水泥混凝土路面不同脱空检测方法识别率的对比验证

　文章编号:0451-0712(2007)01-0090-04 中图分类号:U41816 文献标识码:B

水泥混凝土路面不同脱空检测方法识别率的对比验证

薛忠军1,王端宜2,张肖宁2,李　智2,邱丽章2(11哈尔滨工业大学交通科学与工程学院　哈尔滨市　150090;21华南理工大学道路工程研究所　广州市　510641)

摘　要:通过水泥板每孔灌浆量以及与其他孔连通情况,对几种脱空检测方法进行了验证。在500m长的试验路中分别使用了FWD、声振法等设备进行了脱空检测,通过比较每孔灌浆量的方法对几种检测方法进行了验证,得到了不同检测方法的识别率,为施工单位选择适当的检测方法提供了依据。关键词:水泥混凝土路面;脱空检测;FWD;声振法;脱空检测识别率

旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层是用来改善旧水泥混凝土路面使用性能的常用方式,但其中有许多技术难题未能得到很好解决。旧路预处治的好坏是决定加铺层寿命的一个重要因素。旧水泥混凝土路面在使用过程中可能已经存在各种病害与缺陷,这些病害与缺陷使得实施沥青混凝土加铺层技术变得更加困难。其中板底脱空处理技术又是众多病害处理技术中的难点之一。如果板底脱空得不到很好地处治,板底脱空会使路面板在荷载作用下承受更大的拉应力或拉应变而导致加铺层厚度增加;使相邻板在车轮荷载作用下产生更大的错动而导致反射裂缝严重;相邻板传递荷载能力下降不仅增加了板间错动位移,也使温度变化引起的水泥混凝土路面板胀缩变形更多地传递给沥青混凝土加铺层,从而加剧反射裂缝的发生与发展。因此,脱空病害处治的好坏直接影响到了加铺层的寿命。目前,脱空检测有很多方法,但各种方法的识别率高低没有对比验证,致使工程单位不能很好地选择有效的脱空检测方法进行检测。因此,有必要对目前常用的脱空检测方法进对比较验证。1　板底脱空检测方法概述目前,水泥混凝土路面脱空判断方法主要可以分为以下几类:(1)外观判别法,包括人工观测车辆经过时板的震动状况,下雨天时接缝的唧水、唧泥现象等,板缝边缘有无泥浆沉积物等;

(2)撞击法,用铁钎敲击板边,根据不同的声音

判断是否脱空,此方法需要经验丰富者才能进行判断,而且只能判断出有明显脱空的板块;

(3)弯沉判别法,采用贝克曼梁测量相邻两块板

的弯沉,根据承载板的弯沉值及承载板与未承载板的弯沉差进行综合判断;

(4)多级荷载回归法,该方法采用

FWD进行多级

荷载加载,绘制不同荷载弯沉回归线,进行脱空判断;

(5)声振法,该方法利用声音传感器采集通过标

准锤敲击水泥路面的声音信号,分析声音信号的特征,通过声音的特征信息来判断水泥板是否脱空;

(6)反演分析法

[1,2]。

上述方法中,前两种操作简单,人为因素多,准确性差,而且无法定量化;弯沉法计算简单但是精度不高,不能精确定量,其确定的脱空标准还与结构有关,针对不同结构需对脱空标准进行校正,不具有广泛的适用性;反演法由不同的反算程序得到的结果也不相同。因此,本工程主要对多级荷载回归法、声振法进行了比较验证。111　FWD截距法目前利用落锤式弯沉仪即FWD检测水泥混凝土路面得到的表面弯沉,进行水泥混凝土路面板底脱空判断的算法有很多,其中有两种方法被认为是

基金项目:广州市科技攻关重点项目(06A1311358)收稿日期:2006-06-02

　公路　2007年1月　第1期 HIGHWAY　Jan12007　No11　可靠度最高的方法:截距法(多级荷载回归法)和CTR法(夹角法)。截距法是NCHRP研究中建立的方法,目前被认为是一种比较理想的脱空检测方法,已被AASHTO规范引用。其理论基础是:理论计算和现场测试均表明,在板角脱空出现之前,回归曲线推算的零荷载板角弯沉应当为零,或接近于零。利用FWD对水泥混凝土路面施加分级荷载,然后利用荷载板中心的弯沉与相应的分级荷载画出荷载弯沉图,通过回归直线的截距来判断脱空情况。如果线性回归曲线在弯沉轴的截距大于50Λm则认为板底存在脱空,否则认为板底不存在脱空[3]。112　FWD夹角法CTR法又称夹角法,利用FWD检测得到的弯沉盆进行脱空判断。首先画出弯沉盆图,对距FWD荷载盘中心30cm与180cm的弯沉点进行连线,经过距FWD荷载盘中心180cm的弯沉点作一条水平线,利用这2条直线之间的夹角Q进行脱空判断。运用反正切公式即可算出Q来,但由于实际上Q的数值很小,所以计算时统一把距FWD荷载盘中心距离为30cm与180cm的弯沉点之间的水平距离规格化为60916Λm(目的是放大计算的结果便于判断),Q的计算公式为:Q=(arctan((D30-D180)󰃗60916)×180Π(1)式中:D30是距离荷载盘中心30cm点弯沉值;D180是距离荷载盘中心180cm点弯沉值。113　声振法检测脱空声振检测是激励被测试件产生机械振动(声波),测量其振动的声音信号特征来判定质量的技术。敲击法是其中最简单而又经常应用的例子,也是易于实施的和廉价的方法。刚性路面敲击声识别系统如图1所示。落锤从固定高度自由降落敲击刚性路面而发声,通过传声器采集该声音信号,然后提取声信号的频域特征,通过声音的频域的频率、峰值、带宽等信号特征判断路面是否脱空。图1　刚性路面脱空识别系统结构2　脱空检测验证211　试验路概况及实验方案试验路为京珠国道主干线粤境高速公路甘塘至太和段其中的一段。由于不能中断交通,因此试验路选择了北行的一个主车道,长500m,共计101块板。除去37块断板要做换板处理,课题组对剩下的64块板同时使用了声振法、截距法和夹角法进行了检测。其中用声振检测法测出了87点为脱空点,分布于47

块上。FWD对所有板靠近路肩主车道的2个板角进行了脱空检测,由于不能中断交通所以靠近行车一侧的两个板角没有进行检测。其中共检测出脱空点55个,分布在43块板上。通过3种检测结果汇总看出截距法和声振法二者重合的板块有25块板,夹角法只有3板块与声振法重合。这说明这三种检测方法一致性不是很好。需要寻找一种方法来验证到底哪种检测方法,检测出的脱空板数量与实际真正脱空的板更吻合。脱空板验证是一件困难的事情,由于它位于板底无法直接看到,即使可以通过纵向切板观察的方法来看脱空的情况,也很难确定哪块板是脱空的。当时该标段正进行加宽扩建,我们从切开的路肩对脱空状况进行了观察,见图2。

图2　雨后从切板侧面观察路面脱空情况

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2007年　第1期 薛忠军等:水泥混凝土路面不同脱空检测方法识别率的对比验证 从图2

(

a)

中可以看出基层与面层有微小缝隙

,

图2

(

b)中看出基层与面层相对于图2(a)有更大缝

隙,好像是脱空了,实际上图2

(

b)该处并没有脱空。

因为这两张照片是雨后同一天照的。如果图2

(

b)

板

块脱空,两块板的接缝处也会像图2

(

a)

一样接缝会

有水浸湿的现象,而图2

(

b)

基层与面层之间是干燥

的,因此可以断定这两块板切开这一侧没有脱空现象。因此,通过切板直接观察很难准确验证脱空情况。雨后脱空处有浸湿的这种现象给了我们启示,是否可以通过灌注液体的方法来验证脱空检测的结果。因此,我们确定了如下的实验方案:(1)同时使用上述3种方法对需换板之外的64块板进行脱空检测;(2)对检测过的64块板都进行灌浆,灌浆时记录每个孔的灌浆压力、灌浆量;(3)做合理的假设,通过灌浆量来验证几种检测方法的识别率。212　基本假设及验证结果如果用灌浆量来验证脱空检测的结果,所面临一个问题就是要确定一个孔灌注多少浆液可以定义为板底有脱空现象发生。为了确定这个量对声振法和FWD检测出的板块进行了随机钻芯取样观察灌浆层厚度。通过钻芯取样测量脱空板底灌浆层的厚度,最薄的灌浆层厚度为2～3mm,最厚的灌浆层为15mm。见图3。从取芯的情况来看可以保守地假设:如果板底脱空,灌浆层厚度平均为3mm。图3中的3幅图是四分之一板块内离灌浆孔不同距离的芯样,以此来观察灌浆影响的范围,从每幅图中可以看出灌浆层分布是比较均匀的。因此,如果通过灌浆量来验证脱空情况我们可以做如下假设:

(1)假设一个孔的灌浆影响范围为四分之一板

块如图4,如果板底脱空,单孔灌浆量应平均为5×4125÷4×01003=01015m3,相当于桶中高差6cm

(桶直径为55cm),那么灌浆量大于等于平均值

01015m3,认为这块板为脱空板;(2)如果一个孔同其他的孔存在连通现象,即从

该孔灌浆从其他孔发生冒浆现象,认为该板为脱空板,假设示意图见图4。使用以上假设对64块灌浆板进行验证,验证出有51块板的单孔灌浆量大于01015m3。其中声振法未检测出的板块共11块;40块板通过声振法识别为脱空,FWD截距法识别出23块板。那么通过灌浆量验证出的51块板,真的全是脱空板块吗?带着这个

图3　钻芯取样观察灌浆层厚度图4　灌浆量假设示意疑问,课题组又通过雨后观察板块的唧泥现象和重车经过后板块的松动情况,对这51块板进行了多次验证,发现大部分板块确实是脱空的,说明通过灌浆量的方法来验证板块脱空情况是可行的。此外,课题组对声振法未检测出的板块的灌浆情况和压力情况做了详细地分析。分析表明漏判的位置多集中在板块的2号和3号孔位置,见图4,这两

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