограничивают использование этого устройства автодорожными агентствами.

Ниже приведены некоторые из важных преимуществ профилометра SDP:

1. Получение реальных профилей дорог непосредственно на выходе устройства.

2. Стабильность рабочей системы во времени (независимость выходных данных от качеств тягача, ухудшающихся по мере эксплуатации).

3. Отличная воспроизводимость между отдельными измерениями.

4. Возможность детектирования и измерения больших длин волн с последующим их анализом.

5. Достаточно высокая рабочая скорость, благодаря чему устройство обладает функциональностью для различных типов дорог и может покрывать достаточно большие расстояния за несколько дней.

6. Отличное стабильное во времени средство для калибровки дорожных профилографов.

За период, прошедший с середины 70-х годов 20-го века до настоящего времени (1996 г.), был разработан и поступил на рынок ряд других устройств, которые измеряют иные характеристики дорог, кроме неровности. В их числе следует назвать устройства ARAN (14), APL (15) и GERPHO (15), которые обычно используются при обследовании дорог для сбора информации в дополнение к данным о неровности. В некоторых из них предусмотрены специальные возможности, например, для фотографирования поверхности дороги или для введения в базу компьютерных данных дополнительных сведений, например, о местонахождения мостов, водоводов, перекрестков и т.д. Обсуждение таких устройств выходит за рамки данной монографии.

Требования по ровности для конструкции [дорожного покрытия]

Благодаря широкому распространению концепции эксплуатационного состояния/эксплуатационных характеристик дорожных покрытий данные о неровности превратились в основной критерий удовлетворенности общества состоянием системы автодорог. Повышенное внимание, которое в настоящее время уделяется деятельности по управлению состоянием дорожных покрытий, породило волну интереса к нормативам по ровности покрытий и ее измерению. Подкомитет по автодорожному строительству (Highway Subcommittee on Construction) Американской ассоциации государственных дорожно-транспортных служащих отреагировал на это разработкой и распространением ряда анкет, посвященных использованию нормативов по ездовым качествам. Такие анкеты распространялись в 1981, 1984 и 1987 г. (16). В анкете 1987 г. акцент был сделан на различия между нормативами по ездовым качествам и дорожным неровностям, а также на выбор оборудования для оценки неровности в рамках этих нормативов и оценку полноты использования системы стимулов к их выполнению.

Нормативы по дорожным неровностям устанавливают неровность в форме максимального вертикального отклонения от плоской поверхности установленной длины. Подобные нормативы в течение многих лет прослужили для контроля дорожных неровностей или гребнеобразования на стыках, а также иных неоднородностей дорожного покрытия. Такие неровности обычно измеряют наложением на поверхность покрытия 10-футовой (3-метровой) рейки, с помощью которой измеряется и регистрируется максимальное отклонение поверхности покрытия от уровня, определяемого рейкой. Нормативы же по ездовым качествам относятся к неровностям на больших расстояниях, измеряемым с помощью того или иного вида профилографа или иного чувствительного профилометра. В таблице 8–1 обобщены данные о числе штатов, которые используют или планируют к использованию нормативы по ездовым качествам. Это данные опросов, проводившихся Американской ассоциации государственных дорожно-транспортных служащих в 1981, 1984 и 1987 гг. Опрос за 1987 г. показал, что 8 штатов использовали только нормативы по дорожным неровностям. В то же время все штаты, которые применяли нормативы по ездовым качествам, также ввели и нормативы по дорожным неровностям. Очевидно, что составители этих нормативов полагают, что оба вида нормативов по своему полезны, но в несколько различных аспектах. Данные таблицы 8–2 также говорят о том, что показатель ровности более востребован в случае бетонных покрытий, чем в случае покрытий из HMA. Причина этого заключается в следующем: исторически сложилось так, что бетонные покрытия сразу после строительства были более неровными, чем покрытия из HMA. В 1987 г. 25% штатов, которые использовали нормативы по ровности покрытий, применяли их как в случае бетонных, так и в случае покрытий из HMA.

Для покрытий из HMA чаще всего устанавливаются следующие нормативы по дорожным неровностям: ⅛" на 10 футов (3 мм на 3 м) (их используют 15 штатов) и 3/16" на 10 футов (5 мм на 3 м) (в 7 штатах). Что касается лимитов по ездовым качествам, то здесь наблюдается больший разброс, что можно объяснить двумя основными причинами. Во-первых, для измерения неровности используется несколько различных устройств, а во-вторых, некоторые штаты применяют систему бонусов или иных финансовых льгот за достижение различных показателей ровности. Из 32 штатов, установивших нормативы по ездовым качествам в 1987 г., около трети не предусматривали в них пунктов ни по бонусам, ни по снижению платы, а еще около трети установили только льготу в виде снижения платы. Предельно допустимые уровни показателей ездовых качеств, установленные в рамках этих нормативов, сильно варьируют. Большинство штатов взяло за основу соответствующие инженерные оценки и установило предельную нормативную величину на уровне 7–12" на милю.

Таблица 8–1. Число штатов, применяющих или планирующих к применению  нормативы по ездовым качествам для контроля ровности конструкции (16)

Год проведения

Опроса