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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

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

板底脫空是水泥路面常見(jiàn)的病害之一,車(chē)輛荷載、不均勻沉降、翹曲(溫度翹曲或濕度翹曲)均會(huì)造成道面板底脫空。脫空后的水泥板塊需得到及時(shí)處治,否則將迅速產(chǎn)生破裂,嚴(yán)重影響行車(chē)質(zhì)量和路面使用壽命,大幅增加維修費(fèi)用和難度[1]。脫空處治前需對(duì)脫空位置及大小進(jìn)行有效評(píng)定。目前脫空檢測(cè)識(shí)別技術(shù)種類(lèi)不少,其中以彎沉法最為常見(jiàn),聲振法與探地雷達(dá)法等也逐漸在工程中得到應(yīng)用[2]。然而,各類(lèi)脫空檢測(cè)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(shí)別方法仍是當(dāng)前研究努力的方向,這對(duì)于指導(dǎo)水泥路面的檢測(cè)、評(píng)價(jià)、維修養(yǎng)護(hù)將具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 脫空檢測(cè)方法

1.1 人工判別法

觀察相鄰板的錯(cuò)臺(tái)、唧泥、車(chē)輛通過(guò)時(shí)的翹動(dòng)及聽(tīng)取錘擊時(shí)的面板回聲等均是較為常用的人工判別法。美國(guó)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(méi)有出現(xiàn)脫空[3-4]。在國(guó)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯檢驗(yàn),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(cuò)臺(tái)高差判別板底是否脫空,認(rèn)為一般情況下,5 mm內(nèi)的錯(cuò)臺(tái)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(jiǎn)單易行,但需知道當(dāng)脫空較為嚴(yán)重時(shí),病害特征才會(huì)令人察覺(jué)。受主觀因素、環(huán)境條件及檢測(cè)人員的專(zhuān)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(cè)方法來(lái)進(jìn)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(shí),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(dòng)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(cè)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(jiǎn)單的杠桿原理,通過(guò)讀取測(cè)試梁后壁端點(diǎn)的位移推算前臂端點(diǎn)所測(cè)出的輪隙處回彈彎沉,測(cè)得雙側(cè)測(cè)點(diǎn)靜態(tài)彎沉的最大峰值[8]。當(dāng)實(shí)測(cè)彎沉值大于一定標(biāo)準(zhǔn)車(chē)荷載作用下路面板產(chǎn)生變形的限定彎沉值標(biāo)準(zhǔn)時(shí),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(shí)上,國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者對(duì)單一最大彎沉值判定法提出了質(zhì)疑。加拿大學(xué)者試驗(yàn)研究證明僅用單一最大彎沉值評(píng)定脫空的結(jié)果與實(shí)際情形不符。同時(shí),國(guó)內(nèi)也有學(xué)者認(rèn)為簡(jiǎn)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(shí)際工程檢驗(yàn)得出按標(biāo)準(zhǔn)軸載下板角0.2 mm判斷板底脫空情況對(duì)一般路面而言過(guò)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(yùn)用BB法的中重型貨車(chē)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(shí)際所受荷載并不相同,此外其操作不夠簡(jiǎn)便、高效,不適應(yīng)大面積、長(zhǎng)里程的路面檢測(cè)。

1.2.2 動(dòng)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(duì)路面特定位置進(jìn)行豎向錘擊,并采用位移傳感器檢測(cè)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(chē)荷載的動(dòng)力作用,被認(rèn)為是較為理想的無(wú)損檢測(cè)方法。

我國(guó)根據(jù)研究應(yīng)用狀況,將FWD三級(jí)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(cè)試同一板塊不同位置的彎沉,并計(jì)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(diǎn)彎沉/板中彎沉>2.0時(shí)則判定為脫空。

王曉川等[11]對(duì)FWD法和BB法測(cè)得的彎沉值間的關(guān)系進(jìn)行了研究分析,發(fā)現(xiàn)FWD截距法對(duì)板底脫空識(shí)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(shí)宜采用3 t-5 t-7 t或5 t-7 t-9 t的荷載等級(jí),其中5 t-7 t-9 t等級(jí)荷載更適用于大厚度、高強(qiáng)度的板塊檢測(cè)。鑒于環(huán)境溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,建議選擇早晚或陰天時(shí)間段檢測(cè)。

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(cè)試荷載未能引起道面足夠響應(yīng)時(shí)將產(chǎn)生與實(shí)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(duì)彎沉的影響無(wú)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(dòng)幅度、頻率、形式以及能量損耗等振動(dòng)特性判定面板連續(xù)支撐狀況,其中以振動(dòng)頻率指標(biāo)為主[14],數(shù)據(jù)采集見(jiàn)圖1?，F(xiàn)有的聲振法基本為現(xiàn)場(chǎng)單點(diǎn)檢測(cè),檢測(cè)板的聲振信號(hào)易受來(lái)往車(chē)輛影響,故檢測(cè)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(duì)聲音信號(hào)的采集、預(yù)處理方法以及聲學(xué)特征值的提取進(jìn)行了研究,提出了一種以聲壓特征值為相對(duì)指標(biāo)的連續(xù)識(shí)別技術(shù)并進(jìn)行了驗(yàn)證。彭永恒等[15]記錄并分析了加速度特性、振動(dòng)時(shí)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(duì)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(cè)點(diǎn)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(shí)則為500～700 Hz。同時(shí),其試驗(yàn)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(duì)脫空面積及深度等結(jié)果產(chǎn)生影響。李想等[17]開(kāi)展了脫空狀態(tài)動(dòng)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(duì)邊同時(shí)脫空時(shí)最大,且其振動(dòng)最大振幅對(duì)應(yīng)的頻率最小。

1.4 探地雷達(dá)法

大部分探地雷達(dá)(GPR)系統(tǒng)是基于短時(shí)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(guò)程中經(jīng)過(guò)散射和反射的電磁波[18]。由于介電差異,電磁波經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)層時(shí)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(yè)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(gè)時(shí)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(duì)亮度判斷地下結(jié)構(gòu)信息[19]。

圖2 GPR檢測(cè)原理圖

在探地雷達(dá)評(píng)價(jià)水泥混凝土路面板底脫空方面,大尺寸的板底空洞探測(cè)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(píng)價(jià)技術(shù)受限。針對(duì)該問(wèn)題,葛如冰等[20-21]通過(guò)建立路面脫空的實(shí)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(jì)算公式。

實(shí)際操作中,探地雷達(dá)應(yīng)用于板底脫空評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于雷達(dá)掃描圖像的解析。武繼文等[22]通過(guò)GprMax軟件仿真分析,探討了探地雷達(dá)用于水泥混凝土路面板底脫空評(píng)價(jià)時(shí)的掃描圖像特征,結(jié)果表明兩個(gè)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(hào)難以解析,因此無(wú)法識(shí)別板底脫空;充水型脫空的掃描圖像反射波強(qiáng)度低,脫空通過(guò)掃描圖像識(shí)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(shí),水或空氣填充使面板與墊層料之間存在相對(duì)隔熱性結(jié)構(gòu)缺陷。熱傳導(dǎo)受阻,混凝土熱量難以及時(shí)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(shí)測(cè)脫空病害對(duì)水泥路面溫度場(chǎng)的影響,馬廷婕等[24]澆筑了水泥混凝土試驗(yàn)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(gè)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(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)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(shí),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(yàn)和模擬數(shù)據(jù)來(lái)建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù),并配合使用高精度的測(cè)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(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比表

張永健等[25]將紅外熱成像技術(shù)成功運(yùn)用于高速公路舊路面改造工程中,準(zhǔn)確地對(duì)舊水泥路面板底脫空進(jìn)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?chē)鷧^(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(cè)方法對(duì)比分析

水泥路面板脫空是最主要破壞類(lèi)型之一,評(píng)定脫空情況是其結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)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(yàn),隨著其他領(lǐng)域檢測(cè)設(shè)備的引入,板底脫空判定理論不斷完善;彎沉、探地雷達(dá)、振動(dòng)頻譜分析及熱紅外成像等脫空識(shí)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(diǎn)對(duì)比如表3所示。

表3 脫空檢測(cè)方法對(duì)比表

目前,準(zhǔn)確有效評(píng)價(jià)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(wú)法確定脫空區(qū)域的幾何特征;聲振法識(shí)別率高但易受行車(chē)噪音干擾;GPR直觀高效,但其頻率和檢測(cè)深度互相制約,檢測(cè)圖譜不易讀取,且介電常數(shù)及檢測(cè)環(huán)境對(duì)檢測(cè)精度的影響較大,尤其是在有水的條件下,檢測(cè)的精度將極大降低;紅外熱成像法直觀、快速,但對(duì)圖像處理技術(shù)要求更高。因此,脫空的無(wú)損檢測(cè)研究主要集中在GPR法或基于FWD和GPR的聯(lián)合檢測(cè)方法上。

3 結(jié)語(yǔ)

脫空病害的識(shí)別對(duì)于處治方案的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵,當(dāng)前檢測(cè)識(shí)別技術(shù)仍有必要進(jìn)一步研究改進(jìn):

(1)快速識(shí)別路面板下?tīng)顟B(tài),僅正確作出定性判斷仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,還應(yīng)進(jìn)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(shí)別技術(shù)雖只能提供脫空定性結(jié)果,但仍應(yīng)簡(jiǎn)化其儀器設(shè)備。