薛彥卿 黃曉明

(東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 210096)

基于NDT技術(shù)的脫空判別改進(jìn)方法

薛彥卿 黃曉明

(東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 210096)

首先，依托安徽省若干水泥混凝土路面典型路段，開展基于探地雷達(dá)檢測技術(shù)的板底脫空調(diào)查，利用后處理分析軟件Reflex Win獲得反射波剖面圖以判別樣本板底是否脫空.其次，利用落錘式彎沉儀進(jìn)行多級(jí)加載彎沉測試并回歸荷載-彎沉關(guān)系曲線，以關(guān)系曲線斜率、截距以及板角最大彎沉這3項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建綜合指標(biāo)體系，采用可拓評(píng)價(jià)方法判別板底脫空狀況.最后，以探地雷達(dá)判別結(jié)果為基準(zhǔn)，通過細(xì)致劃分脫空分類，科學(xué)確定各項(xiàng)指標(biāo)節(jié)域、各脫空狀態(tài)下經(jīng)典域及權(quán)系數(shù)以獲得較高的脫空識(shí)別率和較低的誤判率.結(jié)果表明，經(jīng)該改進(jìn)方法計(jì)算，上述典型路段脫空率為33%，接近于探地雷達(dá)調(diào)查結(jié)果(35%).此外，該改進(jìn)方法的脫空識(shí)別率為88.6%，相應(yīng)的誤判率僅為6.1%，說明該方法板底脫空的判別精度較高，能夠滿足工程檢測、判別和結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的需要.

脫空判別;探地雷達(dá);落錘式彎沉儀;可拓評(píng)價(jià)方法;識(shí)別率;誤判率

作為水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)性損壞之一，板底脫空同時(shí)也是路面后續(xù)更嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性損壞的重大隱患.研究表明，板底脫空對(duì)水泥混凝土路面的使用性能、耐久性及服務(wù)壽命均會(huì)造成不利影響，特別是路面斷板與之幾乎直接相關(guān)［1-2］.針對(duì)含脫空水泥混凝土路面，需采用一定的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)手段，如以壓漿封堵脫空并延緩路面斷板的產(chǎn)生.因此，準(zhǔn)確判別板底脫空狀況對(duì)做好路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作至關(guān)重要［3］.自20世紀(jì)80年代始，國際上開展了已運(yùn)營或施工中公路關(guān)于其路基路面質(zhì)量的無損檢測(NDT)技術(shù)研究.根據(jù)美國測試與材料學(xué)會(huì)、國際標(biāo)準(zhǔn)組織和英國標(biāo)準(zhǔn)研究院共同提出的無損檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，水泥混凝土路面板底脫空判別NDT技術(shù)主要包括探地雷達(dá)檢測技術(shù)和落錘式彎沉儀(FWD)多級(jí)加載檢測技術(shù)［4］.探地雷達(dá)檢測技術(shù)作為一種高效的脫空判別NDT技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)快速化連續(xù)檢測，并量化板底脫空狀況.然而，由于昂貴的檢測費(fèi)用和專業(yè)化的后處理分析、判別過程，其應(yīng)用無疑受到一定程度的限制.目前脫空判別中廣為應(yīng)用的有NDT技術(shù)和FWD多級(jí)加載彎沉測試技術(shù).此外，盡管探地雷達(dá)能夠量化板底脫空形態(tài)，但對(duì)壓漿業(yè)務(wù)來說，只需明確路面板的下方是否存在脫空，對(duì)其具體形態(tài)并不關(guān)注［5-7］.FWD多級(jí)加載檢測技術(shù)已被AASHTO規(guī)范所采納，我國現(xiàn)行規(guī)范也建議以該技術(shù)判別脫空.

1 現(xiàn)行脫空判別NDT技術(shù)缺陷分析

盡管FWD彎沉傳感器的分辨率可達(dá)1 μm，測試系統(tǒng)誤差小于或等于2%，然而由于該技術(shù)下脫空的判據(jù)完全依賴經(jīng)驗(yàn)，故判別結(jié)果與實(shí)際情況時(shí)有出入，其脫空識(shí)別率、誤判率偏差較大.關(guān)于脫空的判據(jù)，美國NCHRP采用荷載-彎沉關(guān)系曲線后延線在彎沉軸上的截距(以下簡稱截距)或曲線的斜率(以下簡稱斜率)，我國則規(guī)定以板角最大彎沉作為脫空判據(jù).板底脫空在荷載作用下會(huì)映射到上述幾個(gè)響應(yīng)指標(biāo)上，但是上述諸指標(biāo)的脫空判據(jù)量值僅為確定的經(jīng)驗(yàn)值，難以統(tǒng)籌公路技術(shù)等級(jí)、路面結(jié)構(gòu)組合、工程水文地質(zhì)、交通荷載及環(huán)境等諸多復(fù)雜因素.此類單指標(biāo)方法的最終判別結(jié)果會(huì)受誤差或人為因素的影響，難免存在漏判或誤判.廣東最早將多指標(biāo)可拓評(píng)價(jià)引入板底脫空的判別，采用板角最大彎沉、荷載-彎沉關(guān)系曲線斜率、截距、接縫傳荷系數(shù)4項(xiàng)指標(biāo)［8］，但是其做法存在幾個(gè)突出問題，需要研究改進(jìn).首先，國內(nèi)外大量研究表明，以接縫傳荷系數(shù)大小判別脫空與否是錯(cuò)誤的，脫空與接縫傳荷系數(shù)之間不存在簡單的單調(diào)遞減關(guān)系，在一定條件下，接縫傳荷系數(shù)將隨脫空尺寸的發(fā)展先減小后增大，甚至于在相鄰2塊板的底部均有脫空的情形下，接縫傳荷系數(shù)將隨脫空尺寸的發(fā)展單調(diào)遞增;其次，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的節(jié)域、經(jīng)典域的取值范圍是經(jīng)驗(yàn)性的、人為決定的，缺乏必要的理論與數(shù)據(jù)支撐;最后，板底脫空判別的精度缺乏必要的驗(yàn)證，其準(zhǔn)確性并無科學(xué)論證.

2 方法改進(jìn)與可拓評(píng)價(jià)

以提高板底脫空識(shí)別率、降低誤判率為目標(biāo)，本文脫空判別改進(jìn)方法的研究思路是:依托實(shí)體工程(安徽省若干典型路段)，以其路面板底脫空的探地雷達(dá)調(diào)查結(jié)果為基準(zhǔn)，采用可拓評(píng)價(jià)分析FWD多級(jí)加載彎沉測試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過建立評(píng)價(jià)方法的綜合指標(biāo)體系，細(xì)致劃分脫空分類，科學(xué)確定各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)典域、節(jié)域及權(quán)系數(shù)，最終形成一套改進(jìn)的、基于NDT技術(shù)的脫空判別方法.可拓評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)是可拓論，其邏輯細(xì)胞則是物元.物元能夠同時(shí)表達(dá)事物的特征及其量值，事物的名稱P、特征C和量值V稱為物元三要素.可拓評(píng)價(jià)流程如下:① 建立經(jīng)典域物元和節(jié)域物元;② 確定待評(píng)價(jià)事物的物元;③ 計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)值;④ 確定權(quán)系數(shù)與計(jì)算關(guān)聯(lián)度;⑤ 確定事物水平等級(jí)［9-10］.其中，關(guān)聯(lián)函數(shù)的構(gòu)造是可拓評(píng)價(jià)的關(guān)鍵所在，一種簡單、直觀而廣為應(yīng)用的函數(shù)形式如下:

式中，距(點(diǎn)與區(qū)間的距離)的計(jì)算公式為

若可拓評(píng)價(jià)各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)系數(shù)為

n.計(jì)算待評(píng)價(jià)事物p關(guān)于事物水平等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度，則可確定待評(píng)價(jià)事物p屬于P0j，即事物p處于水平等級(jí)j.此時(shí)令被稱為p的級(jí)別變量特征值，從j*中可看出待評(píng)價(jià)事物偏向另一類的程度.

3 基于探地雷達(dá)技術(shù)的板底脫空調(diào)查

根據(jù)安徽的總體自然地理、氣候環(huán)境特點(diǎn)并結(jié)合該省公路管理局建議，選取該省境內(nèi)皖南山區(qū)、長江下游平原區(qū)、江淮丘陵區(qū)和淮北平原區(qū)若干水泥混凝土路面路段，開展基于探地雷達(dá)技術(shù)的板底脫空調(diào)查.這些路段所處的干線公路包括黃山的S103省道(皖南山區(qū))、桐城的G206國道(長江下游平原區(qū))、阜陽的S202省道(淮北平原區(qū))和明光、五河交界處的G104國道(江淮丘陵區(qū))，可涵蓋安徽境內(nèi)干線公路絕大部分行政等級(jí)、技術(shù)等級(jí)、路面結(jié)構(gòu)組合、自然地理區(qū)域和自然氣候環(huán)境，具有典型性.通過文獻(xiàn)查閱、現(xiàn)場實(shí)測等手段，確定上述典型路段試驗(yàn)樁號(hào)等若干主要特征及地理環(huán)境信息，如表1所示.

表1 典型路段主要特征與環(huán)境

根據(jù)調(diào)查需要及安徽省公路工程檢測中心的現(xiàn)有裝備，配置了RAMAC探地雷達(dá)系統(tǒng)，并根據(jù)有關(guān)技術(shù)資料，雷達(dá)天線采用地面耦合屏蔽式天線，中心頻率設(shè)定為800 MHz.針對(duì)上述典型路段，選取100塊水泥混凝土路面板作為試驗(yàn)樣本，以開展板底脫空調(diào)查試驗(yàn)及其后處理分析研究.沿行車方向及垂直行車方向?qū)ζ?/4板劃分網(wǎng)格(見圖1)，網(wǎng)格線即雷達(dá)測線.其中，虛線為設(shè)計(jì)的雷達(dá)測線布設(shè)位置，陰影部分為測線對(duì)應(yīng)的掃掠覆蓋寬度.沿行車方向的雷達(dá)測線從板邊到板中編號(hào)分別是 h1，h2，h3，h4，垂直行車方向的雷達(dá)測線從板邊到板中編號(hào)分別是 v1，v2，v3，v4，沿這些雷達(dá)測線進(jìn)行探地雷達(dá)板底脫空調(diào)查試驗(yàn).為降低噪音、雜波的干擾，有效判別脫空，必須對(duì)該原始資料開展后處理分析，沿每條雷達(dá)測線進(jìn)行的板底脫空調(diào)查試驗(yàn)都會(huì)得到一個(gè)相應(yīng)的rd3格式文件，這是開展后處理分析的原始資料.所采用的探地雷達(dá)后處理分析軟件是Reflex Win，借助該系數(shù)剖面軟件可獲得黑白反射圖，從而可判別板底是否脫空.

圖1 探地雷達(dá)測線布設(shè)示意圖

根據(jù)濾波理論及技術(shù)，后處理分析主要包括6個(gè)步驟:去直流漂移(一維濾波)、校正移動(dòng)開始時(shí)間(靜校正)、衰減能量(增益)、抽取平均道(二維濾波)、巴特沃斯帶通濾波(一維濾波)和滑動(dòng)平均(二維濾波).其中，衰減能量(增益)是為了將深部信號(hào)進(jìn)行放大，抽取平均道(二維濾波)是為了去除圖像中的水平部分，滑動(dòng)平均(二維濾波)是為了抑制噪聲，使圖像平滑［11］.完成一條雷達(dá)測線原始資料后處理分析這6個(gè)步驟，即可獲得其基于反射系數(shù)的黑白剖面圖像，按照相同方法，對(duì)800條雷達(dá)測線原始資料開展后處理分析，即得上述100塊水泥混凝土路面試驗(yàn)樣本板底脫空調(diào)查結(jié)果(見表2).由表2可看出，典型路段脫空率為35%，意味著安徽省水泥混凝土路面的干線公路中有超過1/3的路面板存在結(jié)構(gòu)性損壞，或者存在進(jìn)一步結(jié)構(gòu)性損壞的隱患.

表2 基于探地雷達(dá)的板底脫空調(diào)查判別結(jié)果

4 脫空判別方法的改進(jìn)

根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范的建議，采用FWD在板角隅處進(jìn)行多級(jí)加載彎沉測試，并利用試驗(yàn)結(jié)果點(diǎn)繪制荷載-彎沉關(guān)系曲線.然后，可結(jié)合板角最大彎沉等響應(yīng)指標(biāo)，采用可拓評(píng)價(jià)判別板底脫空狀況.多級(jí)荷載定為3級(jí)，大小分別設(shè)定為46，50，80 kN.開展FWD多級(jí)加載彎沉測試的路面板塊與表2完全一致，其試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示.FWD多級(jí)加載彎沉測試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表3所示.

圖2 FWD多級(jí)加載試驗(yàn)現(xiàn)場

本文以克服廣東做法的3個(gè)突出問題為主要目的，改進(jìn)板底脫空的判別方法.

首先，在指標(biāo)體系的選擇上，僅采用板角最大彎沉、荷載-彎沉關(guān)系曲線斜率和截距3項(xiàng)指標(biāo).

表3 多級(jí)加載彎沉測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

其次，在脫空判別過程中臨時(shí)引入“輕微、疑似脫空”狀態(tài).計(jì)算時(shí)，根據(jù)“未發(fā)生脫空”、“輕微、疑似脫空”、“明確存在脫空”的順序分別賦予數(shù)值1，2，3.計(jì)算得到的級(jí)別變量特征值j*越大，則說明板底脫空越明顯.判別結(jié)果以“輕微、疑似脫空”狀態(tài)的2為界，小于2判別為未脫空，大于2判別為脫空.關(guān)于本文選用3項(xiàng)指標(biāo)各自“輕微、疑似脫空”狀態(tài)的經(jīng)典域，板角最大彎沉預(yù)設(shè)為200 μm，斜率預(yù)設(shè)為 4 μm/kN，截距預(yù)設(shè)為 50 μm;再根據(jù)表3，在上述預(yù)設(shè)值的基礎(chǔ)上，變化各指標(biāo)量值并以之為脫空判據(jù)，則可計(jì)算得到各指標(biāo)不同判據(jù)量值所對(duì)應(yīng)的脫空識(shí)別率及誤判率，如表4～表6所示.

表4 不同板角最大彎沉對(duì)應(yīng)的脫空識(shí)別率及誤判率 %

表5 不同斜率對(duì)應(yīng)的脫空識(shí)別率及誤判率 %

表6 不同截距對(duì)應(yīng)的脫空識(shí)別率及誤判率 %

表4～表6顯示，隨著板角最大彎沉的判據(jù)量值從200 μm 減小到 160 μm，識(shí)別率從 82.9% 增加到97.1%，同時(shí)誤判率僅從39.6%增加到43.3%，其增幅遠(yuǎn)小于識(shí)別率增幅;隨著其判據(jù)量值從200 μm 增加到240 μm，誤判率銳減至18.8%，而識(shí)別率僅降低到74.3%.綜合識(shí)別率、誤判率變化規(guī)律，板角最大彎沉“輕微、疑似脫空”狀態(tài)的經(jīng)典域可定為160～240 μm.隨著斜率的判據(jù)量值從4.0 μm/kN 減小到 3.6 μm/kN，識(shí)別率僅從71.4% 增加到74.3%，而誤判率卻從32.4%大幅增加到44.7%;隨著其判據(jù)量值從 4.0 μm/kN增加到 4.2 μm/kN，識(shí)別率僅略微降低至68.6%，誤判率則迅速降低到 25.0%;當(dāng)其判據(jù)量值繼續(xù)從 4.2 μm/kN增加到4.4 μm/kN 時(shí)，誤判率雖僅降低了0.9%，識(shí)別率卻下跌了5.7%.綜合識(shí)別率、誤判率變化規(guī)律，斜率“輕微、疑似脫空”的經(jīng)典域可定為4.0 ～4.2 μm/kN.隨著截距的判據(jù)量值從 50 μm減小到42 μm，識(shí)別率從65.7%快速增加到74.3%，同時(shí)誤判率從 14.8%降至 13.3%;而當(dāng)其判據(jù)量值繼續(xù)從42 μm減小到38 μm，誤判率和識(shí)別率均無變化;隨著其判據(jù)量值從50 μm增加到52 μm，盡管誤判率從 14.8%降低到 9.5%，識(shí)別率卻從65.7%銳減至54.3%.綜合識(shí)別率、誤判率變化規(guī)律，截距“輕微、疑似脫空”的經(jīng)典域可定為42～50 μm.

最后，根據(jù)表3數(shù)據(jù)，以涵蓋各指標(biāo)90%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為目標(biāo)，推薦板角最大彎沉的節(jié)域?yàn)?0～350 μm，斜率的節(jié)域?yàn)?1.2 ～5.6 μm/kN，截距的節(jié)域?yàn)?～100 μm.至此，本文板底脫空判別改進(jìn)方法所選用3項(xiàng)指標(biāo)的節(jié)域、各狀態(tài)下經(jīng)典域可全部確定，如表7所示.

表7 本文方法各指標(biāo)的節(jié)域與經(jīng)典域

根據(jù)表7，分別建立關(guān)于“未發(fā)生脫空”、“輕微、疑似脫空”和“明確存在脫空”的經(jīng)典域物元:

則節(jié)域物元為

5 脫空判別改進(jìn)方法實(shí)例應(yīng)用

以上述安徽省若干典型路段基于探地雷達(dá)技術(shù)的板底脫空判別結(jié)果(見表2)為目標(biāo)，經(jīng)試算初步確定本文脫空判別改進(jìn)方法3項(xiàng)指標(biāo)(板角最大彎沉、斜率、截距)的權(quán)系數(shù)，分別為 0.35，0.30，0.35.現(xiàn)以1號(hào)板為例說明本文方法的應(yīng)用.

首先建立該板物元，然后由式(2)、(3)求距，進(jìn)而由式(1)計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)值，最后計(jì)算關(guān)聯(lián)度.經(jīng)計(jì)算，可確定p屬于P03(明確存在脫空).計(jì)算級(jí)別變量特征值可得j*=2.87，則進(jìn)一步說明板底存在脫空，且程度較嚴(yán)重，與探地雷達(dá)的檢測結(jié)果相符合.對(duì)于其余路面板塊，根據(jù)表7指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)及改進(jìn)方法，可以得到其板底脫空判別結(jié)果，如表8所示.根據(jù)表8數(shù)據(jù)，則可確定上述典型路段的脫空率為33%，可見其接近于探地雷達(dá)調(diào)查結(jié)果(35%).

此外，為驗(yàn)證本文脫空判別改進(jìn)方法的準(zhǔn)確性(即精度)，以探地雷達(dá)判別結(jié)果為基準(zhǔn)(見表2)，計(jì)算得到本文方法的脫空識(shí)別率為88.6%，相應(yīng)的誤判率僅為6.1%.無論從總體的脫空率，還是從脫空識(shí)別率、誤判率角度，均表明本文改進(jìn)方法關(guān)于板底脫空的判別精度較高，能夠滿足工程檢測、判別和結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的需要.

表8 改進(jìn)方法的板底脫空判別結(jié)果

6 結(jié)論

1)由探地雷達(dá)檢測所得的典型路段脫空率為35%，改進(jìn)方法以板角最大彎沉、荷載-彎沉關(guān)系曲線斜率、截距3項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成其指標(biāo)體系，由改進(jìn)方法計(jì)算得到的典型路段脫空率為33%，接近于探地雷達(dá)檢測結(jié)果.

2)改進(jìn)方法中“輕微、疑似脫空”狀態(tài)下，板角最大彎沉的經(jīng)典域?yàn)?60～240 μm，斜率的經(jīng)典域?yàn)?.0 ～4.2 μm/kN，截距的經(jīng)典域?yàn)?42 ～50 μm.改進(jìn)方法中，板角最大彎沉的節(jié)域?yàn)?0～350 μm，斜率的節(jié)域?yàn)?1.2 ～5.6 μm/kN，截距的節(jié)域?yàn)?～100 μm.根據(jù)經(jīng)典域與節(jié)域的關(guān)系，可得改進(jìn)方法中“未發(fā)生脫空”和“明確存在脫空”狀態(tài)下各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的經(jīng)典域.改進(jìn)方法3項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)系數(shù)分別為 0.35，0.30，0.35.

3)對(duì)照探地雷達(dá)調(diào)查結(jié)果，本文方法的脫空識(shí)別率為88.6%，相應(yīng)的誤判率僅為6.1%，說明本文改進(jìn)方法關(guān)于板底脫空的判別精度較高，能夠一定程度上滿足工程檢測、判別與結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的需要.為進(jìn)一步提高板底脫空的判別精度，可綜合采用本文方法與探地雷達(dá)檢測相結(jié)合的手段，必要時(shí)還可通過采取現(xiàn)場取芯手段對(duì)判別精度進(jìn)一步加以檢驗(yàn)分析.

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Improvement on recognition method of void beneath slab based on nondestructive testing technology

Xue Yanqing Huang Xiaoming
(School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Based on the detection technology of ground penetrating radar(GPR)，the investigation of void beneath slab was carried out on Anhui province's several typical highway sections of cement concrete pavement.The reflected wave profile can be obtained by virtue of Reflex Win，a sort of GPR post-processing software，was adopted to determine whether voids existed on the bottom of these pavements.Falling weight deflectometer(FWD)was utilized to carry out multi-level load deflection test and the load-deflection regression models were established according to the test results.Additionally，the extension evaluation method was adopted to recognize void beneath slab and the corresponding index system was comprised by regression model slope，intercept and the maximum deflection.Finally，based on the recognition results of GPR，by way of adjusting and determining the section domains of the indices，the classical domains of different void statuses and the weight coefficients，relatively higher void recognition ratio and lower misjudgment ratio could be acquired.This study suggests that based on this improved method，the void ratio of the typical highway sections mentioned above is 33%，close to the GPR investigation results(35%).Moreover，the void recognition ratio of this method is 88.6%and the corresponding misjudgment ratio is merely 6.1%.The superior recognition accuracy of void beneath slab shows that the improved recognition method can satisfy the demands of engineering detection，recognition and structural evaluation.

void recognition;ground penetrating radar;falling weight deflectometer;extension evaluation method;recognition ratio;misjudgment ratio

U416.21

A

1001－0505(2012)06-1187-07

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.030

2012-05-07.

薛彥卿(1985—)，男，博士生;黃曉明(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，huangxm@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51008071)、江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2010413).

薛彥卿，黃曉明.基于NDT技術(shù)的脫空判別改進(jìn)方法［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，42(6):1187-1193.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.030］