邱 凡

（江西省四通路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,江西 新余 338000）

0 引言

板底脫空是水泥混凝土路面常見(jiàn)的病害形式，板底脫空出現(xiàn)后，必將引發(fā)應(yīng)力集中，斷板等病害，進(jìn)而影響路面承載性能和使用壽命。在日常養(yǎng)護(hù)及提質(zhì)改造過(guò)程中，必須及時(shí)預(yù)防并處治脫空病害，而如何準(zhǔn)確測(cè)定板底脫空狀況是預(yù)防與處治的前提。當(dāng)前，關(guān)于板底脫空的檢測(cè)方法主要有聲波法、雷達(dá)法、落錘式彎沉儀法、貝克曼梁法等，以上方法均存在檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜，施測(cè)難度大，費(fèi)用高等問(wèn)題。因此，已經(jīng)有研究者開(kāi)始探索振動(dòng)檢測(cè)方法判斷水泥混凝土路面脫空的工程問(wèn)題。

基于此，該文依托高速公路水泥混凝土路面實(shí)際，展開(kāi)地震波法在路面脫空檢測(cè)中應(yīng)用情況的分析，驗(yàn)證此類方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并為工程應(yīng)用提供借鑒參考。

1 地震波法檢測(cè)路面脫空的原理

水泥混凝土面板遭受瞬間沖擊荷載作用后，只表現(xiàn)出瞬態(tài)振動(dòng)，而無(wú)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)；沖擊結(jié)束后面板將以自然頻率持續(xù)表現(xiàn)出自由振動(dòng)。在路面板層間摩擦力與相鄰面板間側(cè)向約束力的作用下，板體受到豎向沖擊荷載或行車(chē)荷載作用后，僅產(chǎn)生小幅度豎向位移。故可將水泥混凝土路面板遭受瞬態(tài)沖擊后產(chǎn)生的振動(dòng)簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)的自由振動(dòng)過(guò)程[1]。

對(duì)于板底脫空的路面板而言，在受到?jīng)_擊荷載作用后，振動(dòng)頻率、振幅、振動(dòng)周期等振動(dòng)特性參數(shù)會(huì)表現(xiàn)出一定差異。板底脫空面積越大，面板振動(dòng)系統(tǒng)等效剛度削減也越嚴(yán)重，自然頻率也越低，振動(dòng)周期越長(zhǎng)。

檢測(cè)開(kāi)始前，將振動(dòng)傳感器布設(shè)于混凝土面板邊或板角，再借助激振設(shè)備向相應(yīng)位置施加沖擊荷載，同時(shí)通過(guò)振動(dòng)儀監(jiān)測(cè)和收集面板振動(dòng)信號(hào)，對(duì)信號(hào)展開(kāi)頻域和時(shí)域分析[2]，并探索不同脫空狀態(tài)下路面板振動(dòng)特性規(guī)律，達(dá)到水泥混凝土路面板底脫空振動(dòng)評(píng)價(jià)的目的。

2 工程應(yīng)用

某高速公路全長(zhǎng)114 km，雙向四車(chē)道設(shè)計(jì)，全線均采用水泥混凝土路面，部分高填方路段為連續(xù)配筋混凝土路面，公路于2016 年建成通車(chē)。為進(jìn)一步提升公路段服務(wù)能力和行車(chē)舒適度，降低噪聲和日常養(yǎng)護(hù)壓力，公路管理部門(mén)于2022 年底對(duì)公路進(jìn)行加鋪瀝青面層的升級(jí)改造。在加鋪養(yǎng)護(hù)前，對(duì)原路面板底脫空等病害進(jìn)行全面處治，考慮工期緊、任務(wù)重，經(jīng)過(guò)比選、研討與論證后，決定采用施測(cè)簡(jiǎn)便、測(cè)值精度高的地震波法檢測(cè)技術(shù)。

2.1 混凝土板脫空室內(nèi)檢測(cè)

2.1.1 檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合該公路實(shí)際并參考常用路面結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)用相似性原理，按照一定縮放比例擬定室內(nèi)脫空試驗(yàn)板尺寸?；鶎釉囼?yàn)板長(zhǎng)×寬×高為2 700×1 200×80 mm；面層試驗(yàn)板長(zhǎng)×寬×高為1 500×1 000×80 mm，具體情況見(jiàn)圖1。

圖1 基層試驗(yàn)板與面層試驗(yàn)板布置情況（mm）

對(duì)于板底脫空的水泥混凝土路面而言，脫空區(qū)通常形似三角形楔形體，脫空高度一般為0～5 mm，故室內(nèi)檢測(cè)時(shí)，通過(guò)預(yù)埋1 塊直角邊長(zhǎng)均為600 mm、斜邊高度3 mm 及1 塊直角邊長(zhǎng)均為600 mm、斜邊高度為6 mm的木質(zhì)等腰直角三角形模板以形成脫空區(qū)。模板埋設(shè)后形成圖1 中的A 脫空區(qū)和B 脫空區(qū)，兩個(gè)脫空區(qū)面積相等，埋深分別為3 mm 和5 mm。在基層試驗(yàn)板上按設(shè)計(jì)厚度澆筑貧混凝土后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d；待基層實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到要求后在其上安裝模板，并澆筑面層試驗(yàn)板混凝土?？紤]試驗(yàn)期間面板前后移動(dòng)的便利性，還應(yīng)在面層試驗(yàn)板4個(gè)邊角處埋設(shè)吊環(huán)，并在相應(yīng)位置布設(shè)少量鐵絲，增強(qiáng)板角處結(jié)構(gòu)的抗彎拉強(qiáng)度。

室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中面層、基層模板高度應(yīng)和面層、基層厚度保持一致，利于混凝土初步刮平，確保面層和基層接觸面的平整度，避免面層水平移動(dòng)時(shí)在預(yù)先設(shè)置的三角形脫空區(qū)外出現(xiàn)新的脫空區(qū)，增大試驗(yàn)難度，并影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

測(cè)試儀器參數(shù)中采樣率、量程最為關(guān)鍵。采樣率過(guò)低必然造成待測(cè)信號(hào)波形失真，采樣率過(guò)高則會(huì)縮短采樣時(shí)間，造成部分待測(cè)信號(hào)丟失[3]。在量程設(shè)置時(shí)，必須確保各通道待采樣幅度最大峰值均位于量程檔以下，以防出現(xiàn)信號(hào)削頂，影響檢測(cè)精度。

2.1.2 檢測(cè)過(guò)程

在檢測(cè)前準(zhǔn)備激振器，1 個(gè)豎向傳感器和2 個(gè)水平傳感器，此外，還準(zhǔn)備可自動(dòng)采集記錄各類地震波、機(jī)械振動(dòng)等沖擊信號(hào)的IDTS3850 振動(dòng)記錄儀。檢測(cè)前連接傳感器和記錄儀，檢測(cè)過(guò)程中，儀器會(huì)將電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)，并通過(guò)RS232 串行口實(shí)現(xiàn)與電腦的實(shí)時(shí)通訊，各類特征參數(shù)值最終通過(guò)波形、圖譜的形式由計(jì)算機(jī)顯示。

在脫空板標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)30 d 后展開(kāi)室內(nèi)檢測(cè)。檢測(cè)前按要求連接儀器，檢查并確保各儀器與振動(dòng)測(cè)試儀上的相應(yīng)通道一一對(duì)應(yīng)，無(wú)誤后通過(guò)強(qiáng)力粘膠固定傳感器，待膠水凝固且粘接牢固后，根據(jù)檢測(cè)要求進(jìn)行采樣率、量程、觸發(fā)電頻、觸發(fā)模式等測(cè)試參數(shù)設(shè)置[4]。

室內(nèi)檢測(cè)主要擬定出5 種工況，見(jiàn)表1。經(jīng)試錘試驗(yàn)確定，當(dāng)落錘高度為3 mm 時(shí)，既符合檢測(cè)儀器量程，又不會(huì)引發(fā)振動(dòng)參數(shù)間較大的差值，故各類工況下落錘高度均按3 mm 確定[5-6]。

表1 室內(nèi)檢測(cè)工況

為準(zhǔn)確界定不同脫空狀態(tài)，研究引入脫空率的概念，即板角脫空區(qū)域面積與整個(gè)混凝土面板面積之比[5]，公式如下：

式中，λ——脫空率；x、y——直角三角形脫空區(qū)的直角邊邊長(zhǎng)（mm）；A——發(fā)生脫空的水泥混凝土面板面積（m2）。

將該室內(nèi)檢測(cè)相關(guān)參數(shù)值代入式（1），可以得到5種工況下板角區(qū)脫空率分別為0%、2.08%、2.08%、8.33%、8.33%[7]。

2.1.3 檢測(cè)結(jié)果

水泥混凝土面板脫空室內(nèi)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，表中各組數(shù)據(jù)均由3 個(gè)通道IDTS3850 振動(dòng)儀測(cè)值組成。各通道均與1 個(gè)固定傳感器對(duì)應(yīng)，通道1 對(duì)應(yīng)垂直向傳感器，通道2 和3 對(duì)應(yīng)水平向傳感器，各測(cè)點(diǎn)展開(kāi)8 次重復(fù)性檢測(cè)，最后取均值。

表2 室內(nèi)地震波檢測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)表中測(cè)試結(jié)果，通道2 和通道3 測(cè)值較為接近，而通道1 測(cè)值差異較大。通過(guò)對(duì)通道1 測(cè)值柱形圖及脫空情況時(shí)程曲線、頻譜圖等的分析看出，脫空面積是影響主頻、振動(dòng)時(shí)間、振速等振動(dòng)信號(hào)特征的關(guān)鍵因素，脫空深度對(duì)振動(dòng)信號(hào)特征的影響幾乎可忽略不計(jì)[8]。

當(dāng)脫空狀態(tài)從工況1 向工況5 變化時(shí)，通道1 主頻均值從1 011.943 1 Hz 降至49.017 3 Hz；最大振速均值從3.187 1 cm/s 增至14.621 7 cm/s；振動(dòng)時(shí)間從8.583 0 ms增至25.567 0 ms。通道2 和通道3 各檢測(cè)參數(shù)的變動(dòng)趨勢(shì)與通道1 基本一致，因板角脫空呈懸臂狀，激勵(lì)也在豎向發(fā)揮作用，通道1 恰好與豎向傳感器連接，故通道1各項(xiàng)測(cè)值的變化趨勢(shì)更為明顯。

總之，水泥混凝土路面脫空率與振動(dòng)信號(hào)特征參數(shù)間存在較好的相關(guān)關(guān)系。

2.2 混凝土板脫空室外檢測(cè)

2.2.1 檢測(cè)過(guò)程

在室外檢測(cè)階段，主要依托該公路病害實(shí)際，展開(kāi)水泥混凝土面板板底脫空情況調(diào)查。具體而言，根據(jù)《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTJ 073.1—2011），以彎沉超出0.2 mm 為面板脫空初步判定標(biāo)準(zhǔn)；并結(jié)合板底錯(cuò)臺(tái)、唧漿及錘擊回聲等對(duì)脫空程度進(jìn)行綜合判斷。

2.2.2 檢測(cè)結(jié)果

混凝土板脫空室外檢測(cè)儀器和方案與室內(nèi)檢測(cè)基本一致，僅激勵(lì)施加方式不同。室外主要通過(guò)10 kg 重的30LB 型鐵錘施加地震波，落錘高度按2.1 m 控制，在與傳感器相距10～20 cm 處展開(kāi)錘擊。試驗(yàn)工況簡(jiǎn)化為板底無(wú)脫空和板底脫空兩種，該公路水泥混凝土路面脫空室外地震波檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3[9]。

表3 室外地震波檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)表中試驗(yàn)結(jié)果可以得出該高速公路地震波檢測(cè)中不同脫空狀態(tài)下振動(dòng)參數(shù)變化的趨勢(shì)規(guī)律。據(jù)此可知，隨著脫空狀態(tài)的變化，室外檢測(cè)結(jié)果變動(dòng)趨勢(shì)規(guī)律與室內(nèi)檢測(cè)結(jié)果基本一致，即通道1 板底有脫空時(shí)的振動(dòng)時(shí)間和最大振速均較大，主頻降幅明顯，通道2 和通道3變化規(guī)律相似，但變動(dòng)程度略小。

可見(jiàn)，水泥混凝土路面板底脫空程度和主頻、振動(dòng)時(shí)間、振速等相關(guān)性較好，根據(jù)振動(dòng)板主頻、振動(dòng)時(shí)間、振速等參數(shù)取值情況，便可推斷出水泥混凝土板底脫空程度。

3 結(jié)論

綜上所述，水泥混凝土面板板底脫空面積對(duì)地震波振動(dòng)特性參數(shù)影響較大；隨著板底脫空狀態(tài)的變化，室內(nèi)、室外地震波測(cè)值變動(dòng)的趨勢(shì)規(guī)律基本一致；板底脫空狀態(tài)和主頻、振動(dòng)速度、振動(dòng)時(shí)間等特性參數(shù)間存在較好的相關(guān)關(guān)系，可以通過(guò)各參數(shù)取值大小展開(kāi)對(duì)水泥混凝土路面脫空病害及程度的判斷。此外，地震波法檢測(cè)板底脫空病害比其他檢測(cè)方法更具優(yōu)勢(shì)，施測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)易于獲取，測(cè)試結(jié)果精度高，可在水泥混凝土路面脫空病害檢測(cè)中推廣應(yīng)用。