田勝權(quán)

（貴州省興仁公路管理段,貴州 興仁 562300）

0 引言

由于半剛性基層材料具有干縮、溫縮特性，施工后易產(chǎn)生早期裂縫，在車輛荷載、環(huán)境因素綜合作用下，裂縫逐漸擴(kuò)大甚至反射至瀝青面層，引起道路自下而上的結(jié)構(gòu)性裂縫，破壞路面的整體性、連續(xù)性。因此有必要深入分析裂縫產(chǎn)生的機(jī)理，提出有效的防治措施。為有效評(píng)價(jià)半剛性基層裂縫的深度，采用探地雷達(dá)（GPR）、落錘輕型彎沉儀（PFWD）兩種測試方法對(duì)某二級(jí)公路項(xiàng)目的半剛性基層裂縫進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，與鉆芯結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析[1]。

1 GPR 與PFWD 測試裂縫深度試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)G354 線二級(jí)公路半剛性基層路面裂縫病害采用探地雷達(dá)（GPR）、落錘輕型彎沉儀（PFWD）兩種非破壞性檢測方法檢測裂縫深度。

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

選取G354 線K1575+000~K1577+000 路段，該路段路面為半剛性基層路面，構(gòu)成自上而下為10 cm 瀝青面層+25 cm 水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm 級(jí)配碎石底基層。選定該路段路面的12 條橫向裂縫作為測試對(duì)象，分別編號(hào)為F1-F12，每條裂縫標(biāo)記測點(diǎn)，裂縫分布示意圖如圖1 所示。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計(jì)，裂縫分為三種類型：橫向貫穿裂縫、局部橫向裂縫和縱向裂縫[2-3]。其中橫向貫穿裂縫最多，占總裂縫數(shù)量的58%，橫向貫穿路面。局部橫向裂縫次之，占總裂縫數(shù)量的34%?？v向裂縫最少，占總裂縫數(shù)量的8%，沿行車方向延伸。

圖1 測量裂縫相對(duì)位置圖

試驗(yàn)設(shè)備：GPR 試驗(yàn)采用美國GSSI 公司的SIR-3000 型探地雷達(dá)系統(tǒng)，400 MHz 發(fā)射天線；PFWD 試驗(yàn)采用美國KUAB 公司的SW-600 型落錘輕型彎沉儀，錘頭重量6 kg，落距600 mm。

1.2 試驗(yàn)步驟

GPR 試驗(yàn)步驟：①將天線組沿著裂縫方向移動(dòng)，保持與路面緊密接觸；②設(shè)置掃描參數(shù)，開始掃描；③將掃描得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件RADAN中，進(jìn)行處理，標(biāo)記出裂縫位置和深度。

PFWD 試驗(yàn)步驟：①將落錘裝置放置在測試點(diǎn)上；②設(shè)置測試參數(shù)，開始測試；③將測試得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件中，進(jìn)行處理，計(jì)算出裂縫深度[4-5]。

1.3 GPR 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

探地雷達(dá)（GPR）的工作原理是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波從一種介質(zhì)傳入另一種介質(zhì)時(shí)，如兩種介質(zhì)電性參數(shù)不同，會(huì)產(chǎn)生反射波。因此，電磁波遇到裂縫時(shí)，由于裂縫內(nèi)部充滿空氣或水等低電導(dǎo)率介質(zhì)，與路面材料形成明顯的電性差異，從而產(chǎn)生反射波，通過測量反射波到達(dá)時(shí)間和振幅強(qiáng)度，可以推斷出裂縫位置和深度。

試驗(yàn)采用美國GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-3000 型探地雷達(dá)系統(tǒng)的400 MHz 的發(fā)射天線。400 MHz 的發(fā)射天線具有較高的分辨率和較深的探測深度，適合于路面裂縫深度的檢測。每條裂縫標(biāo)記測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)上的發(fā)射天線、接收天線沿著裂縫方向移動(dòng)，保持與路面緊密接觸，設(shè)置掃描參數(shù)，開始掃描。將掃描到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件RADAN 中，進(jìn)行處理后標(biāo)記出裂縫位置[6]。

1.4 PFWD 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

便攜式彎沉儀（PFWD）的工作原理是通過測量路面在荷載作用下的彎沉值反推出路面的彈性模量，進(jìn)而推斷出路面結(jié)構(gòu)的損傷程度、裂縫深度。首先，按照?qǐng)D2所示，每條裂縫標(biāo)記4 個(gè)測點(diǎn)，分別位于裂縫中心、左右兩側(cè)距裂縫0.1/0.15 m、0.2 m、0.3 m 處。每個(gè)測試點(diǎn)的PFWD 放置于距離裂縫不同距離的位置，如圖2 所示。

圖2 裂縫處PFWD 測試原理示意圖

將落錘提升至固定高度，釋放落錘，數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)收集地面彎沉值。通過分析不同位置的彎沉值，可確定裂縫位置及深度[7]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及可行性評(píng)估

2.1 GPR 測試結(jié)果及可行性評(píng)估

GPR 試驗(yàn)結(jié)果顯示無法根據(jù)探地雷達(dá)圖像識(shí)別裂縫位置及深度，經(jīng)分析無法評(píng)價(jià)裂縫的原因如下：

（1）裂縫過窄過深。半剛性基層裂縫深度一般超過20 mm，400 MHz 發(fā)射天線的探測深度較大，但分辨率較低，無法有效檢測到裂縫所在的位置和深度。電磁波沿著垂直于裂縫方向進(jìn)行掃描時(shí)，由于裂縫寬度過窄，電磁波很難被裂縫反射或透射，因此探地雷達(dá)圖像中無法形成明顯的反射波帶。

（2）路面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，介電特性不均勻。半剛性基層路面結(jié)構(gòu)主要分為瀝青面層、水穩(wěn)基層兩部分，每部分組成材料不同，介電特性不同。而裂縫內(nèi)部可能存在石子、沙子、黃土等不同物質(zhì)，也會(huì)影響介電特性。這些因素導(dǎo)致電磁波在路面結(jié)構(gòu)中的傳播受到干擾，反射波信號(hào)弱化或失真。因此，探地雷達(dá)圖像中難以區(qū)分裂縫和其他路面結(jié)構(gòu)的反射波信號(hào)[8]。

2.2 PFWD 測試結(jié)果及可行性評(píng)估

通過分析PFWD 方案測得的裂縫彎沉值變化發(fā)現(xiàn)裂縫處的彎沉值最大，且與距離裂縫處的距離成反比。同時(shí)，由于不同深度的裂縫造成的路面結(jié)構(gòu)影響不同，因此裂縫處的彎沉值也不同，且PFWD 的作用范圍也不同，具體見表1。

表1 不同裂縫的彎沉值測試結(jié)果/mm

為評(píng)價(jià)PFWD 方案評(píng)價(jià)裂縫的可行性提出PFWD 作用范圍、裂縫處與距裂縫最遠(yuǎn)處的彎沉差值2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)指標(biāo)將裂縫分為半剛性基層產(chǎn)生的反射裂縫和面層開裂2 種。①半剛性基層產(chǎn)生的反射裂縫的PFWD 作用范圍較大（≥30 cm），最大彎沉值較大，路面結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，需立即修補(bǔ)；②面層開裂的PFWD 作用范圍較?。ā?0 cm），最大彎沉值＜0.130 μm，半剛性基層結(jié)構(gòu)大體完整。當(dāng)PFWD 作用范圍為0 cm 時(shí)，說明裂縫造成的路面結(jié)構(gòu)影響可忽略不計(jì)，具體見表2。

表2 裂縫評(píng)價(jià)結(jié)果

表2 顯示了PFWD 作用范圍、最大彎沉值與裂縫等級(jí)之間的關(guān)系。不同等級(jí)的裂縫對(duì)應(yīng)不同的裂縫修補(bǔ)方法。①嚴(yán)重裂縫。半剛性基層開裂導(dǎo)致的反射裂縫，其PFWD 作用范圍為±30 cm，最大彎沉值＞0.130 μm，路面結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，需立即進(jìn)行注漿修補(bǔ)；②中等裂縫。僅面層開裂的裂縫，其PFWD作用范圍為±（10~20）cm之間，最大彎沉值＜0.130 μm，半剛性基層大體完整，需進(jìn)行長期跟蹤識(shí)別。輕微裂縫。幾乎不影響路面使用，PFWD無法測出彎沉值；③通過裂縫鉆取芯樣證明嚴(yán)重裂縫為半剛性基層開裂，中等裂縫、輕微裂縫僅為面層開裂，說明PFWD 可客觀評(píng)價(jià)半剛性基層裂縫深度[9]。

3 鉆芯結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證PFWD 方案評(píng)價(jià)裂縫深度的有效性，需對(duì)裂縫進(jìn)行鉆芯試驗(yàn)，對(duì)比PFWD 評(píng)價(jià)結(jié)果、鉆芯試驗(yàn)結(jié)果。鉆芯試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。結(jié)合表2~3 可以看出，PFWD評(píng)價(jià)結(jié)果、鉆芯試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

表3 鉆芯試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

根據(jù)表3 可知裂縫類型評(píng)價(jià)為嚴(yán)重的裂縫深度均超過面層厚度15 cm，屬于半剛性基層開裂導(dǎo)致的反射裂縫；裂縫類型評(píng)價(jià)為中等的裂縫深度較淺，只有面層開裂，半剛性基層未受損；裂縫類型評(píng)價(jià)為輕微的裂縫深度僅有3 cm[10]。

綜合分析PFWD 方案評(píng)價(jià)裂縫深度的試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：①PFWD 可反映出裂縫的作用范圍，即距離裂縫最遠(yuǎn)的影響距離：嚴(yán)重裂縫為±30 cm；中等裂縫為±（10~20）cm；輕微裂縫為0 cm，即沒有影響范圍，可見裂縫的作用范圍與裂縫深度成正比；②PFWD 方案可以區(qū)分不同類型的裂縫：評(píng)價(jià)為嚴(yán)重的裂縫是由半剛性基層開裂引起的反射裂縫，其深度范圍15~40 cm；評(píng)價(jià)為中等的裂縫，只有面層開裂，深度范圍6~8 cm；評(píng)價(jià)為輕微的裂縫深度最淺，不超過3 cm。

4 結(jié)語

綜上所述，該文介紹了一種利用探地雷達(dá)（GPR）、落錘輕型彎沉儀（PFWD）評(píng)價(jià)G354 線二級(jí)公路半剛性基層裂縫現(xiàn)場試驗(yàn)的方案。通過對(duì)比分析GPR、PFWD的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)GPR 無法有效識(shí)別裂縫位置和深度，而PFWD 可以根據(jù)作用范圍、彎沉值最大值區(qū)分不同類型、不同深度的裂縫，其試驗(yàn)結(jié)果與鉆芯試驗(yàn)結(jié)果基本一致。因此，PFWD 是一種可行的半剛性基層裂縫深度評(píng)價(jià)方法，為半剛性基層瀝青路面的裂縫識(shí)別、修補(bǔ)提供了參考依據(jù)。