吳銀潭 鄭志剛 黃軼春 閻利華 杜雪明 江 建 劉 濤

1. 深圳市特區(qū)建工集團(tuán)有限公司 廣東 深圳 518034；2. 深圳市交通運輸局南山管理局 廣東 深圳 518067；3. 鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 河南 鄭州 450001

近年來，探地雷達(dá)技術(shù)逐漸被應(yīng)用于路面檢測與養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域，其具有無損、快速、透視、持續(xù)與高精度的特點，能夠較好地識別路面結(jié)構(gòu)隱蔽病害、裂縫、脫空、不均勻沉降、含水量異常等詳細(xì)信息[1-7]。

落錘式彎沉儀可以在一定程度上反映路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)信息，測量速度快，變形識別精度高，能夠有效模擬行車荷載的動力作用，通過多點彎沉的測量，為路面結(jié)構(gòu)反演打下了基礎(chǔ)，為美國戰(zhàn)略性公路研究計劃（SHRP）路面長期跟蹤觀測與使用性能研究的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

聚氨酯材料是一種兼具金屬和橡膠（即韌性和彈性）雙重性質(zhì)的聚合物，主要由異氰酸酯和多元醇反應(yīng)生成，包含不少于2個異氰酸酯和羥基官能團(tuán)，其性質(zhì)主要取決于合成過程中的異氰酸酯、多元醇及添加劑。在1970年后，高聚物注漿材料逐漸被應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑的地基加固、地基沉陷抬升、機(jī)場跑道、車間地坪、板底脫空、板底抬升等工程中。

1 多維快速檢測方法

1.1 探地雷達(dá)技術(shù)

探地雷達(dá)（ground penetrating radar，GPR）工作過程是通過探地雷達(dá)天線激發(fā)高頻電磁波，傳播到路面結(jié)構(gòu)中，在不同介電特性的接觸面上產(chǎn)生反射，并由接收天線予以記錄，經(jīng)過去噪、濾波、構(gòu)建模型等一系列處理方法，獲得相應(yīng)路面內(nèi)部雷達(dá)圖像（圖1）。

圖1 探地雷達(dá)檢測示意

結(jié)構(gòu)材料的相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率越大，天線的中心頻率越高，探地雷達(dá)所能探測的最大深度越小。天線頻率與探測深度的關(guān)系如表1所示。

表1 不同頻率天線的探測深度值

1.2 落錘式彎沉儀

路表彎沉是指在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，路基路面的表面輪隙位置所產(chǎn)生的總垂直變形（總彎沉）或者垂直回彈變形值（回彈彎沉），以0.01 mm為單位，可以有效地反映路面結(jié)構(gòu)的承載能力，即達(dá)到預(yù)定的損壞狀況之前，能夠承受的行車荷載作用累計次數(shù)與使用年限（圖2）。

圖2 落錘式彎沉儀的基本原理

本文所采用的落錘式彎沉儀為Dynatest8000 FWD，由計算機(jī)控制液壓系統(tǒng)，提升并落下一個重錘，對路面施加脈沖荷載，通過改變錘重與提升高度來調(diào)整荷載大小，荷載范圍為7～120 kN，彎沉傳感器分辨率為1 μm，系統(tǒng)誤差為±2%，彎沉傳感器數(shù)量為9個，荷載盤直徑為30 cm。

2 非開挖加固養(yǎng)護(hù)技術(shù)

半剛性基層病害位于路面下方，較難識別與治理，常會引起路面表層的翻漿、坑槽等嚴(yán)重病害，如果僅采用加鋪、挖掉重修與封縫措施，無法從根本上解決結(jié)構(gòu)性破壞問題。本文采用高聚物注漿技術(shù)治理重載交通路面的中下層隱蔽病害。研究表明，高聚物注漿材料具有良好的流變性能，材料的損耗模量遠(yuǎn)大于儲能模量，相位角也都大于45°，在交變應(yīng)力作用下主要發(fā)生黏性變形，當(dāng)材料注入到半剛性基層病害位置后，能短時間內(nèi)迅速形成一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，起到支撐自身結(jié)構(gòu)的作用，如圖3所示。其黏度隨溫度的升高而迅速增加，凝結(jié)固化時間加快，因此，在注漿時可通過改變設(shè)備的加熱溫度而應(yīng)對不同的溫度施工環(huán)境，保證材料性能。

圖3 高聚物材料流變性能

同時，高聚物注漿材料具有明顯的膨脹性。以密度為0.18 g/m3的高聚物材料的固定容器體積試驗為例（圖4），膨脹過程分為3個階段。首先，是容器的填充階段，為注漿開始后的20 s以內(nèi)，由于漿液未能完全將空腔填滿，因此，膨脹力測量結(jié)果為0 MPa；其次，為膨脹力隨著時間快速增長階段，可達(dá)最大膨脹力的80%以上，時間在20～40 s以內(nèi)，材料已經(jīng)完全填滿注漿容器，但化學(xué)反應(yīng)還在繼續(xù)進(jìn)行，材料體積繼續(xù)快速膨脹，受注漿容器體積的限制，導(dǎo)致膨脹力迅速增大，注漿材料密度隨之增大；最后，為膨脹力隨時間緩慢增長階段，作用時間從60 s持續(xù)到反應(yīng)結(jié)束，說明材料內(nèi)部有緩慢的化學(xué)反應(yīng)。

圖4 高聚物材料（密度為0.18 g/m3）膨脹力變化

高聚物材料具有良好的灌注流變性、膨脹性和韌性，能夠與巖土體較好地協(xié)調(diào)，密度較輕，不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外負(fù)載。同時，其能夠快速反應(yīng)產(chǎn)生0.5～10 MPa的膨脹力，被注入到半剛性基層特定位置后，可迅速填充脫空，擠密土體進(jìn)行抬升，排出下層積水，滲入孔隙膠結(jié)基層材料，提升路面強(qiáng)度。高聚物材料本身并不含水，不會產(chǎn)生干縮現(xiàn)象，能夠密實填充脫空。

3 工程應(yīng)用案例分析

3.1 工程概況

深圳市南坪快速路自2006年建成通車以來，極大地緩解了中心城區(qū)的交通壓力，路面在重載交通的反復(fù)作用下，部分出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的滲水、翻漿、坑槽等病害，常規(guī)養(yǎng)護(hù)措施難以徹底治理。現(xiàn)場地處兩側(cè)山坡谷底，為填方路段，路基是拋石擠淤成形。

3.2 多維快速檢測方案設(shè)計

3.2.1 探地雷達(dá)檢測方案設(shè)計

本文采用美國GSSI公司研制的SIR-30E探地雷達(dá)設(shè)備，由控制主機(jī)、天線、筆記本電腦連接件組成，采用收發(fā)一體型天線，頻率為400 MHz，連續(xù)采集方式，里程輪定點，采樣間距為2 cm，采集時窗為35 ns，指數(shù)增益方式。

沿測試路段行車方向布置雷達(dá)探測剖面，每個車道布置2條測線（左、右輪跡處），根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當(dāng)加密測線，以便對病害區(qū)域準(zhǔn)確定位。

雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理流程為：讀取原始數(shù)據(jù)文件、編輯文件、水平校正、水平/垂直濾波、彩色變換、注釋與數(shù)據(jù)資料輸出。除此之外，還可采用水平與垂直高通濾波方法以消除平直橫跳的系統(tǒng)噪聲，采用水平及垂直低通濾波以消除高頻噪聲，采用反褶積濾波以增強(qiáng)垂向分辨率，采用偏移濾波以消除繞射波與傾斜干擾波，采用空間域濾波以增強(qiáng)傾斜界面信號。

本次采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)過零點校正、剖面距離校正與增益調(diào)整后，根據(jù)雷達(dá)波形構(gòu)成的同相軸，以人機(jī)交互方式進(jìn)行資料解釋，勾畫出路面各結(jié)構(gòu)層界面以及路面中下層存在的缺陷。

3.2.2 落錘式彎沉儀檢測方案設(shè)計

本文對南坪快速路東行段進(jìn)行彎沉檢測（共計100 m長），檢測標(biāo)號為其對應(yīng)的測點，落錘式彎沉儀設(shè)備詳細(xì)參數(shù)見1.2節(jié)所述，荷載設(shè)置為5 t，測點位置為車道右輪跡間隔5 m。

3.3 非開挖加固方案設(shè)計

針對不同路面病害類型選擇不同的注漿布孔方式，注漿孔直徑為0.016 m，鉆孔深度至路基頂面，注漿管長度一般根據(jù)注漿修復(fù)需求而定，對整條車道補(bǔ)強(qiáng)加固，孔位布置宜從路肩向路中心以0.6、1.5、1.5 m依次布孔，在車道縱截面上每隔1.0 m進(jìn)行布孔，如圖5所示。

圖5 注漿孔位布置示意

具體過程為：首先，采用沖擊鉆在標(biāo)注的注漿孔位置鉆孔至設(shè)計深度，及時清理路面，不得污染路面；其次，使用切割工具截取不同長度的注漿鐵管，并將其通過注漿孔導(dǎo)入；再次，使用專用工具將注射帽凹形邊緣清理干凈，以便與注射槍更好地結(jié)合，把已清理的注射帽安裝至注漿管端口；最后，根據(jù)病害修復(fù)需求確定注漿量，使用夾具把注射槍與注射帽夾牢，為設(shè)備提供固定的壓力，通過輸料管道分別把A及B兩類高聚物材料輸送到注射槍口，2種材料在注射槍口處通過注漿管輸送到路面病害處，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，材料由液體變?yōu)楣腆w，體積迅速膨脹，修復(fù)病害。

在注漿完成后，采用專用工具把注漿帽去掉，采用探地雷達(dá)與落錘式彎沉儀對注漿路段進(jìn)行檢測，評估加固效果，如果不滿足要求則進(jìn)行補(bǔ)注。

為了防止雨水侵蝕與路面破壞，采用道路密封膠封堵注漿孔，使灌注密封膠略低于路面，及時清掃環(huán)境后，即可開放交通。

3.4 注漿加固的效果評價

3.4.1 探地雷達(dá)檢測的效果評價

通過探地雷達(dá)剖面圖可基本確定路面各結(jié)構(gòu)層界面，判斷檢測路面下存在的缺陷位置與注漿前后的效果，水平方向為測試起點的距離，豎直方向為探測深度。路面中下層病害經(jīng)過注漿加固后，雷達(dá)圖的反射信號幅度較小，圖像均衡，反射界面不明顯，能夠在一定程度上說明松散、含水量過高的區(qū)域被高聚物填充擠壓密實，具有良好的加固效果，如圖6、圖7所示。

圖6 重載交通路面注漿加固前的雷達(dá)圖

圖7 重載交通路面注漿加固后的雷達(dá)圖

3.4.2 落錘式彎沉儀檢測的效果分析

由落錘式彎沉儀的檢測結(jié)果可知，注漿加固前的路面檢測彎沉值最大為285 μm，最小為73 μm，平均值為151 μm。在注漿完成24 h后，檢測彎沉值最大為173 μm，最小為58 μm，平均值為114 μm，平均下降30 μm，滿足設(shè)計彎沉要求，平均下降幅度為20%，具有良好的注漿加固效果。

3.4.3 道路修復(fù)前后的效果分析

在注漿加固修復(fù)前，雨后道路經(jīng)常出現(xiàn)翻漿、坑槽等病害，嘗試了多種類型的路面結(jié)構(gòu)材料，維修效果不理想。2019年10月，實施了注漿加固方案，目前，道路使用狀況良好，證明了該方案切實可行。

4 結(jié)語

1）探地雷達(dá)技術(shù)能夠較為有效地識別重載交通路面中下層位置的隱蔽病害，結(jié)合日常巡查與歷史資料，能夠大致確定病害的范圍、深度等信息，為注漿加固提供了相應(yīng)的技術(shù)依據(jù)。

2）落錘式彎沉儀能夠?qū)χ剌d交通路面的受力性能提供具體的判斷依據(jù)，結(jié)合雷達(dá)圖像，有效提升了路面健康評價的準(zhǔn)確程度。

3）采用高聚物注漿技術(shù)，可以解決路面翻漿等較難根治的病害，同時也避免了對路面的開挖與回填，有效縮短了路面的封閉時間，減少了交通的中斷與擁堵對社會的不利影響，且價格也相對理想，具有很好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。