地震波法檢測水泥混凝土路面板含水脫空試驗(yàn)研究

徐天陽， 易筱陽, 李 想,3， 彭永恒， 李 濤， 楊海光， 吳殿臣

(1.大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院， 大連 116650； 2.中鐵廣州工程局集團(tuán) 第三工程有限公司， 肇慶 526020； 3.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 大慶 163318； 4.中國十七冶集團(tuán) 上海分公司， 上海 200001， 5.大慶油田設(shè)計(jì)院 道橋室， 大慶 163712； 6.中國石油天然氣管道第二工程有限公司 國際工程分公司， 徐州 221000)

0 引 言

水泥混凝土道路具有水穩(wěn)定性好、抗折性能強(qiáng)和鋼筋結(jié)合能適應(yīng)不良地基等特點(diǎn)，越來越多的國家興建水泥混凝土道路[1]。水泥混凝土路面板含水脫空是最常見、危害最大的病害之一，極大地影響了道路的承載能力和使用年限，也極大地干擾行車的安全性、流暢性和舒適性。目前，國內(nèi)外對水泥混凝土路面含水脫空檢測與防護(hù)的研究相對較少，主要有四種含水脫空檢測方法：基于經(jīng)驗(yàn)的含水脫空檢測方法[2]、基于貝克曼梁和落錘式彎沉儀建立的相關(guān)檢測方法[3]、基于探地雷達(dá)的脫空檢測方法[4]和基于板的振動(dòng)特性提出的相關(guān)脫空檢測方法[5]。經(jīng)驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是直觀、運(yùn)用方便，但是主觀因素大、誤差大,不適用于面層完好的輕微脫空，這使其應(yīng)用性大大降低?；诼溴N式彎沉儀的脫空檢測方法，優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高和測速快，但是這種方法不能準(zhǔn)確地找到脫空區(qū)域的位置[3,6]?；谔降乩走_(dá)的脫空檢測法[4,7]，其原理是利用SIR-10H型[8]探地雷達(dá)向水泥混凝土道路發(fā)射電磁波，電磁波在傳播時(shí)，當(dāng)遇到不同的結(jié)構(gòu)層時(shí)(面板-空氣，空氣-基層)，在層間發(fā)生相應(yīng)的反射和透射，根據(jù)其反射波的時(shí)間差來推導(dǎo)結(jié)構(gòu)層間脫空厚度，這種方法雖能快速找到脫空區(qū)域的位置，但是還要借助彎沉儀來確定路板的脫空狀況，操作繁瑣且耗時(shí)、耗材。目前,國內(nèi)外現(xiàn)階段還未有進(jìn)行有關(guān)水泥混凝土路面板含水脫空的深度研究，未能對此作出相應(yīng)的預(yù)防與檢測。為了研究地震波法檢測水泥混凝土路面板含水脫空動(dòng)力響應(yīng)，本文采用室內(nèi)縮尺試驗(yàn)的方法[9-10]，進(jìn)行了水泥混凝土路面板含水脫空實(shí)驗(yàn)，對地震波法檢測水泥混凝土路面板含水脫空技術(shù)進(jìn)行了初步研究，為水泥混凝土路面板含水脫空研究提供理論基礎(chǔ)。

1 地震波法原理

假定水泥混凝土路面板為一個(gè)單自由度結(jié)構(gòu)體系，當(dāng)水泥混凝土路面板發(fā)生脫空后,認(rèn)為整體結(jié)構(gòu)的等效剛度降低。在水泥混凝土路面板脫空區(qū)域布置傳感器，采用特制落錘對脫空區(qū)域施加沖擊力，通過傳感器采集水泥混凝土路面板的振動(dòng)信號，這個(gè)振動(dòng)信號是類似于地震波的高頻振動(dòng)，通過對采集信號進(jìn)行頻域與時(shí)域分析，研究水泥混凝土路面板不同含水脫空狀態(tài)下的振動(dòng)規(guī)律，從而得出水泥混凝土路面板含水脫空振動(dòng)評價(jià)方法。

(a) 角隅脫空基層

(b) 縱縫脫空基層

(c) 角隅縱縫同時(shí)脫空基層

(d) 水泥混凝土路面板

2 地震波法檢測水泥混凝土路面板含水脫空試驗(yàn)

設(shè)計(jì)并澆筑水泥混凝土路面板含水脫空試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過特制落錘對水泥混凝土路面板施加沖擊荷載。試驗(yàn)采用控制變量法，通過進(jìn)行不同脫空狀態(tài)、不同錘擊高度和不同含水狀態(tài)的試驗(yàn)工況，利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，采集模型的振動(dòng)信號，獲得水泥混凝土路面板含水脫空狀態(tài)下的振動(dòng)規(guī)律。

2.1 試件設(shè)計(jì)

水泥混凝土路面板的脫空主要是由于基層碎石不穩(wěn)定而導(dǎo)致破壞，假定基層完全脫空，按照模型與原型1∶ 5的比例設(shè)計(jì)水泥混凝土路面板脫空基層與面層模型，試驗(yàn)?zāi)Ｐ途唧w結(jié)構(gòu)尺寸及脫空狀態(tài)如圖1所示。首先完成無水脫空的試驗(yàn)，然后在基層不同脫空區(qū)域注水，進(jìn)行含水脫空試驗(yàn)。

(a) 角隅脫空

(b) 縱縫脫空

(c) 角隅縱縫同時(shí)脫空

2.2 加載設(shè)備及測量儀器

2.2.1 特制落錘

將圓形鐵盤作為底盤焊接在鋼管一端，在鋼管套一定質(zhì)量的鐵塊，讓鐵塊自由落體運(yùn)動(dòng)撞擊鐵盤，由鐵盤對試件施加荷載，特質(zhì)落錘參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 特制落錘參數(shù)指標(biāo)

2.2.2 量測儀器選擇

試驗(yàn)儀器包括四部分，即激振設(shè)備、振動(dòng)傳感器、應(yīng)變計(jì)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本試驗(yàn)中，激振設(shè)備為特制落錘，應(yīng)變計(jì)預(yù)先粘貼到水泥混凝土面層和基層上，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為江蘇東華所生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)采集儀，該振動(dòng)記錄儀可對機(jī)械振動(dòng)和地震波進(jìn)行采集記錄，應(yīng)變計(jì)記錄結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。在使用過程中，將傳感器與記錄儀相連接，儀器可將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并進(jìn)行儲存，并通過計(jì)算機(jī)顯示波形、圖譜以及各種特征參數(shù)。試驗(yàn)采集示意圖和脫空區(qū)域試驗(yàn)布置圖分別如圖3和圖4所示。

(a) 試驗(yàn)采集裝置

(b) 試驗(yàn)采集裝置組成平面示意圖

(a) 脫空區(qū)域

(b) 脫空區(qū)域應(yīng)變計(jì)

(c) 落錘錘擊位置

2.3 試驗(yàn)方法

由于水泥混凝土路面板是有規(guī)則的矩形板，假定每塊水泥路面板厚度完全一樣，其密度和剛度等參數(shù)具有一致性，除試驗(yàn)中已脫空位置外，其他部位路面板與基層接觸良好，力錘敲擊的部位選擇與傳感器布置位置接近處，且錘擊點(diǎn)距離加速度傳感器每次試驗(yàn)保持一致。用力錘敲擊要作到有節(jié)奏，提起力錘高度分別為20、30和40 cm，每個(gè)高度在某一敲擊點(diǎn)敲擊三次取平均值，以減小試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的誤差，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確度。在試驗(yàn)開始時(shí)，通過改變水泥混凝土路面板的不同脫空區(qū)域與脫空面積，進(jìn)行水泥混凝土路面板無水脫空試驗(yàn)，而后對脫空區(qū)域注水，進(jìn)行水泥混凝土路面板含水脫空試驗(yàn)，收集相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

3.1 不同脫空狀態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分別得出不同脫空狀態(tài)下，相同脫空區(qū)域(300 mm×250 mm×60 mm)、相同落錘高度(30 cm)有無含水的脫空區(qū)域應(yīng)變時(shí)程曲線如圖5和圖6所示。不同的脫空狀態(tài)水泥混凝土路面板試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。可以看出,在脫空區(qū)域、落錘高度相同時(shí)，角隅縱縫同時(shí)脫空(含水)錘擊縱縫時(shí),水泥混凝土路面板脫空區(qū)域應(yīng)變值最大，比角隅縱縫同時(shí)脫空(含水)錘擊角隅增大約11%，比角隅脫空(含水)增大約19%，比縱縫脫空(含水)增大約32%。此外,對比含水與不含水狀態(tài)下的脫空區(qū)域應(yīng)變值發(fā)現(xiàn),含水狀態(tài)下的應(yīng)變值比不含水狀態(tài)下的應(yīng)變值大。表明錘擊路面板時(shí)，由于水的存在，路面板的應(yīng)變值會增大，并且不同脫空狀態(tài)下，角隅縱縫同時(shí)脫空的水泥混凝土路面板的主頻略小于其它脫空狀態(tài)，且振動(dòng)時(shí)間相差不大。

(a) 角隅脫空

(b) 縱縫脫空

(c) 角隅縱縫同時(shí)脫空(錘擊角隅)

(d) 角隅縱縫同時(shí)脫空(錘擊縱縫)

(a) 角隅脫空

(b) 縱縫脫空

(c) 角隅縱縫同時(shí)脫空(錘擊角隅)

(d) 角隅縱縫同時(shí)脫空(錘擊縱縫)

表2 不同脫空狀態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 不同脫空區(qū)域試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

由表2不同脫空狀態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水泥混凝土路面板角隅縱縫同時(shí)含水脫空，錘擊縱縫，水泥混凝土路面板脫空區(qū)域應(yīng)變值最大，針對這一種情況，進(jìn)一步進(jìn)行不同的脫空區(qū)域?qū)Ρ仍囼?yàn)。

(a) 200 mm×150 mm×60 mm

(b) 300 mm×250 mm×60 mm

(c) 400 mm×350 mm×60 mm

(a) 200 mm×150 mm×60 mm

(b) 300 mm×250 mm×60 mm

(c) 400 mm×350 mm×60 mm

由圖7和圖8，在脫空位置(角隅縱縫同時(shí)脫空)、落錘高度相同(30 cm)時(shí)，錘擊縱縫所得不同脫空區(qū)域水泥混凝土路面板試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。可以看出，在脫空位置、落錘高度、落錘位置相同時(shí)，隨著脫空區(qū)域的不斷增大，對應(yīng)水泥混凝土路面板脫空區(qū)域應(yīng)變值也在不斷地增大。在含水狀態(tài)試驗(yàn)中脫空區(qū)域?yàn)?00 mm×350 mm×60 mm時(shí)，對應(yīng)的應(yīng)變值比脫空區(qū)域?yàn)?00 mm×150 mm×60 mm時(shí)的應(yīng)變值增大約27%。不同脫空區(qū)域水泥混凝土路面板含水脫空應(yīng)變值都大于不含水脫空應(yīng)變值，并且隨著脫空區(qū)域的增大，路面板振動(dòng)主頻逐漸降低，振動(dòng)時(shí)間逐漸增大。

表3 不同脫空區(qū)域試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 不同落錘高度試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

由表2和表3可知，角隅縱縫同時(shí)脫空，錘擊縱縫且脫空區(qū)域含水時(shí)應(yīng)變值最大，隨著脫空區(qū)域的不斷增大，其應(yīng)變值也不斷的增大。針對這一種情況，進(jìn)一步進(jìn)行不同的落錘高度對比試驗(yàn)。由圖9和圖10可知，在脫空狀態(tài)(角隅縱縫同時(shí)脫空錘擊縱縫)、脫空區(qū)域(300 mm×250 mm×60 mm)相同時(shí)，不同落錘高度水泥混凝土路面板試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示?？梢钥闯?，在脫空位置、落錘位置、脫空區(qū)域相同時(shí)，對比不同錘擊高度下的應(yīng)變值，發(fā)現(xiàn)隨著錘擊高度的增大，對應(yīng)水泥混凝土路面板脫空區(qū)域的應(yīng)變值逐漸增大。當(dāng)水泥混凝土路面板脫空區(qū)域含水、錘擊高度為40 cm時(shí)，路面板脫空區(qū)域應(yīng)變值比錘擊高度為20 cm時(shí)的應(yīng)變值增大約20%。不同落錘高度工況下，水泥混凝土路面板含水脫空路面板脫空區(qū)域應(yīng)變值都明顯大于無水脫空路面板應(yīng)變值。

(a) 落錘高度20 cm

(b) 落錘高度30 cm

(c) 落錘高度40 cm

(a) 落錘高度20 cm

(b) 落錘高度30 cm

(c) 落錘高度40 cm

表4 不同落錘高度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

(1) 不同脫空狀態(tài)水泥混凝土路面板的應(yīng)變值存在很大的差異，角隅縱縫同時(shí)脫空(含水)錘擊縱縫的應(yīng)變值最大，隨著脫空面積的增大，脫空區(qū)域應(yīng)變值逐漸增大，振動(dòng)主頻逐漸降低，振動(dòng)時(shí)間逐漸增大；隨著落錘高度的增高，脫空區(qū)域的應(yīng)變值隨之增大；并且含水脫空路面板脫空區(qū)域應(yīng)變值都明顯大于無水脫空路面板應(yīng)變值。

(2) 水泥混凝土路面板動(dòng)力響應(yīng)與水泥路面板的脫空狀態(tài)具有良好的相關(guān)性，可以通過地震波法檢測路面板動(dòng)力響應(yīng)來檢測水泥混凝土路面板脫空，說明此種方法是一種新型的道路檢測方法，可為道路脫空檢測提供依據(jù)。

(3) 針對含水脫空問題，分析發(fā)現(xiàn)水對于脫空的影響很大，這對于以后道路工程防水研究具有深遠(yuǎn)意義，從防水的角度可減少脫空對道路的損害。本文可為水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)和改造時(shí)的脫空處治和施工提供指導(dǎo)，水泥混凝土路面板含水脫空可以采用降低軸載和排水灌漿的方法進(jìn)行有效的防治。