路面基層注漿加固質(zhì)量評價的無損檢測方法應(yīng)用研究

林有貴　周德存　易強　農(nóng)彬藝

摘要：文章以科研項目路面基層注漿加固試驗路為依托，采用3種無損檢測手段對注漿加固前后的基層進行檢測評價，并取芯驗證。結(jié)果表明：注漿前后，2D地質(zhì)雷達(dá)同軸圖像、高頻彈性波反射波法的主頻幅值和瞬態(tài)面波法的剪切波速度等的變化明顯，其中地質(zhì)雷達(dá)法可以實現(xiàn)對路面注漿加固效果的定性描述，后兩者可作為半定量評價，而瞬態(tài)面波法的剪切波波速對路面結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況變化更敏感。

關(guān)鍵詞：無損檢測;路面基層;注漿加固;質(zhì)量評價

0 引言

注漿是處治半剛性基層松散、脫空等病害的常用措施。探測注漿前后路面基層結(jié)構(gòu)的變化，真實客觀地評價注漿加固效果，對完善路面注漿補強技術(shù)具有重要意義。

鉆芯是路面結(jié)構(gòu)層病害檢測的傳統(tǒng)手段，但是具有隨機性和代表性不足等局限性，而無損檢測技術(shù)應(yīng)用于路面隱性病害探測受到越來越多的關(guān)注。一些科研機構(gòu)先后利用探地雷達(dá)檢測路面基層病害，建立異常雷達(dá)圖像定性圖譜與路面結(jié)構(gòu)層可能存在的缺陷間的對應(yīng)關(guān)系，并通過傳統(tǒng)的方法進行驗證[1-2]。尹梓安對彈性波在路面材料中的傳播特性進行模擬，基于模擬結(jié)果對路面壓實度、裂縫和厚度進行分析，論證了彈性波在路面質(zhì)量檢測中的可能性[3]。呂守航分析不同脫空狀態(tài)下彈性波的傳播規(guī)律及面波頻散曲線特征、確定路面基層脫空范圍，實現(xiàn)了對路面基層脫空的定性識別和定量評價[4]。1983年美國Texas大學(xué)S Nazarian等[5]提出的Spectral Analysis of Surface Wave Method 簡稱SASW方法即瞬態(tài)面波法，用于確定土層和路面彈性模量。我國于20世紀(jì)80年代中期引入日本VIC公司研發(fā)的GR810穩(wěn)態(tài)面波勘探機，隨后瞬態(tài)面波檢測方法在我國得到快速發(fā)展[6]。1996年劉云禎[7]系統(tǒng)地闡述瞬態(tài)面波法的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。李杰生[8]采用多道瞬態(tài)面波測試路基的頻散特性，通過反演路基的面波頻散特性來評價路基的力學(xué)性能。張獻民[9]根據(jù)路基加固處理前后，瞬態(tài)面波剪切波速的變化，反演路基剪切波速值，實現(xiàn)對路基加固效果的評價。吳得勝等[10]利用瞬態(tài)面波法評價滬昆鐵路貴州段巖溶路基注漿加固效果。任新紅[11]研究南廣鐵路典型地質(zhì)斷面注漿前后瑞雷波波速傳播特征、地表質(zhì)點振動特征及頻散曲線變化特征，對瞬態(tài)面波法注漿效果檢測標(biāo)準(zhǔn)進行了分析。可見目前高頻彈性波法、瞬態(tài)面波法僅用于探測路基缺陷，且適用于探測缺陷尺寸較大的路基，尚未用于小尺寸缺陷或小尺寸嵌入物的路面檢測。

目前瀝青路面基層注漿加固施工驗收時，一般采用取芯法觀察其完整性，檢測彎沉評價結(jié)構(gòu)強度提升情況[12-13]。雖然鉆芯法直觀，但數(shù)量終究有限且損害路面結(jié)構(gòu)，而彎沉檢測也屬于間接評價，因此基層注漿施工驗收急需可連續(xù)檢測或可實施大量測點的無損檢測法。本研究以在役瀝青路面基層地聚合物注漿科研項目的試驗路工程為依托，采用2D地質(zhì)雷達(dá)、極小偏移距高頻彈性波反射波法、瞬態(tài)面波法等3種無損檢測方法，進行注漿前后檢測，對比檢測參數(shù)變化來評價注漿效果，并通過鉆芯、落錘式彎沉儀等常規(guī)檢測方法，分析驗證3種無損檢測方法評價注漿處治效果的適用性。作為對比，同時檢測了與注漿段相鄰的未注漿段。本研究成果豐富了基層病害及注漿加固質(zhì)量評價方法。

1 試驗路概況

基層注漿加固試驗路位于廣西百色至羅村口高速公路下行線K800～K801（2019年3月后，樁號改為K805～K806），長1 000 m，路面結(jié)構(gòu)為15 cm瀝青混凝土+40 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18 cm低劑量水泥（2%）級配碎石底基層+土基，其中，水穩(wěn)碎石基層分2層施工。試驗路實施情況詳見文獻[14-15]。該高速公路于2006年1月建成通車，基層注漿試驗路施工期為2018-11-27至2019-01-07。注漿目的是固結(jié)松散碎石和填充層底脫空。僅進行行車道注漿，注漿孔縱向間距為1.2 m，橫向分別在左右輪跡帶、輪跡帶中間鉆孔3個?；鶎幼{施工前進行鉆芯、FWD和病害調(diào)查檢測。19個鉆芯結(jié)果表明：大部分芯樣上下水穩(wěn)層層間、下水穩(wěn)層與級配碎石層層間存在松散夾層，F(xiàn)WD荷載中心彎沉較大，2016年10月罩面前原路面主要病害為橫向裂縫。注漿孔直徑為3.8 cm，深65 cm，水鉆，注漿孔進入級配碎石底基層10 cm。注漿前FWD荷載中心代表彎沉為17.6（0.01 mm），注漿8 d后為7.7（0.01 mm），代表彎沉降低為注漿前的0.44倍。注漿后鉆芯發(fā)現(xiàn)松散碎石得以固結(jié)、層間脫空得以填充，基層整體密實度大幅提高[14-15]。注漿后漿體在有松散夾層的上下水穩(wěn)層之間凝結(jié)形成水泥石，上下水穩(wěn)層之間通過凝結(jié)的水泥石粘結(jié)成為一個整體，松散夾層得到有效固結(jié)，路面強度得到顯著提高。

2 地質(zhì)雷達(dá)法檢測

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在介電常數(shù)存在差異的兩種介質(zhì)界面上將會發(fā)生反射和透射現(xiàn)象。反射和透射現(xiàn)象符合反射定律和透射定律[16]，反射波和透射波能量的大小取決于反射系數(shù)

當(dāng)電磁波傳播到介電常數(shù)存在差異的兩個界面上時，其反射回來的電磁波能量、相位將會發(fā)生改變。當(dāng)路面結(jié)構(gòu)中存在不密實、局部脫空等缺陷時，該區(qū)域與周圍介質(zhì)會存在明顯的介電常數(shù)差異，這為地質(zhì)雷達(dá)探測提供了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。

采用自有的二維Mala地質(zhì)雷達(dá)儀進行現(xiàn)場地質(zhì)雷達(dá)檢測。注漿前后，分別使用800 MHz、1 200 MH雷達(dá)天線頻率開展檢測。圖1為注漿前后800 MHz天線雷達(dá)檢測時間剖面對比圖。

從圖1可見，注漿前：上基層底界面（深約35 cm），950～960 m段、983～990 m段雷達(dá)反射波同相軸紊亂、錯斷、下沉，表明該深度附近存在松散、軟弱段等缺陷;964～970 m段、975～981 m段，界面雷達(dá)反射信號相對增強，反射波形畸變，表明界面處存在脫空或松散夾層。其余地段，層間雷達(dá)反射信號較均勻，層厚變化小，無脫空、不密實等缺陷跡象。上述檢測判斷結(jié)果與鉆芯檢查、內(nèi)窺鏡觀察注漿孔結(jié)果相吻合。

注漿后：920～1 000 m注漿段，形成較明顯的漿液固結(jié)密實層，該密實層與其兩邊介質(zhì)介電常數(shù)差異大，反射系數(shù)增大，雷達(dá)反射波參量增強，透射波能量減少。因此，注漿后在上基層底界面（深約35 cm）產(chǎn)生的雷達(dá)反射波信號增強，反射波同相軸連續(xù)，該界面以下接收到的反射信號減弱。雷達(dá)剖面圖上表現(xiàn)，注漿后上基層底界面附近雷達(dá)反射波同相軸變得更明顯，該界面以下觀測到反射信號減弱，下基層底界面反射波同相軸信號不清晰，甚至在上基層底界面雷達(dá)信號強反射區(qū)段無法觀測到下基層底界面的反射波信號。

3 極小偏移距高頻彈性波反射波法檢測

3.1 基本原理

彈性波垂直反射法是反射法中的一種特殊形式，它以極小偏移距（發(fā)射與接收間的距離趨于零）的方式在物體表面激發(fā)彈性波脈沖信號，彈性波在傳播過程中，當(dāng)遇到介質(zhì)分層界面、脫空、松散層等引起波阻抗的變化時，將產(chǎn)生反射信號被接收換能器接收，根據(jù)反射信息中的相位、振幅、頻率等變化特征進行綜合分析，即可進行相應(yīng)的推斷解釋。

在路面上點源瞬態(tài)激振產(chǎn)生的振動信號中，包含R波、P波、S波，這些彈性波在路面介質(zhì)中傳播時，傳感器接收到的信號波形是由直達(dá)波、反射波疊加而成的。當(dāng)路面內(nèi)部出現(xiàn)松散和脫空現(xiàn)象時，在表面激振時，接收到的彈性波信號出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。圖2、圖3分別是無缺陷路面、含脫空松散等缺陷路面的傳感器接收的時域信號及其頻譜圖。分析顯示，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)無缺陷時，接收的振動信號呈現(xiàn)高頻特性，頻幅較大（圖2主頻1 466 Hz）;當(dāng)路面結(jié)構(gòu)層存在脫空、松散現(xiàn)象時，接收的振動信號將呈現(xiàn)相對低頻特性，且頻幅較?。▓D3主頻977 Hz），衰減相對較慢。脫空松散缺陷路面經(jīng)注漿處理后，路基結(jié)構(gòu)層強度提高，接收的振動信號將趨于高頻特性，頻幅增大。

3.2 結(jié)果分析

極小偏移距高頻彈性波反射波法檢測現(xiàn)場測點間距為0.5 m，人工錘擊路面得到彈性波?，F(xiàn)場分別采集振動信號讀取的主頻，注漿前后主頻率變化曲線見圖4。從主頻變化曲線圖可見：

（1）注漿前，采集振動信號主頻的變化曲線在950～960 m段、964～970 m段、975～981 m段、983～990 m等4段，主頻率為1 000 Hz左右，呈相對低頻特征，而920～950 m段主頻率較高，為1 300 Hz左右，表明前4段的基層缺陷比920～950 m段嚴(yán)重。施工鉆孔的內(nèi)窺鏡觀察表明，前4段松散、空隙大，注漿后鉆芯發(fā)現(xiàn)該4段的漿液結(jié)石層較厚，驗證了這一論斷。

（2）注漿后，振動信號主頻明顯提高，尤其是950～990 m段（存在嚴(yán)重松散、脫空缺陷段），注漿后主頻率顯著增大，主頻率達(dá)到1 200 Hz左右，而注漿前主頻率僅為1 000 Hz左右。表明該路段原存在的松散脫空缺陷得到有效固結(jié)填充，基層密實度顯著提高。

（3）1 000～1 020 m為未注漿路段，信號主頻基本沒有變化，這與實際情況相符合。

4 瞬態(tài)面波法檢測

瞬態(tài)面波法的物理前提是根據(jù)測量瑞雷波在不同介質(zhì)中傳播速度的差異，確定各個路面結(jié)構(gòu)層的介質(zhì)特性。路面瞬態(tài)激振信號中含有豐富的信息，通過處理檢波器采集的信號，可得到各測點的頻散曲線，頻散曲線經(jīng)過擬合分析得瑞雷波波速（或轉(zhuǎn)換成剪切波波速）深度變化范圍。波速的變化趨勢和形狀反映路面結(jié)構(gòu)的密實狀態(tài)。

瞬態(tài)面波法檢測現(xiàn)場外業(yè)采集裝置排列4個檢波器，檢波器間距為0.5 m，用錘子敲擊地面產(chǎn)生的垂直脈沖信號作為震源，震源距第1個檢測波0.5 m。測線每間隔5 m采集一個面波點。經(jīng)對采集的面波點波列圖進行處理和速度擬合分析，可得到各測點在深度0.3～0.6 m（包含了上下水穩(wěn)基層）范圍內(nèi)的剪切波速度，計算統(tǒng)計注漿前后各點的剪切波速，圖5為注漿前后剪切波速度變化曲線。從圖5可見：

（1）注漿前，920～950 m段的剪切波波速平均約為650 m/s，而950～1 000 m段僅約為45 m/s左右，表明后者基層存在更嚴(yán)重的松散脫空等缺陷，現(xiàn)場鉆孔內(nèi)窺鏡觀測支持這一判斷。

（2）注漿后，全注漿段920～1 000 m的剪切波波速均顯著提高，平均提高21.0%，表明原存在的嚴(yán)重松散脫空等病害，經(jīng)注漿后松散碎石和脫空得以固結(jié)填充，基層密實性和均勻性得到顯著提高。這一判定與現(xiàn)場鉆芯結(jié)果一致。

（3）1 000～1 020 m段長20 m，未進行基層注漿，2次瞬態(tài)面波法檢測的剪切波波速基本無變化。應(yīng)該指出，施工時在樁號1 000 m測點處鉆孔注漿，漿液會滲入樁號1 000～1 005 m段，從圖5可見該段注漿后該段波速也有提高，可見瞬態(tài)面波法檢測的剪切波速對基層密實狀況變化敏感。而高頻彈性波法在1 000～1 005 m段的主頻無變化（見圖4）。

可見，瞬態(tài)面波法檢測得到的判斷與檢測極小偏移距高頻彈性波反射波法檢測的一致。

5 結(jié)語

對比以上3種無損檢測結(jié)果可知：在920～950 m段，注漿前后，極小偏移距高頻彈性波反射波法檢測的主頻變化幅度小，而瞬態(tài)面波法檢測的剪切波波速變化顯著。施工時在樁號1 000 m測點處鉆孔注漿，漿液滲入1 000～1 005 m段，注漿前后，瞬態(tài)面波法的剪切波波速變化明顯，而極小偏移距高頻彈性波法檢測的主頻基本無變化?？梢?，瞬態(tài)面波法的剪切波波速對路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部狀況變化更敏感，更適合用于路面結(jié)構(gòu)層注漿前后檢測評價。

從圖4、圖5還可看出，極小偏移距高頻彈性波法和瞬態(tài)面波法均判定：路段920～950 m的路面基層缺陷輕于路段950～1 000 m段?，F(xiàn)場鉆孔的內(nèi)窺鏡觀測結(jié)果支持這一判定。

2D地質(zhì)雷達(dá)法的圖像較難探測注漿前路面結(jié)構(gòu)層的松散、脫空等缺陷，需依賴于經(jīng)驗判斷。注漿前后地質(zhì)雷達(dá)的同軸圖像變化較明顯，顯示了注漿后的基層內(nèi)部密實度變化，可定性評價注漿效果，作為基層注漿加固驗收的輔助方法。

6 結(jié)語

綜合對比2D地質(zhì)雷達(dá)法、極小偏移距高頻彈性波法反射波法和瞬態(tài)面波法等3種無損方法檢測結(jié)果，經(jīng)鉆芯驗證，得出以下結(jié)論：

（1）瞬態(tài)面波法檢測的剪切波波速對路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部狀況變化敏感，可用于探測路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部缺陷，通過對比各段的剪切波速可判定缺陷輕重程度，而通過對比注漿前后波速變化可半定量評價注漿質(zhì)量，即該法可用于路面基層注漿效果檢測和路面缺陷探測。

（2）與瞬態(tài)面波法對比，極小偏移距高頻彈性波法反射波法檢測的主頻變化較不明顯，但也可通過比注漿前后主頻變化來半定量評價注漿質(zhì)量。

（3）注漿前后2D地質(zhì)雷達(dá)法的同軸圖像變化明顯，可用于定性評價基層注漿質(zhì)量。注漿前的雷達(dá)圖像較難識別基層的松散、脫空等缺陷，而且較多依賴于經(jīng)驗。

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