水泥混凝土路面脫空檢測(cè)儀與 FWD 對(duì)比測(cè)試分析研究

景步軍

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210001）

0 引言

現(xiàn)有的舊水泥路面脫空檢測(cè)方法較為落后，為了尋找精準(zhǔn)、先進(jìn)的檢測(cè)方法，本文擬通過(guò)研究，解決高速公路舊水泥路面脫空檢測(cè)方法和定量判別標(biāo)準(zhǔn)的確定。通過(guò)路面彎沉檢測(cè)設(shè)備 FWD、聲振法脫空檢測(cè)儀等設(shè)備，采集了舊水泥混凝土板的脫空位置的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于檢測(cè)出的脫空板進(jìn)行了灌漿處理，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)路的檢測(cè)取得了滿(mǎn)意的效果，取得了一些可以借鑒的成果，明確了板下脫空的檢測(cè)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)。

1 概述

京珠國(guó)道主干線粵境高速公路甘塘至太和段，全長(zhǎng) 199.3 km。自 2001 年建成通車(chē)以來(lái)，京珠高速公路對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用，是廣東省公路運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展拉動(dòng)了交通量的迅猛增長(zhǎng)，現(xiàn)有道路的通行和服務(wù)水平已不能滿(mǎn)足交通運(yùn)營(yíng)需求。對(duì)京珠高速公路曲江至北興段擴(kuò)建迫在眉睫，大量重載車(chē)輛的增加，造成路面出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞，罩面勢(shì)在必行。

本標(biāo)段起點(diǎn)京珠北 K109＋292，終點(diǎn) K151＋000，全長(zhǎng) 42.788 km，為水泥混凝土路面，設(shè)計(jì)車(chē)速 100 km/h，原路的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表 1 所示。

瀝青加鋪前對(duì)舊路的評(píng)價(jià)和定性十分必要。對(duì)舊水泥混凝土路面病害處理妥當(dāng)與否，將關(guān)系到新增加鋪層路面的使用性能和將來(lái)的使用壽命。因此，有必要對(duì)舊路進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)并給出合理的處理方案。由于每條公路所處的地形、地貌、地質(zhì)、水文地質(zhì)和水溫狀況等條件的不同，每條路都有自己的特點(diǎn)，處理之前應(yīng)該選擇具有代表性的典型路段作為本次的檢測(cè)路段。本段試驗(yàn)路的樁號(hào)為：K121＋900－K121+400 北行的一個(gè)主車(chē)道。

2 技術(shù)要求

加鋪前對(duì)舊水泥混凝土板進(jìn)行一個(gè)細(xì)致而全面的修補(bǔ)是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的內(nèi)容，目前我國(guó) JTJ 073.1－2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》［1］全面涵蓋了這方面內(nèi)容，主要可概括為以下幾點(diǎn)措施。

1）對(duì)嚴(yán)重破碎板塊必須進(jìn)行換板處理，用施工機(jī)械沖擊裝置將破碎板敲碎，移除破碎板，用 C15 或 C20 等素混凝土對(duì)路面基層加以補(bǔ)強(qiáng)，再澆筑標(biāo)號(hào)不低于 C30 的混凝土板塊。

2）脫空板塊。若板塊邊角有唧泥現(xiàn)象，可以認(rèn)為該板塊存在脫空現(xiàn)象，或通過(guò)檢測(cè)認(rèn)定該板塊的彎沉值＞ 0.2 mm，也可認(rèn)為該板塊存在脫空現(xiàn)象。對(duì)脫空板實(shí)施灌漿處理，灌漿后仍以彎沉作為主要控制指標(biāo)。

3）裂縫處理。對(duì)寬度＜ 3 mm 的輕微裂縫，可采用灌漿法；對(duì)貫穿整個(gè)板厚＞ 3 mm ＜ 25 mm 的中等裂縫，可采用條帶罩面法進(jìn)行補(bǔ)縫；對(duì)寬度＞25 mm 嚴(yán)重裂縫則必須采用全深度法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)板塊。

4）板邊板角處理。當(dāng)水泥混凝土板邊、板角輕度剝落時(shí)，用灌縫材料修補(bǔ)平整；嚴(yán)重剝落時(shí)，用切割機(jī)將剝落部分切割成 5～7 cm 槽，按中等裂縫的處理方法處理；全深度破碎時(shí)，按嚴(yán)重裂縫方式處理。

5）對(duì)于錯(cuò)臺(tái)可采用磨平或填補(bǔ)法處理。

6）對(duì)以上各種形式進(jìn)行處理后，即可進(jìn)行灌縫處理、灌縫必須在充分吹凈松動(dòng)及浮土、干燥時(shí)灌入（特別要避免雨后作業(yè)）。

以上只是對(duì)舊混凝土路面病害處理的一般性總結(jié)，處理標(biāo)準(zhǔn)適用于路面養(yǎng)護(hù)。對(duì)于加鋪層的前期舊路處理，有些處理方法應(yīng)該適當(dāng)調(diào)整。其中，板底脫空狀況是眾多病害中最難處理的一種，究其成因主要涉及病害的形成及自身特點(diǎn)等一些內(nèi)在因素；科技發(fā)展水平、檢測(cè)手段、處理技術(shù)是制約問(wèn)題解決的外部因素。

表1 舊水泥混凝土路段結(jié)構(gòu)層

現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法很多［2］，然而對(duì)于檢測(cè)水泥混凝土路面脫空的方法屈指可數(shù)且不能統(tǒng)一。其中人工敲擊混凝土路面聽(tīng)聲法其主觀因素較強(qiáng)，測(cè)試精準(zhǔn)度也不高。為此，希望找到準(zhǔn)確度較高、造價(jià)低廉、測(cè)試速度快、實(shí)用性和可操作性較強(qiáng)的檢測(cè)方法。本文試驗(yàn)路采用了多種方法的聯(lián)合檢測(cè)。目的是希望通過(guò)各方法之間相互驗(yàn)證、板塊的灌漿量、雨后鉆孔觀察洞內(nèi)積水狀況、板塊接縫唧泥狀況、重車(chē)過(guò)后板松動(dòng)情況等多種手段加以考證，最后得出一種準(zhǔn)確度高、造價(jià)低廉、測(cè)試速度快、實(shí)用性和可操作性強(qiáng)的檢測(cè)方法。本次擬采用落錘式彎沉儀（FWD）、聲振檢測(cè)兩種測(cè)試方法。其中落錘式彎沉儀（FWD）檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)，通過(guò)兩種算法進(jìn)行板底脫空判斷。

3 板底脫空檢測(cè)方法比選

3.1 FWD 截距法

落錘式彎沉儀（FWD）測(cè)試水泥混凝土路面板底脫空的方法較多，其中截距值法是其中一種［3］。首先利用 FWD 測(cè)試水泥混凝土路面板角彎沉，并對(duì)同一測(cè)點(diǎn)施加分級(jí)荷載，然后采用荷載板中心的彎沉與對(duì)應(yīng)的分級(jí)荷載繪出荷載作用下的彎沉盆，按照線性回歸統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出回歸直線方程，通過(guò)回歸直線的截距來(lái)判定脫空情況，若測(cè)點(diǎn)的線性回歸截距值＞50μm 即可判定板底存在脫空，否則認(rèn)為板底不存在脫空。

3.2 聲振法

聲振檢測(cè)是利用敲擊測(cè)試件產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，測(cè)試其振動(dòng)的聲學(xué)特征加以判斷的技術(shù)。敲擊法是一種操作簡(jiǎn)便、易于實(shí)施、成本低的方法。落錘以一固定高度做自由落體運(yùn)動(dòng)敲擊剛性路面而發(fā)出聲響，通過(guò)傳感器收集聲音信號(hào)，然后將提取的聲信號(hào)頻域特征，再輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判定路面是否脫空。

3.3 路面聲譜特征提取

在對(duì)激振聲信號(hào)進(jìn)行判別時(shí)，可將信號(hào)的頻譜特征作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，提取出與脫空相關(guān)的信息量。雖然可以將剛性路面的聲譜特征用作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，但不可以直接輸入全部頻譜，應(yīng)該將環(huán)境噪聲進(jìn)行濾波處理，為了減少大量的網(wǎng)絡(luò)輸入還要對(duì)特征模式進(jìn)行降維表達(dá)，減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間。

為了簡(jiǎn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在特征提取中，將全部頻率范圍分為幾個(gè)頻段，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，將第一組頻段分為 5 500～6 500 kHz，1 000～5 500 kHz，500～1 000 kHz，l～500 Hz 共 4 個(gè)頻段，依次定義為α、β、γ和δ。決策融合網(wǎng)絡(luò)輸出依次為α、β、γ和δ。由頻譜分析理論，頻率上占有較強(qiáng)的部分為信號(hào)的峰值頻率。因此，提取這 4 個(gè)頻段內(nèi)頻譜的最大峰值和相應(yīng)的峰值頻率可以作為一組特征量，共有 8 個(gè)特征量。將第二組頻段可以分為 510～615 kHz、1～1 kHz 兩個(gè)頻段，因?yàn)閯傂月访媛曅盘?hào)在這兩個(gè)頻段內(nèi)占有絕大部分信號(hào)能量，信號(hào)較集中。頻譜下方的面積能夠反映聲的能量，剛性路面脫空狀態(tài)與聲波的吸收密切相關(guān)，在用同樣力度對(duì)剛性路面進(jìn)行敲擊下，這兩個(gè)頻段內(nèi)聲的能量分布特征可以用該特征量反映。而頻譜的方差表示頻譜的變化起伏多少，在統(tǒng)計(jì)意義上反映頻譜的幅度。在第二組頻段內(nèi)共有 4 個(gè)特征量。所提取總的特征量數(shù)目一共 12 個(gè)，用其作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的剛性路面脫空聲譜識(shí)別分析可以用 2 個(gè)子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。

3.4 路面脫空聲音神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模型

單一網(wǎng)絡(luò)對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行識(shí)別分類(lèi)中所難以解決的問(wèn)題可以采用基于信息融合技術(shù)的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行缺陷識(shí)別解決，這樣得出的結(jié)果更加全面準(zhǔn)確。實(shí)踐證明采用敲擊檢測(cè)方法和利用集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)傂月访媾c基層的接觸狀況能夠得出較為令人滿(mǎn)意的判定結(jié)果。

基于多次試驗(yàn)得出了板底脫空標(biāo)準(zhǔn)：最大峰值對(duì)應(yīng)的頻率為 l～500 時(shí)為板底脫空；最大峰值對(duì)應(yīng)的頻率為 500～1 000 時(shí)板底為弱性支撐；最大峰值對(duì)應(yīng)的頻率為 1 000～6 500 時(shí)板底未脫空。試驗(yàn)路共計(jì) 101 塊板，設(shè)計(jì)文件規(guī)定裂縫板做換板處理，因此檢測(cè)的時(shí)候聲振法對(duì)此類(lèi)板未作檢測(cè)，F(xiàn)WD 除了檢測(cè)脫空還要進(jìn)行承載力檢測(cè)，故對(duì)所有的板進(jìn)行了檢測(cè)，其中聲振法未做檢測(cè)的帶裂縫的板共 37 塊板 51 處。

3.5 幾種檢測(cè)方法的驗(yàn)證

以上僅對(duì)幾種檢測(cè)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的羅列，其實(shí)每種檢測(cè)方法都有各自不同的特點(diǎn)。但是每種檢測(cè)方法的檢測(cè)效果如何，目前尚未有統(tǒng)一的定論。對(duì)于大面積施工的單位，肯定希望知道何種檢測(cè)方法能快速、準(zhǔn)確、方便、經(jīng)濟(jì)地檢測(cè)出路面中脫空的板塊。因此要找到一種方法，能對(duì)目前幾種檢測(cè)方法的測(cè)試效果進(jìn)行驗(yàn)證。

本文列出了共 67 塊板的檢測(cè)結(jié)果，以及每個(gè)孔的注漿情況、相鄰孔之間的連通情況。其中有 64 塊板應(yīng)用聲振法進(jìn)行了測(cè)試，脫空點(diǎn)一共有 84 處，分布于 44 塊上。對(duì)所有板靠近路肩主車(chē)道的 2 個(gè)板角利用 FWD 進(jìn)行了脫空檢測(cè)，其中共檢測(cè)出脫空點(diǎn) 50 處，分布在 41 塊板上。

通過(guò)以上結(jié)果還可以看出二者重合的板塊僅有 25 塊。說(shuō)明兩種檢測(cè)方法一致程度不高。因此為了驗(yàn)證到底哪種檢測(cè)方法與實(shí)際脫空板情況更加符合，需要尋找另一種方法來(lái)驗(yàn)證。從工程經(jīng)驗(yàn)看，脫空板的驗(yàn)證較為困難，人工無(wú)法直接看到板底脫空，雖然可以用切縫的方法觀察脫空情況，但也難以確定具體脫空板塊。該標(biāo)段當(dāng)時(shí)正進(jìn)行加寬擴(kuò)建處理，一處切開(kāi)的路肩可以觀察脫空狀況，如圖 1 所示。

圖1 切板的側(cè)面為雨后路面脫空情況

圖 1 中的各結(jié)構(gòu)層結(jié)合還是很緊密的，但距離接縫不遠(yuǎn)處基層與面層之間也有被水浸濕的現(xiàn)象，說(shuō)明此版塊也存在脫空情況。因此，用切板的方法很難直接準(zhǔn)確驗(yàn)證脫空情況。通過(guò)觀察脫空處的浸濕現(xiàn)象，可以想到能否通過(guò)灌漿的方法驗(yàn)證脫空檢測(cè)結(jié)果。但也會(huì)面臨一個(gè)問(wèn)題：如何確定一個(gè)孔灌注漿液數(shù)量的多少來(lái)確定板底有脫空現(xiàn)象發(fā)生。為了獲取這一數(shù)量的大小，在聲振法和 FWD 檢測(cè)出的板塊進(jìn)行了隨機(jī)鉆芯取樣。

脫空板底注漿層的厚度通過(guò)鉆芯取樣測(cè)量后，最薄的注漿層厚度為 2～4 mm，最厚的注漿層為 13 mm。如圖 2 所示。

圖2 鉆芯取樣觀察注漿層厚度

從取芯情況看，可作如下猜想：假如板底脫空，注漿層厚度平均為 3 mm。圖 2 是四分之一板塊內(nèi)距離注漿孔遠(yuǎn)近不同的芯樣，通過(guò)觀察漿液在芯樣上的痕跡，從圖中可以看出注漿層分布較為均勻。因此，可以做如下假設(shè)。

1）單孔的注漿影響范圍為四分之一板塊，若板底脫空，單孔注漿量應(yīng)大于等于5×4.25÷4×0.003=0.015 m3，相當(dāng)于桶中高差 6 cm（桶直徑為 55 cm），即可認(rèn)為該板為脫空板。

2）若此孔同其他的孔相連，從該孔注漿而其他孔出現(xiàn)冒漿的情況，則該板存在脫空板，如圖 3 所示。

圖3 假設(shè)示意圖

通過(guò)上述假設(shè)檢測(cè)所有完好的注漿板塊，通過(guò)計(jì)算得出共有 51 塊板的單孔注漿量＞ 0.015 m3，具體如表 2 所示。

根據(jù)表 2，注漿量≥ 0.015 m3的板塊共計(jì)有 51 塊板，其中聲振法未檢測(cè)出的板塊共 11 塊；有 40 塊板通過(guò)聲振法檢測(cè)出來(lái)。利用以上的統(tǒng)計(jì)數(shù)字就可以計(jì)算檢測(cè)方法的識(shí)別率、漏判率、準(zhǔn)確率以及誤判率。

表2 驗(yàn)證結(jié)果

識(shí)別率為脫空數(shù)占總體樣本數(shù)的比率。實(shí)際上聲振法檢測(cè)從總體樣本 51 塊中檢測(cè)出 40 塊，識(shí)別率應(yīng)為 40÷51×100 %=78.4 %。

漏判率為一種檢測(cè)方法未從整體樣本中檢測(cè)出來(lái)的板塊數(shù)占總體樣本的比率。試驗(yàn)路注漿量大于 0.015 m3的板塊 51 塊板，而聲振法未檢測(cè)出來(lái)的板塊共為 11 塊，故漏判率為 11÷51×100 %＝21.6 %。

準(zhǔn)確率為同一種方法檢測(cè)出的實(shí)際脫空板塊數(shù)占該方法檢測(cè)出總板數(shù)的比率。從以上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，聲振法共檢測(cè) 47 塊板為脫空板，通過(guò)驗(yàn)證實(shí)際上有 40 塊板為實(shí)際脫空板塊，故聲振法檢測(cè)脫空的準(zhǔn)確率為：40÷47×100 %=85.11 %。

誤判率為同一種方法檢測(cè)為脫空板，而實(shí)際上不是脫空的板塊數(shù)占檢測(cè)出總板塊數(shù)的比率。聲振法檢測(cè)為脫空，而實(shí)際注漿量＜0.015 m3的板塊及未連通的板塊共有 7 塊板占 47 塊板的 14.89 %。

使用相同的驗(yàn)證方法可以驗(yàn)證出由注漿量驗(yàn)證為脫空的板塊有 80 塊板，其中有 15 塊其脫空的位置在主車(chē)道靠近超車(chē)道的一側(cè)，而本次 FWD 檢測(cè)基于交通組織安全的原因并未對(duì)該側(cè)板角進(jìn)行檢測(cè)，故計(jì)算截距法統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)脫空板總數(shù)應(yīng)為 65 塊。FWD 對(duì)所有板靠近路肩主車(chē)道的 2 個(gè)板角進(jìn)行了脫空檢測(cè)，其中共檢測(cè)出脫空點(diǎn) 55 個(gè)，分布在 43 塊板上，其中有 9 塊板需要進(jìn)行換板處理不需注漿，故需要驗(yàn)證的板有 34 塊板，截距法能夠識(shí)別出來(lái)的板塊有 31 塊板。

故截距法識(shí)別率為 31/65＝47.7 %；漏判率為 34/65=52.3 %。而截距法判斷為脫空的板塊除了上述識(shí)別出來(lái)的 31 塊板外，尚有 3 塊板截距法判斷為脫空板而根據(jù)注漿量判斷卻不為脫空的板。故截距法的準(zhǔn)確率為 31/34＝91.2 %，誤判率為 3/34=8.8 %。聲振法檢測(cè)準(zhǔn)確率、誤判率、識(shí)別率以及漏判率的關(guān)系如圖 4 所示。

圖4 聲振法檢測(cè)識(shí)別率等關(guān)系圖

4 結(jié)果匯總

通過(guò)使用每孔注漿量的方式對(duì)幾種脫空檢測(cè)方法的驗(yàn)證得到如下結(jié)論。

1）聲振法檢測(cè)脫空識(shí)別率為 78.4 %；漏判率為 21.6 %；準(zhǔn)確率為 85.11 %；誤判率 14.89 %。

2）FWD 截距法的識(shí)別率為 47.7 %；漏判率為 52.3 %；準(zhǔn)確率為 91.2 %；誤判率為 8.8 %。

通過(guò)參考設(shè)計(jì)文件和試驗(yàn)路的研究得出灌漿的基本原則。

1）灌漿的前提是水泥混凝土板是完好的（原設(shè)計(jì)規(guī)定有裂縫的板均需換板，試驗(yàn)路采用的是養(yǎng)護(hù)規(guī)范換板的原則）；

2）灌漿的對(duì)象是脫空板和下沉板；

3）深層灌漿對(duì)象為下沉板以及脫空板板中彎沉值大于等于相同地質(zhì)段整體平均板中彎沉值 3 倍的板塊；

4）其余的脫空板塊為淺層注漿。

5 結(jié)論

通過(guò)本文研究，重點(diǎn)解決了高速公路舊水泥路面脫空檢測(cè)方法和定量判別標(biāo)準(zhǔn)的確定以及灌漿材料設(shè)計(jì)和施工工藝探索等方面的課題。研究中采用了目前國(guó)際上最先進(jìn)的路面彎沉檢測(cè)設(shè)備 FWD、聲振法脫空檢測(cè)儀等設(shè)備，采集了舊水泥混凝土板的脫空位置的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于檢測(cè)出的脫空板進(jìn)行了灌漿處理，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)路的檢測(cè)取得了滿(mǎn)意的效果。取得了一些可以借鑒的成果，明確了板下脫空的檢測(cè)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)。