馮永平,黎碧云,焦曉東

(1.廣西壯族自治區(qū)公路發(fā)展中心,廣西 南寧 530029;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

城市化發(fā)展進程中,水泥混凝土路面(簡稱“水泥路面”)這一經(jīng)典的路面結(jié)構(gòu)形式仍被廣泛運用于省道及鄉(xiāng)村道路建設(shè)。

板底脫空是水泥路面常見的病害之一,車輛荷載、不均勻沉降、翹曲(溫度翹曲或濕度翹曲)均會造成道面板底脫空。脫空后的水泥板塊需得到及時處治,否則將迅速產(chǎn)生破裂,嚴(yán)重影響行車質(zhì)量和路面使用壽命,大幅增加維修費用和難度[1]。脫空處治前需對脫空位置及大小進行有效評定。目前脫空檢測識別技術(shù)種類不少,其中以彎沉法最為常見,聲振法與探地雷達法等也逐漸在工程中得到應(yīng)用[2]。然而,各類脫空檢測技術(shù)還不夠理想,獲得一種高效準(zhǔn)確的水泥路面脫空識別方法仍是當(dāng)前研究努力的方向,這對于指導(dǎo)水泥路面的檢測、評價、維修養(yǎng)護將具有重要的工程應(yīng)用價值。

1 脫空檢測方法

1.1 人工判別法

觀察相鄰板的錯臺、唧泥、車輛通過時的翹動及聽取錘擊時的面板回聲等均是較為常用的人工判別法。美國于1983年提出了唧泥與板底脫空的關(guān)系,認(rèn)為水泥路面唧泥現(xiàn)象與板底脫空直接相關(guān),若未出現(xiàn)唧泥則可判定為板底沒有出現(xiàn)脫空[3-4]。在國內(nèi)較為經(jīng)典的是柳永江等提出的根據(jù)唧泥高度判別板底脫空情況的方法[5-6],其通過現(xiàn)場鉆芯檢驗,總結(jié)了唧泥高度與脫空量的關(guān)系,并提出了基于唧泥高度的板底脫空判別標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。

表1 基于唧泥高度與板底脫空程度差別標(biāo)準(zhǔn)表

另外,有學(xué)者指出可根據(jù)錯臺高差判別板底是否脫空,認(rèn)為一般情況下,5 mm內(nèi)的錯臺高差為存在輕度脫空或路基沉降不均勻所致;高差為5～10 mm則表示板底可能有中度脫空;高差>15 mm則表示板下存在重度脫空。

人工判別方法簡單易行,但需知道當(dāng)脫空較為嚴(yán)重時,病害特征才會令人察覺。受主觀因素、環(huán)境條件及檢測人員的專業(yè)水平等影響,人工判別法也僅能用于粗略的定性判斷[7],或者只是作為某種輔助檢測方法來進行判斷。

1.2 彎沉判別法

彎沉是指路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的豎向變形,當(dāng)脫空存在時,必然導(dǎo)致面板彎沉增大。按加載形式,彎沉可分為靜態(tài)彎沉和動態(tài)彎沉兩種。

1.2.1 靜態(tài)彎沉(貝克曼梁彎沉儀)

靜態(tài)彎沉測量主要以貝克曼梁彎沉法(BB)應(yīng)用較多。貝克曼梁彎沉儀采用的是簡單的杠桿原理,通過讀取測試梁后壁端點的位移推算前臂端點所測出的輪隙處回彈彎沉,測得雙側(cè)測點靜態(tài)彎沉的最大峰值[8]。當(dāng)實測彎沉值大于一定標(biāo)準(zhǔn)車荷載作用下路面板產(chǎn)生變形的限定彎沉值標(biāo)準(zhǔn)時,判定該處板底存在脫空。

一般認(rèn)為,彎沉值>0.2 mm將判定為該處脫空。事實上,國內(nèi)外已有不少學(xué)者對單一最大彎沉值判定法提出了質(zhì)疑。加拿大學(xué)者試驗研究證明僅用單一最大彎沉值評定脫空的結(jié)果與實際情形不符。同時,國內(nèi)也有學(xué)者認(rèn)為簡單以單側(cè)或雙側(cè)最大彎沉值作為脫空判定的標(biāo)準(zhǔn)缺乏可靠性。官建安[9]根據(jù)理論分析及實際工程檢驗得出按標(biāo)準(zhǔn)軸載下板角0.2 mm判斷板底脫空情況對一般路面而言過于嚴(yán)格的結(jié)論,其建議為減少不必要的路面病害處治工作,在運用BB法的中重型貨車限行區(qū)域內(nèi)的“白改黑”工程中以板角彎沉0.3 mm作為板底脫空判據(jù)。

貝克曼梁加載形式與路面實際所受荷載并不相同,此外其操作不夠簡便、高效,不適應(yīng)大面積、長里程的路面檢測。

1.2.2 動態(tài)彎沉(落錘式彎沉儀)

落錘式彎沉法(FWD)采用沖擊加載的方式對路面特定位置進行豎向錘擊,并采用位移傳感器檢測以錘擊中心為圓形范圍內(nèi)的豎向變形[10]。其能更準(zhǔn)確地模擬出行車荷載的動力作用,被認(rèn)為是較為理想的無損檢測方法。

我國根據(jù)研究應(yīng)用狀況,將FWD三級荷載推薦設(shè)置為50 kN、70 kN、90 kN,且通常以截距法或彎沉比法判定路面是否脫空。截距法即以相關(guān)線性回歸曲線截距大小判斷脫空情況。彎沉比法則需分別測試同一板塊不同位置的彎沉,并計算板角、板邊彎沉與板中彎沉的比值,若板角彎沉/板中彎沉>3.0,且板邊中點彎沉/板中彎沉>2.0時則判定為脫空。

王曉川等[11]對FWD法和BB法測得的彎沉值間的關(guān)系進行了研究分析,發(fā)現(xiàn)FWD截距法對板底脫空識別率較高。牛曉霞等[12]利用ABAQUS軟件建立了不同脫空深度和脫空尺寸的三維模型,提出了截距法判定脫空時宜采用3 t-5 t-7 t或5 t-7 t-9 t的荷載等級,其中5 t-7 t-9 t等級荷載更適用于大厚度、高強度的板塊檢測。鑒于環(huán)境溫度對檢測結(jié)果的影響,建議選擇早晚或陰天時間段檢測。

應(yīng)用截距法或是彎沉比法均存在各自的局限性,截距法受有效荷載限制,當(dāng)測試荷載未能引起道面足夠響應(yīng)時將產(chǎn)生與實際不符的結(jié)論;彎沉比法受接縫傳荷耦合影響,接縫傳荷與脫空對彎沉的影響無法得到很好的區(qū)分[13]。

1.3 聲振法

聲振法將水泥路面板作為聲學(xué)諧振子,根據(jù)其振動幅度、頻率、形式以及能量損耗等振動特性判定面板連續(xù)支撐狀況,其中以振動頻率指標(biāo)為主[14],數(shù)據(jù)采集見圖1?，F(xiàn)有的聲振法基本為現(xiàn)場單點檢測,檢測板的聲振信號易受來往車輛影響,故檢測結(jié)果的代表性和準(zhǔn)確性值得商榷。

圖1 聲振法數(shù)據(jù)采集示意圖

李思源[14]對聲音信號的采集、預(yù)處理方法以及聲學(xué)特征值的提取進行了研究,提出了一種以聲壓特征值為相對指標(biāo)的連續(xù)識別技術(shù)并進行了驗證。彭永恒等[15]記錄并分析了加速度特性、振動時間和頻譜特征,發(fā)現(xiàn)脫空區(qū)域與非脫空區(qū)域路面板最大振幅對應(yīng)的卓越頻率分別為100～130 Hz和200～260 Hz。姚玲[16]比較了不同厚度板角脫空與非脫空混凝土面板聲振頻譜數(shù)據(jù),結(jié)果表明測點布置于脫空區(qū)域20 cm和18 cm厚混凝土面板的最大振幅頻率為200～400 Hz,布置于非脫空區(qū)域時則為500～700 Hz。同時,其試驗證明力錘、敲擊部位、路面板厚度、加速度傳感器設(shè)置位置等均對脫空面積及深度等結(jié)果產(chǎn)生影響。李想等[17]開展了脫空狀態(tài)動力響應(yīng)研究,發(fā)現(xiàn)與非脫空面板相比,脫空面板的板頂最大加速度和最大應(yīng)變均更大,其中對邊同時脫空時最大,且其振動最大振幅對應(yīng)的頻率最小。

1.4 探地雷達法

大部分探地雷達(GPR)系統(tǒng)是基于短時脈沖原理,發(fā)射天線向地下發(fā)射雷克子波(Ricker),接收天線接收傳播過程中經(jīng)過散射和反射的電磁波[18]。由于介電差異,電磁波經(jīng)過不同介質(zhì)層時將產(chǎn)生不同幅值和極性的回波,形成單道波形,成為A-Scan,采集原理如下頁圖2所示。脫空界面介電常數(shù)差異較正常結(jié)構(gòu)分界層更大,故脫空處回波幅值增大。將各個時刻的A-scan集合有序排列轉(zhuǎn)換為灰度圖,即可根據(jù)各層的相對亮度判斷地下結(jié)構(gòu)信息[19]。

圖2 GPR檢測原理圖

在探地雷達評價水泥混凝土路面板底脫空方面,大尺寸的板底空洞探測已較為成熟,目前能準(zhǔn)確地標(biāo)定空洞的分布區(qū)域和空間尺寸。然而,板底空洞的形態(tài)各異,加上板-基層的層間脫空尺寸較小,使得脫空評價技術(shù)受限。針對該問題,葛如冰等[20-21]通過建立路面脫空的實際模型研究了薄層脫空下脫空厚度與反射波振幅大小的關(guān)系,得到了初步的脫空定量計算公式。

實際操作中,探地雷達應(yīng)用于板底脫空評價的關(guān)鍵在于雷達掃描圖像的解析。武繼文等[22]通過GprMax軟件仿真分析,探討了探地雷達用于水泥混凝土路面板底脫空評價時的掃描圖像特征,結(jié)果表明兩個方向相反的波峰出現(xiàn)在充氣型脫空的掃描圖像脫空界面處,脫空高度<0.01 m后,波形疊加導(dǎo)致信號難以解析,因此無法識別板底脫空;充水型脫空的掃描圖像反射波強度低,脫空通過掃描圖像識別困難。

1.5 紅外熱成像法

由熱力傳導(dǎo)理論可知,當(dāng)存在脫空現(xiàn)象時,水或空氣填充使面板與墊層料之間存在相對隔熱性結(jié)構(gòu)缺陷。熱傳導(dǎo)受阻,混凝土熱量難以及時向其內(nèi)部傳遞,形成熱量局部積聚,造成混凝土表面溫度上升而在紅外熱像上出現(xiàn)“熱斑”,其范圍和程度可反映出該部位的受害程度及范圍[23]。

為了實測脫空病害對水泥路面溫度場的影響,馬廷婕等[24]澆筑了水泥混凝土試驗路段,并使用熱工特性與空氣相近的聚苯乙烯泡沫板填充人工設(shè)置的5個形狀不同厚度為5 cm的脫空區(qū)。脫空模型紅外熱成像檢測結(jié)果與模擬結(jié)果的對比如表2所示。結(jié)果顯示,路面脫空區(qū)與非脫空區(qū)溫差與脫空面積成正比,脫空面積一定、形狀不同時,路面脫空區(qū)與非脫空區(qū)溫差存在細(xì)小差別。應(yīng)收集更多的試驗和模擬數(shù)據(jù)來建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫,并配合使用高精度的測溫儀器,才能提高反算準(zhǔn)確度。

表2 脫空模型紅外熱成像檢測結(jié)果與模擬結(jié)果對比表

張永健等[25]將紅外熱成像技術(shù)成功運用于高速公路舊路面改造工程中,準(zhǔn)確地對舊水泥路面板底脫空進行了判斷。但發(fā)現(xiàn)在骨料嚴(yán)重外露的磨損區(qū)域,外露骨料溫度較周圍區(qū)域高,其紅外線溫圖呈現(xiàn)出與脫空區(qū)相似的圖像,從而將引起判斷誤差。

2 檢測方法對比分析

水泥路面板脫空是最主要破壞類型之一,評定脫空情況是其結(jié)構(gòu)質(zhì)量評估與維修保養(yǎng)的重要內(nèi)容。早期的道面板底脫空判定主要依據(jù)經(jīng)驗,隨著其他領(lǐng)域檢測設(shè)備的引入,板底脫空判定理論不斷完善;彎沉、探地雷達、振動頻譜分析及熱紅外成像等脫空識別方法被相繼提出,且得到了工程應(yīng)用。不同方法的優(yōu)缺點對比如表3所示。

表3 脫空檢測方法對比表

目前,準(zhǔn)確有效評價水泥路面板底脫空狀況仍是存在困難的。FWD可判斷路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,但無法確定脫空區(qū)域的幾何特征;聲振法識別率高但易受行車噪音干擾;GPR直觀高效,但其頻率和檢測深度互相制約,檢測圖譜不易讀取,且介電常數(shù)及檢測環(huán)境對檢測精度的影響較大,尤其是在有水的條件下,檢測的精度將極大降低;紅外熱成像法直觀、快速,但對圖像處理技術(shù)要求更高。因此,脫空的無損檢測研究主要集中在GPR法或基于FWD和GPR的聯(lián)合檢測方法上。

3 結(jié)語

脫空病害的識別對于處治方案的設(shè)計十分關(guān)鍵,當(dāng)前檢測識別技術(shù)仍有必要進一步研究改進:

(1)快速識別路面板下狀態(tài),僅正確作出定性判斷仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,還應(yīng)進一步研究可判斷出需要處理的脫空區(qū)域的精確位置和幾何形態(tài)的技術(shù)。

(2)部分識別技術(shù)雖只能提供脫空定性結(jié)果,但仍應(yīng)簡化其儀器設(shè)備。