無損檢測技術在高速公路路基路面中的應用

范芃蘭

(山西省公路局運城分局，山西 運城 044000)

0 前 言

高速公路常見的病害現(xiàn)象有路面空洞、積水、脫空等，施工建設過程中的各項參數(shù)往往也有著極為嚴格的要求，需要建設單位進行精密檢測，以此保障高速公路的實際使用性能。隨著科技實力的快速發(fā)展，各種高精度無損檢測技術開始不斷應用于高速公路的維護建設工程當中，不僅提高了道路維護的精確性與實效性，而且使得我國新一批的高速公路建設質(zhì)量獲得顯著提升。

1 工程實例

山西省某高速公路項目工程位于山麓與平原交匯地帶，東側(cè)為剝蝕低山丘陵地勢，西側(cè)為黃土平原夾雜剝蝕殘丘。公路全長13.042 km，結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)條件，初步將路面基層設計為3層結(jié)構(gòu)，分別為15 cm級配碎石墊層、18 cm水泥穩(wěn)定級配碎石底基層、36 cm水泥穩(wěn)定級配碎石基層。

2 無損檢測技術在高速公路路基路面中的應用

2.1 探地雷達檢測技術在路面厚度檢測中的應用

探地雷達檢測技術是當前國內(nèi)主流的無損檢測技術，其主要作用原理是以路面基層結(jié)構(gòu)作為傳播介質(zhì)，通過記錄電磁波在路面結(jié)構(gòu)中的傳播時間長短來判斷道路表層結(jié)構(gòu)之下的空間情況。因此，其不僅可以確定公路路基路面的結(jié)構(gòu)層厚度，而且在后期進行道路養(yǎng)護及病害檢測中有著非常廣泛的適用性[1]。

本工程中由于采用了統(tǒng)一標準的路基回填土料進行填筑，因此，為了進一步提高公路檢測的準確性以及工作效率，不考慮不同回填層的材料密度情況，僅參照電磁波在路面結(jié)構(gòu)層中的傳播時長來確定其結(jié)構(gòu)厚度是否均勻，具體計算公式如下：

(1)

式中，t為電磁波在路面結(jié)構(gòu)的傳播時長；v為電磁波在介質(zhì)中傳遞的平均速度；z為發(fā)射天線傳出電磁波能夠到達地下的最大深度；x為電磁波到達地下最大深度后返回到接受天線的實際距離。

除了可以利用時間t來表示地下結(jié)構(gòu)層的實際厚度是否一致之外，還可以利用電磁波信號往返用時的幅度變化、相位差、頻率差等關鍵數(shù)據(jù)來繪制公路結(jié)構(gòu)的地下幾何圖像，以此判斷其是否存在病害侵蝕的現(xiàn)象。在實際檢測過程中，本工程主要分為以下三步實施檢測計劃。

第一步為普查階段，查用車載雷達裝置以20 km/h的速度沿道路測線行駛，每條測線需要根據(jù)道路斷面保持1.75±0.25 m的水平間距來進行布置，同一車道內(nèi)需要保證擁有至少2條測線。

第二步為詳查階段，當發(fā)現(xiàn)路面檢測過程中出現(xiàn)信號異常數(shù)據(jù)后，需要通過布設測點的方式對該區(qū)域展開詳細檢測。具體操作方案可以根據(jù)信號異常區(qū)域的范圍大小，均勻布設4～9個等距測點，并保證每一測點的橫、縱向均為垂直銜接，相鄰兩條測線的間距同樣以1.75±0.25 m為準。如遇檢測路段為彎路的情況，可以采用多個測點之間以大于90°的方式相連，同時適當縮小測線間距至1.25±0.25 m。

第三步為鉆探檢測，該工序是將信號異常范圍縮小至1 m內(nèi)之后，為了進一步確認地下結(jié)構(gòu)而進行的檢測技術。通常來說，地面的鉆孔范圍不會超過30 cm。由于本工程中分別采用了三層不同厚度的回填層，所以鉆孔結(jié)束后可以分別采用400、200、100 MHz的電磁波對道路地下結(jié)構(gòu)進行由淺至深的探測，此時需要根據(jù)填筑介質(zhì)的密度不同具體判斷是哪一結(jié)構(gòu)層的厚度不足[2]。

2.2 落錘式彎沉儀在路面彎沉檢測中的應用

落錘式彎沉檢測儀同樣是一種應用較為廣泛的無損檢測技術，其主要作用原理是由落錘裝置與液壓系統(tǒng)共同組成，設備裝有力學傳感器，可以用于試驗過程中的數(shù)據(jù)采集，隨后統(tǒng)一發(fā)送到計算機終端進行統(tǒng)計分析。落錘式彎沉檢測儀是目前真正意義上實現(xiàn)了自動化運轉(zhuǎn)的無損檢測設備，工作人員只需要對其初始參數(shù)進行設置，落錘檢測儀即可在提升到準確高度后進行自由落體運動，與地面接觸后所產(chǎn)生的沖擊力可模擬公路在使用過程中受到的動態(tài)荷載。通常來說，高速公路沿線土質(zhì)環(huán)境較為復雜，不同地勢結(jié)構(gòu)下對路面所形成的支撐力也有所差別，公路建筑周邊的河流、陡坡地形都會對其產(chǎn)生一定的影響，因此，根據(jù)我國行業(yè)相關標準，高速公路路面的承載量應達到15～50 kN。本工程為了測試路面彎沉值是否符合相關標準，在工程沿線隨機選取68個測點進行彎沉測驗，測區(qū)總長度大約在500～800 m。測量工具為車載彎沉儀裝置，每一測點的測定范圍為R=15 cm的圓形區(qū)域，落錘點與測定區(qū)域的最大誤差不可超過20 mm，每一測點的測定時長需維持20 min[4]。

測量過程中采集到的數(shù)據(jù)可以使用回歸計算進行處理，根據(jù)采集到的兩組數(shù)據(jù)x與y之間的線性關系，假設其方程式為y=Ax+B，其中A、B的值可以用系數(shù)R來進行求解。公式如下。

(y-Ey)/Sy=R[(x-Ex)/Sx]

(2)

R=(Exy-ExEy)/(SxSy)

(3)

2.3 激光傳感器在路面平整度監(jiān)測中的應用

激光傳感器監(jiān)測道路平整度的試驗中，本文主要采用了安裝有激光設備、陀螺儀與加速度計的監(jiān)測車作為測量設備。相較于傳統(tǒng)技術而言，本工程中的技術應用優(yōu)勢在于監(jiān)測車上攜帶有智能數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，當檢測車沿著固定測線行駛完全程后，即可獲得精確的測量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)結(jié)果更為精確且高效。在本工程當中，對監(jiān)測車的設定速度為42.4～62.3 km/h。監(jiān)測車正式開始工作之前，需要調(diào)整激光儀的水平位置，使其與地面間的水平傾角θ1保持不變，一旦車輛正式行駛之后，通過旋轉(zhuǎn)陀螺儀的作用，可以有效保證激光儀不會受到車輛行駛的影響[3]。此時激光儀與地面測線之間的間距可以使用H(k)來表示，k的高程可以用以下公式表示：

Y(k)+H(k)=Y(1)+h+l×sinθ1

(4)

為追求試驗數(shù)據(jù)的準確性，本工程中共設計了10組對比試驗，經(jīng)過測量獲得試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 路面平整度檢測試驗

2.4 超聲波頻譜技術在路基路面強度檢測中的應用

超聲波頻譜檢測技術的原理，是通過對比聲波在高速公路路面中傳播的聲壓幅值來檢驗其混凝土結(jié)構(gòu)的強度系數(shù)。聲壓幅值，與聲波在介質(zhì)中傳播的時間長短以及速度快慢有關。簡而言之，在不同混凝土密度之下，聲音的傳播速度也會隨之發(fā)生改變來理解，也就是混凝土抗壓強度“cu”越高，超聲波的傳播速度“v”越快，而在這一過程中，超聲波信號接收裝置檢測到的聲音頻譜也會隨之升高。

在本工程應用過程中，由于采用了三層路面結(jié)構(gòu)層設計，導致了該項技術受到的干擾較強，在制定聲波曲線以及對比的過程中會產(chǎn)生一定的誤差值。因此為了解決該現(xiàn)象，本文采取了回歸分析法建立方程來對其測量數(shù)據(jù)進行處理。雖然國家還沒有出臺關于頻譜檢測技術的檢測規(guī)范，但是卻已經(jīng)形成了關于混凝土結(jié)構(gòu)強度檢測的專用測量曲線，本工程采用了分組試驗法，分別對64組試驗對象的抗壓強度展開了測試，得到的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用如下冪數(shù)方程進行計算。

cu=AvB

(5)

3 結(jié) 語

本文結(jié)合山西省某高速公路建設工程為例，詳細介紹了探地雷達、落錘式彎沉儀、激光傳感器3種設備在高速公路路基厚度、彎沉值與平整度中的檢測應用。該技術不僅能夠在公路建設過程中發(fā)揮出良好的質(zhì)量監(jiān)管作用，而且在公路后期維護檢修中可以做到無損診斷路面病害情況，具有較高的實際應用價值。

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