基于無損檢測技術(shù)的路基路面狀況綜合評估

任聿飛

(1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福州 350108；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福州 350108；3.福建省建研工程檢測有限公司，福州 350025)

由于水泥資源豐富且價格低，水泥混凝土的強度和剛度較大，所以城市道路建設(shè)的首選為水泥混凝土。近幾年，瀝青混凝土路面以其經(jīng)濟耐久，維修方便，良好的力學性能等優(yōu)勢，逐漸取代水泥混凝土路面，因此很多城市都在對市區(qū)道路進行“白改黑”改造，而對舊水泥混凝土路面進行高質(zhì)量大修改造設(shè)計的重要前提是對舊道路路基路面狀況進行準確評估。

水泥混凝土路面病害產(chǎn)生的原因主要有：① 路面在荷載或環(huán)境等外界因素作用下技術(shù)狀況下降；② 水泥混凝土路面以下的地下病害發(fā)展到路面造成的路面病害。對于第一種病害，可以通過對路面破除重鋪等手段進行處治，該類型的病害一經(jīng)處治并不會對道路整體的剩余壽命造成影響；對于第二種病害，僅處理路面并不能恢復路面結(jié)構(gòu)承載能力，道路內(nèi)部損壞狀況才是影響路面剩余壽命的主要因素。舊道路不能僅憑路面技術(shù)狀況對道路整體健康狀況進行評估，而需結(jié)合道路地下內(nèi)部狀況，才能獲得更多與路面技術(shù)狀況關(guān)聯(lián)的綜合評估結(jié)果。

文章結(jié)合實際工程項目，通過道路多功能綜合檢測車、全自動車載落錘式彎沉儀、二維和三維探地雷達等新興無損檢測手段對既有道路路基路面狀況進行檢測，通過分析舊道路路面損壞狀況、地下病害體、路面結(jié)構(gòu)承載能力等參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，推斷道路病害的發(fā)展規(guī)律，實現(xiàn)對舊道路更為準確的綜合評估。某軌道交通施工道路恢復工程的舊路面結(jié)構(gòu)為水泥混凝土路面，自建成通車以來，一直是主要客貨運車輛的通道，交通量大、超限、超載、重載車輛比例較高，導致路面出現(xiàn)破碎、下沉、嚴重剝落等病害(路面典型病害見圖1)。選取該工程2 km試驗路段(起點樁號K15+470，終點樁號K17+470，主車道為雙向6車道)進行路基路面狀況綜合評估，以作為軌道交通施工道路恢復前的設(shè)計依據(jù)。

圖1 路面典型病害

1 路面損壞狀況評價

采用武漢光谷的ZOYON-RTM型智能道路多功能綜合檢測車進行試驗段路面的全幅評價。多功能道路綜合檢測車具有強大的檢測、數(shù)據(jù)分析功能，可以完全代替人工路面病害調(diào)查作業(yè)，提高檢測效率和精度。道路以每1 000 m作為一個單元，不足1 000 m的按一個單元計，將試驗段分為2個評定段。參照標準JTJ 073.1-2001 《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》 要求，采用路面狀況指數(shù)和斷板率兩項指標評定路面破損狀況，其中斷板率主要用來評價路面的結(jié)構(gòu)性破損狀況，路面狀況指數(shù)用來評價路面的破損狀況，路面損壞狀況調(diào)查結(jié)果如表1所示，表中病害數(shù)據(jù)以板塊數(shù)統(tǒng)計，單位為塊。由表1可看出，路面損壞程度為中等，板塊斷裂程度和填縫料損壞嚴重，幾乎所有接縫填縫料損壞，部分板塊填縫料損壞，接縫碎裂，泥、砂等雜物侵入接縫，很有可能導致雨水滲入基層和墊層，使基層強度降低。同時，結(jié)合二維高頻雷達對面層厚度的探測結(jié)果，舊混凝土面層平均厚度約為200 mm?；炷撩鎸悠∈窃斐苫炷撩姘鍞嗔?、壽命縮短的重要原因之一。

表1 路面損壞狀況調(diào)查結(jié)果

2 道路地下病害體探測

主要采用三維地質(zhì)雷達探測道路地下病害體。地質(zhì)雷達利用特制的天線向下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下傳播過程中，傳播速度及幅值受地下介質(zhì)的介電常數(shù)、電導率、磁導率等物性參數(shù)的影響，當遇到上述物性參數(shù)不同的物體或地層時，電磁波將產(chǎn)生反射繞射波并返回地面構(gòu)成雷達剖面(GPR剖面)。地下介質(zhì)的介電常數(shù)已知時，可計算出電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，根據(jù)探測的電磁波旅行時間，求出反射體的深度。地下介質(zhì)橫向和縱向存在不均勻性，故在地面接收到的信號也有所不同，反映在接收信號上為振幅、頻率及相位等參數(shù)的變化，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可得到地下不同介質(zhì)的分布情況及介電常數(shù)變化面的位置等參數(shù)，可進一步分析出潛在疏松體、脫空、空洞等缺陷的位置。對探地雷達圖譜異常體特征的識別，應(yīng)從波組形態(tài)、振幅和相位與頻譜等方面進行。道路地下病害體探地雷達圖譜特征如表2所示。

表2 道路地下病害體探地雷達圖譜特征

探測工作主要采用意大利IDS公司的STREAM-X型車載式多用途三維探測雷達，接駁頻率為200 MHz的三維雷達模塊，探測深度可達5 m，主要應(yīng)用于對大范圍地下病害進行三維探測及繪圖成像、三維地下管線探測與成像、地下考古探測與成像等。但受市政道路管線及地區(qū)土質(zhì)和地下水位影響，探測深度基本在3 m以內(nèi)。相比于傳統(tǒng)二維雷達，三維探地雷達可以同時顯示縱斷面圖，橫斷面圖以及所選深度的水平視圖，使得地下病害勘測更加立體、直觀，在提高檢測質(zhì)量和效率的同時，也避免二維雷達憑借單一縱斷面探測而產(chǎn)生病害漏探的情況。對試驗路段主車道進行道路三維全覆蓋探測，每條車道布置一條測線。經(jīng)探測和驗證，試驗路段存地下病害體72處，其中脫空37處、空洞23處、疏松體10處、富水體2處，典型缺陷圖譜如圖2～5所示。

圖2 脫空缺陷圖譜(編號2)

圖3 空洞缺陷圖譜(編號60)

圖4 疏松體缺陷圖譜(編號1)

圖5 富水體缺陷圖譜(編號51)

3 路面結(jié)構(gòu)承載能力檢測

路面結(jié)構(gòu)承載能力是反映道路整體結(jié)構(gòu)(從下至上)共同承載路面以上荷載的能力，為模擬汽車快速行駛的實際情況，不少國家開發(fā)了動態(tài)彎沉的測試設(shè)備來獲得行車作用沖擊荷載下的路面結(jié)構(gòu)承載能力,其中落錘式彎沉儀能夠自動采集數(shù)據(jù)(配備計算機)，速度快，精度高，已成為世界各國道路界的熱門儀器。試驗段路面結(jié)構(gòu)承載能力采用北京京谷神箭的CFWD-10T型全自動車載落錘式彎沉儀進行檢測，車載落錘式彎沉儀將彎沉儀裝備在小型汽車上，提高了機動性，使測試更靈便更快速，適合于科研及大范圍的路面普查工作。受市政道路管線及地區(qū)土質(zhì)和地下水位等常見制約因素影響，探地雷達探測深度有限，地下病害評估需要結(jié)合路面結(jié)構(gòu)承載能力結(jié)果作進一步分析，試驗段路面結(jié)構(gòu)承載能力檢測(測試荷載為50 kN)結(jié)果如表3所示。參考工程經(jīng)驗，剛性路面新竣工的水泥混凝土面層彎沉值在5(0.01 mm)以內(nèi)，主干路上基層竣工驗收彎沉值在30(0.01 mm)以內(nèi)。表3結(jié)果表明，水泥混凝土面層路面結(jié)構(gòu)承載能力在運營多年后有所下降，舊路面作為剛性路表面層，路面結(jié)構(gòu)承載能力總體偏低，但若作為瀝青面層下的基層使用，該路面結(jié)構(gòu)承載能力總體良好。同時，面層雷達探測平均厚度約為200 mm，面層典型芯樣彎拉強度標準值為5.66 MPa，依據(jù)JTG D40-2011 《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》 和JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(加鋪瀝青前舊混凝土基層厚度不應(yīng)小于120 mm，彎拉強度應(yīng)大于1.5 MPa)判斷，該路段舊水泥混凝土層的厚度和強度滿足作為基層的要求。綜上所述，考慮在既有道路病害處置后加鋪瀝青面層作為道路恢復方案。

表3 試驗段路面結(jié)構(gòu)承載能力檢測結(jié)果

落錘式彎沉儀板邊實測彎沉盆(測試荷載為50 kN)可用于評價水泥混凝土面板的接縫傳荷能力，良好的接縫傳荷能力可以較好地完成荷載和溫度應(yīng)力在水泥混凝土板間的傳遞，從而避免水泥混凝土板內(nèi)產(chǎn)生過大的應(yīng)力造成疲勞破壞；水泥混凝土面板傳荷能力的提高也能降低加鋪面層底的最大水平拉力，從而提高加鋪面層的疲勞開裂能力。試驗段傳荷系數(shù)檢測結(jié)果如表4所示，可見，路段水泥混凝土板接縫傳荷性能弱化程度嚴重，約80%接縫的傳荷系數(shù)低于80%，約40%接縫的傳荷系數(shù)低于60%，水泥混凝土面層的板體性喪失較明顯。填縫料嚴重損壞是造成水泥混凝土板接縫傳荷性能弱化的原因之一，在加鋪瀝青面層前有必要對面板傳荷能力進行加強。

表4 試驗段傳荷系數(shù)檢測結(jié)果

4 道路地下病害體與路面結(jié)構(gòu)承載能力、路面損壞狀況的相關(guān)性分析

針對地下病害體的位置，對地下病害體與路面結(jié)構(gòu)承載能力、路面損壞狀況進行相關(guān)比對，比對結(jié)果如表5所示。

表5 地下病害體與路面結(jié)構(gòu)承載能力、路面損壞狀況的比對結(jié)果

續(xù)(表5)

通過比對分析，可以得出以下結(jié)論。

(1) 縱向(深度方向)或平面尺寸較大的地下病害體在車載作用下一定會在路面形成反射病害，但反射病害不一定表現(xiàn)明顯。傳統(tǒng)的道路病害調(diào)查采用路面損壞狀況調(diào)查、路面取芯等作為改擴建的設(shè)計依據(jù)，這些檢測方法無法獲得連續(xù)全斷面的路面內(nèi)部損壞狀況，采取的處治方案難以獲得長期的養(yǎng)護效果。例如經(jīng)探地雷達探測和反復驗證(見圖6)，編號60位置存在深約1.2 m，長約1.5 m，寬約1.0 m的空洞，但該位置路表并未發(fā)生沉陷或板塊嚴重破碎，主要原因可能是該位置承受貨車重載次數(shù)相對較少，且該位置取芯混凝土的換算彎拉強度達到7.47 MPa，厚度為292 mm，即混凝土強度高，厚度大，延緩了地下病害體的反射。但該空洞若不進行開挖或者深層注漿處理，僅根據(jù)路面損壞結(jié)果(橫裂)對路面進行簡單處理或是不處理直接進行加鋪，長遠來看將是道路行車安全的重大隱患。

圖6 編號60空洞缺陷驗證

(2) 地下病害大多會在路表有所反映，但部分體積尺寸較小的地下病害體在車載作用下不一定會在路面形成反射病害。

(3) 路面沉陷一定伴隨板塊斷裂，且沉陷位置一定存在較為嚴重的地下病害體，沉陷位置路面承載能力較差，檢查井周圍井外滲漏造成的土體疏松和空洞是路面沉陷的原因之一。

(4) 路面結(jié)構(gòu)承載能力可以反映路基路面各層次的整體剛度，地下某結(jié)構(gòu)層次若病害嚴重，該區(qū)域路面結(jié)構(gòu)承載能力一定會變差。結(jié)合試驗段的彎沉值數(shù)據(jù)，無地下病害區(qū)域路段路面承載能力相對較好，證明該區(qū)域各層次的整體剛度較強，該區(qū)域路面病害可能是路面厚度不足、行車重載或環(huán)境因素造成的。

(5) 表5中板底脫空(脫空位置較淺，位于混凝土板塊與其下層間)病害的彎沉值基本都大于20(0.01 mm)，這也驗證了標準JTJ 073.1-2001對于單點板底脫空的判定依據(jù)。

5 道路病害的處治策略

道路病害的處理和病人治病一樣，需標本兼治，僅就顯露在面上的道路病害加以應(yīng)急處理是無法徹底根除內(nèi)在病害的?？紤]到舊混凝土路面后期將作為基層使用，將試驗段彎沉值大于30(0.01mm)作為路面結(jié)構(gòu)承載能力不足的判定依據(jù)。結(jié)合試驗段的彎沉值數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，路面結(jié)構(gòu)承載能力不足的位置皆發(fā)生在地下病害體位置附近，所以擬優(yōu)先考慮處治地下病害，對于承載力嚴重不足或是地下病害體尺寸較大的局部板塊，可對舊路進行局部破除，重新碾壓加固，其余脫空板塊或小范圍地下病害可采取灌漿的方法進行處理。對于斷裂板、錯臺板塊、大面積坑洞及縱、橫、斜向裂縫的板塊均需換板，破損板塊處治結(jié)束后，用橡膠瀝青砂或改性瀝青砂重新灌縫以改善面板傳荷能力，同時修補輕微裂縫、小面積坑槽及板角斷裂等病害。既有道路病害處治結(jié)束后，需對路段結(jié)構(gòu)承載能力重新進行復測，若依舊有承載能力不合格的位置，需對該位置病害處治效果進行檢查分析，必要時采用其他物探手段對該位置更深層情況進行探測。最后，在水泥混凝土面板上加鋪一層優(yōu)質(zhì)或改性瀝青混凝土面層，以改善舊路面的平整度和防水性能，設(shè)計厚度需考慮交通量、使用壽命、舊路結(jié)構(gòu)和氣候等因素。

6 結(jié)語

基于實際工程項目，采取結(jié)合道路多功能綜合檢測車、全自動車載落錘式彎沉儀、二維和三維探地雷達的無損檢測手段，通過對道路地下病害體與路面結(jié)構(gòu)承載能力、路面損壞狀況的相關(guān)性分析，對項目試驗段路基路面狀況進行綜合評估，得到以下主要結(jié)論。

(1) 傳統(tǒng)的道路調(diào)查只能評估路面表面狀況，導致后續(xù)采取的養(yǎng)護方案只能獲得短期的養(yǎng)護效果，難以長效維護，故需要依據(jù)多種無損檢測數(shù)據(jù)對道路進行綜合評估。

(2) 行車重載作用下，路面厚度不足很可能引起水泥混凝土面板斷裂，壽命縮短；接縫料損壞會造成水泥混凝土面板板體性喪失，導致面板接縫傳荷性能弱化。

(3) 試驗段舊水泥混凝土路面若作為基層結(jié)構(gòu)則承載能力整體較好，厚度和強度滿足混凝土基層技術(shù)要求，擬將所有路基路面病害處治后的舊水泥混凝土路面作為基層使用。