公路橋梁檢測質(zhì)量控制與檢測技術(shù)應(yīng)用

劉守苗

（安徽省交通控股集團有限公司,安徽 合肥 230000）

0 引言

與其他建筑項目相比，公路橋梁工程存在著諸多的風(fēng)險因素，它的建設(shè)周期很長，涉及的技術(shù)也很復(fù)雜，必須加強質(zhì)量管理。采用合理的質(zhì)量檢測技術(shù)和相應(yīng)的質(zhì)量管理手段，可以確保項目總體效果，減少項目風(fēng)險，提高項目總體效益。

1 公路橋梁工程質(zhì)量檢測技術(shù)的重要意義

經(jīng)濟的快速發(fā)展帶動了我國公路橋梁工程的快速發(fā)展。自然環(huán)境的破壞和交通負荷的日益增長使道路橋梁受到損害。公路橋梁檢測技術(shù)可以客觀地評價各種運輸載體的可靠性、耐久性、承載能力，為橋梁維修、養(yǎng)護、處理決策提供參考和指導(dǎo)。路橋的檢測內(nèi)容主要包括混凝土的力學(xué)狀態(tài)、鋼筋狀態(tài)、預(yù)應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)損傷等[1]。鉆孔是一種傳統(tǒng)的檢測方法，但這種方法會受鉆孔位置影響，而且會對路橋結(jié)構(gòu)造成損傷，而且很難全面地反映出公路橋梁的整體健康狀況。因此，無損檢測技術(shù)在公路橋梁中逐漸發(fā)展。無損檢測是指根據(jù)不同的物理指標(biāo)，在不對橋梁結(jié)構(gòu)和構(gòu)件造成損害的情況下，對橋梁的損傷進行判定。無損檢測是基于多種現(xiàn)代材料力學(xué)與應(yīng)用物理的結(jié)合性技術(shù)，可以對混凝土強度、構(gòu)件缺陷進行檢測（見表1）。既能確保橋梁的整體性能，又能減少工期和成本。無損檢測技術(shù)包括超聲、紅外、自然電位、沖擊回波、X射線、干涉、脈沖雷達等。

表1 混凝土強度測定和構(gòu)件材料缺損檢測技術(shù)

2 檢測技術(shù)及其應(yīng)用

2.1 超聲波檢測

超聲技術(shù)安全性高、風(fēng)險性低。在橋梁工程中，超聲波探測技術(shù)的應(yīng)用有兩個方面：一是通過多個方向的超聲波產(chǎn)生的瞬時諧振，使低頻的應(yīng)力波傳遞到建筑物的內(nèi)部，并在斷口處被反射。精確地檢測橋梁結(jié)構(gòu)如樁、板、梁等結(jié)構(gòu)的完整性和裂紋位置。二是可以探測到金屬或塑膠管中的孔隙。包括孔洞深度與加固區(qū)域的間距以及單位厚度，便于及時進行修補和注漿。超聲波檢測技術(shù)可以利用超聲波探針發(fā)出一種適用于混凝土的超聲波，測量受測對象的傳播時間，并根據(jù)聲速與強度的關(guān)系，求出了其強度估計值[2]。通過該公式，可以得到鋼管混凝土的質(zhì)量。采用直接對穿式超聲換能器進行探傷，超聲在鋼管混凝土中的徑向傳播時間為t，與沿管壁的半周傳播的時刻tsp關(guān)系為：

式中，vc——鋼管混凝土中超聲波的傳播速率；vsp——沿管道壁上超聲波的傳播速率。如果某工程鋼管混凝土的設(shè)計強度等級為C50，則選用普通525水泥、中砂、5～25 mm的碎石、低鈣低灰、高濃高效泵送、U形膨脹劑。鋼管混凝土的超聲波速度vc在4.5 km/s左右，鋼管的速度vsp在5.4 km/s左右，也就是：tsp=1.3tc。

結(jié)構(gòu)材料在受到?jīng)_擊后，會產(chǎn)生塑性變形、裂紋等結(jié)構(gòu)損傷，并通過聲波的方式來釋放能量。在荷載作用下，依然可以對橋梁的結(jié)構(gòu)材料進行檢測。但在一些重要斷面區(qū)域，許多管線無法從下端的背面進行探測，如局限于從表面看，則管線中存在蜂窩體、水或適用于其他材質(zhì)的管線時，會對探測造成一定的影響。

2.2 光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)可以將外部的物理能量轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號，從而實現(xiàn)被測物體狀態(tài)指標(biāo)的采集（見圖1）。光纖傳感技術(shù)具有適應(yīng)性強、絕緣性能好、耐高溫、耐腐蝕，能在易燃、爆炸等方面的優(yōu)勢。其體積小、重量輕、精度高、實用性強，有很大的發(fā)展空間。將功能性光導(dǎo)纖維植入或粘貼到橋梁上，利用光纖的變形和斷裂來實現(xiàn)對橋梁的損傷程度的實時檢測。但這種方法造價高，施工量大。采用自動監(jiān)測技術(shù)，可以實現(xiàn)連續(xù)檢測、監(jiān)測預(yù)應(yīng)力以及連續(xù)混凝土梁的應(yīng)力和變形特征[3]。

圖1 光纖傳感檢測技術(shù)

2.3 探地雷達（GPR）檢測技術(shù)

GPR技術(shù)是利用傳感器對地下介質(zhì)交界面的反射波進行檢測，記錄反射波回到地表的時間t和反射波的振幅分析地下介質(zhì)狀態(tài)。該技術(shù)在淺層和超淺層探測中應(yīng)用廣泛。GPR技術(shù)在公路橋梁工程中的應(yīng)用包括路面厚度檢測、路面基層密實度、基層厚度及高含水量檢測。此外，還要測試道路的材質(zhì)、裂縫、濕度和結(jié)構(gòu)[4]。通過將應(yīng)變片、應(yīng)變傳感器、壓電傳感器、外加傳感器等嵌入或粘貼到橋梁的重要部位，可實現(xiàn)對橋梁的實時監(jiān)測。監(jiān)測范圍包括：①使電子脈沖穿入鋼筋混凝土建筑，通過金屬物體的反射回能被天線所接收的雷達波；②結(jié)合利用腐蝕分析儀，GPR還可以通過電位梯度來判斷腐蝕鋼筋的位置；③GPR具有大深度、高精度的三維定位技術(shù)，能對預(yù)應(yīng)力管線及混凝土進行有效的檢測[5]；④GPR通過電磁輻射作為滲透介質(zhì)，對預(yù)應(yīng)力管線及混凝土的缺陷進行探測。該方法具有速度快、精度高、操作簡單、覆蓋范圍廣、使用安全、受環(huán)境因素影響較少的特點，即使在環(huán)境惡劣的環(huán)境中，仍能保證其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性。但該方法需要大量的現(xiàn)場觀測資料和豐富的工程實踐經(jīng)驗。GPR技術(shù)在公路上應(yīng)用廣泛，但由于成本高，限制了該技術(shù)推廣。

2.4 射線檢測技術(shù)

應(yīng)用紅外成像技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)進行檢測是一種常見的方法。當(dāng)橋梁出現(xiàn)裂縫或破損時，其紅外線與周邊環(huán)境表現(xiàn)出明顯的差異，利用紅外熱像儀將其紅外輻射轉(zhuǎn)化為可視熱圖像[6]。射線探測技術(shù)是把底片置于混凝土部件后面，用X射線或伽馬射線照射敏感的底片，生成空洞圖像，以此來判斷空洞的大小和破裂的鋼筋位置[7]。應(yīng)用UHF短脈波（106～109 Hz）來檢測混凝土鋼筋、孔的位置、缺陷、疲勞檢測等電渦流強度。通過渦動的改變來判定材料表面缺陷。但這種技術(shù)會對人體產(chǎn)生一定的輻射，因此必須采取有效的防護措施。

3 公路檢測技術(shù)的具體應(yīng)用和質(zhì)控方法

該文以安徽某高速公路為例，探討公路檢測技術(shù)在實際中的應(yīng)用及質(zhì)量控制。安徽某高速公路全長107 km，在施工中由于地形陡峭、巖石構(gòu)造復(fù)雜、褶皺劇烈，在施工中產(chǎn)生了一系列的地面裂縫、漏水、積水等質(zhì)量問題。通過采用先進的測試手段，對路面的壓實度進行了測試，并對路面的抗病害能力、路面荷載、路基運行能力、路面抗車轍能力進行了綜合評價。通過運用動態(tài)回彈模量測試儀，制定了壓實質(zhì)量檢測方案，采用相應(yīng)的計算公式對路基的含石量、最大干密度進行了計算，及時地發(fā)現(xiàn)路基的穩(wěn)定性和安全隱患，減少了路面的變形。以下是具體的步驟。

3.1 動態(tài)回彈模型測量儀應(yīng)用原理

該段公路總線較長，為了準(zhǔn)確判定斷面布置情況，需要對該段的壓實度進行測量，而全線的壓實度測試工作量很大，常規(guī)的壓實度測試技術(shù)已不能滿足此次的質(zhì)量測試需求。為此，有關(guān)部門引進動態(tài)回彈模量測試儀，以巖石的含石量、最大干密度為指標(biāo)，在路基部位設(shè)置多個檢測點，以發(fā)現(xiàn)路基薄弱部位，提高檢測效率和質(zhì)量控制準(zhǔn)確性。采用落錘法，對路基承載板、減震裝置進行撞擊，使路基發(fā)生沉陷，在相同的碰撞工況下，模擬汽車行駛時對路基的動載作用。通常，隨著彈性模量的增大，路基的壓縮程度也會隨之增大。

3.2 具體應(yīng)用

在此技術(shù)使用前，先要確保試驗段表面平坦，沒有任何雜質(zhì)，并保證動態(tài)回彈模量試驗機與地面垂直。安裝引導(dǎo)棒，使落錘在吊具上自由脫鉤，如此重復(fù)3次，即完成預(yù)震工藝，并記錄試驗結(jié)果。操作員應(yīng)準(zhǔn)確記錄各試驗點的試驗部位，防止載荷板的彈跳或運動，記錄土壤成分、含石率、含水率及其他參數(shù)，并按板壓公式計算：

式中，Evd——動態(tài)變形模量（MPa），計算至0.1 MPa；r——圓形剛性荷載板的半徑（mm），即r=150 mm；σ——荷載板下的最大動應(yīng)力，它是通過在剛性基礎(chǔ)上，由最大沖擊力Fs=7.07 kN且沖擊時間ts=18 ms時標(biāo)定得到的，σ=0.1 MPa；s——實測荷載板下沉幅值（mm）；1.5—荷載板形狀影響系數(shù)。實測結(jié)果可采用下列簡化公式：

在進行路基壓實度試驗時，選用了具有代表性的原材料A，其自然含水率為66.6%，最大顆粒直徑為100 mm，原料B自然含水率為36.6%，最大顆粒直徑為20 mm，得到兩者的級配關(guān)系，并按照《公路土石試驗規(guī)程文件》的要求，對A、B的最大干密度進行測定。①Mr=1.7；②Mr=2.5；③Mr=5.0，然后用濕土方法進行振動夯實，最后得到的最大干重是：①在相同模比Mr=1.7的情況下，最大干重2.37 g/cm3；②在模數(shù)Mr=2.5的情況下，最大的干重為2.32 g/cm3；③在模數(shù)Mr=5.0的情況下，最大的干重為2.26 g/cm3。在確定了最大干密度后，對路基的壓實率進行了測定，其計算公式如下：

式中，m0——濕土總質(zhì)量；w——現(xiàn)場含石量；m1——粒徑在5 mm以上的濕土質(zhì)量，最終得出含石量檢測結(jié)果（表2）。

表2 含石量檢測結(jié)果

根據(jù)表2所示的資料，技術(shù)人員能夠判定出巖石的動態(tài)彈性模量與壓縮強度之間的對應(yīng)關(guān)系，從而得出：在干土條件下巖石含量更大，能較好地反映出實際的巖石含量。壓實度檢測技術(shù)的檢測數(shù)據(jù)能用折線圖直觀顯示出來，在動態(tài)回彈模量測試儀的幫助下，可以大大縮短檢測時間，為管理者提供更為可靠的檢測數(shù)據(jù)。

3.3 常態(tài)化質(zhì)量管控方法

在道路檢測技術(shù)的實施中，要建立起常態(tài)化的質(zhì)量控制措施。為了防止公路病害的發(fā)生，應(yīng)適當(dāng)提高試驗測試指標(biāo)，改進測試內(nèi)容，加強對施工場地的現(xiàn)場監(jiān)測。提前開展質(zhì)量管控，而不是在道路出現(xiàn)病害時進行補救[7]。應(yīng)根據(jù)相關(guān)施工規(guī)范要求，加強公路工程的安全管理，制定詳細的檢測程序。比如，記錄材料進場、進出取樣、施工現(xiàn)場應(yīng)用等；各監(jiān)理人負責(zé)材料配合比試驗、土木工程試驗、現(xiàn)場試驗、現(xiàn)場試驗等的檢測與批準(zhǔn)；制定月、季度、年度計劃，對公路工程的結(jié)構(gòu)強度、荷載強度、安全性進行質(zhì)量評價與檢測；進一步加強檢查、改進檢測、建立質(zhì)量保障體系，以提高路基路面的壓實度，確保彎沉值達標(biāo)；提高有關(guān)監(jiān)督、檢測人員的技術(shù)水平，使其全面掌握現(xiàn)代檢測技術(shù)；采用材料力學(xué)信息技術(shù)，對路面缺陷進行及時探測和快速處理；綜合應(yīng)用GPS三維位移測量技術(shù)及頻譜圖像技術(shù)；結(jié)合聲波反饋，全面掌握公路工程的質(zhì)量問題[8]，防止路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、損傷等情況，提高檢測的效果和道路質(zhì)量，從而實現(xiàn)提高行車安全這一最終目標(biāo)。

4 結(jié)論

總之，在公路橋梁工程檢測中，必須對各技術(shù)的檢測水平、內(nèi)外檢測效果、力學(xué)檢測精度進行嚴格的控制，以確保檢測的總體質(zhì)量。在檢測的過程中，要積極合理地將雷達、射線探傷、頻譜分析、圖像分析、光纖等現(xiàn)代技術(shù)引入與運用。擴大檢測范圍，確保檢測的準(zhǔn)確度、全面性，以實現(xiàn)工程預(yù)期目標(biāo)。