瀝青混凝土路面檢測技術(shù)及其工程應(yīng)用

林學(xué)麗

摘要 瀝青混凝土路面狀況的好壞，對于路面交通的安全通行有著較大影響，鑒于傳統(tǒng)瀝青混凝土路面檢測技術(shù)相對落后，且對于路面結(jié)構(gòu)有一定的損傷，因此新型無損檢測技術(shù)受到了眾多專家和學(xué)者的關(guān)注。三維探地雷達(dá)主要通過電磁波在不同電性介質(zhì)傳播受到的影響不同，對反射波進(jìn)行分析，從而確定被探測物的深度、結(jié)構(gòu)形式和性質(zhì)。依托于某瀝青混凝土路面病害檢測項(xiàng)目，三維探地雷達(dá)檢測了路面脫空的深度和面積，且測試結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較高，證明三維探地雷達(dá)在瀝青混凝土路面檢測中具有較強(qiáng)的適用性。

關(guān)鍵詞 瀝青混凝土路面；三維探地雷達(dá)；路面檢測；驗(yàn)證性檢測

中圖分類號 U416.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0099-03

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路服役里程增長和車輛交通荷載加大，導(dǎo)致道路維修養(yǎng)護(hù)工作面臨較大的壓力。從工程建設(shè)方面考慮，瀝青混凝土材料作為路面建設(shè)的基本施工材料，得到了較為廣泛的應(yīng)用。由于瀝青混凝土材料的性能限制和長期交通活載的沖擊影響，瀝青混凝土路面不可避免地存在坑槽、皸裂和裂縫等病害[1-4]，對公路正常運(yùn)營和安全通行帶來了較大的安全隱患，因此對瀝青混凝土路面進(jìn)行檢測并采取針對性的維修養(yǎng)護(hù)措施，確保路面的健康、安全服役成為當(dāng)前管養(yǎng)單位關(guān)注的重點(diǎn)問題。根據(jù)當(dāng)前工程實(shí)踐，傳統(tǒng)道路檢測技術(shù)不僅存在工作效率低、檢測代表性不強(qiáng)等弊端，甚至?xí)β访娼Y(jié)構(gòu)造成一定的損傷。無損檢測新技術(shù)的推廣應(yīng)用，不僅提高了檢測效率，對于公路行業(yè)運(yùn)維水平的提升也起到了較大的促進(jìn)作用[4-7]，大大保障了瀝青混凝土路面的通行能力。針對車轍現(xiàn)象、結(jié)構(gòu)變形和不均勻沉降等瀝青混凝土路面常見病害，傳統(tǒng)檢測方式無法進(jìn)行無損、全面的檢測，檢測面廣、技術(shù)先進(jìn)和精確度高的無損檢測技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。通過對無損檢測技術(shù)的系統(tǒng)組成、工作原理和檢測性能分析，發(fā)現(xiàn)其在瀝青混凝土路面病害檢測方面具備較強(qiáng)的適用性。實(shí)際瀝青混凝土病害檢測項(xiàng)目，也驗(yàn)證了三維探地雷達(dá)檢測技術(shù)的高精度和適用性。

1 瀝青混凝土路面常見病害分析

1.1 車轍現(xiàn)象

道路運(yùn)營過程中，車轍現(xiàn)象是瀝青混凝土路面常見病害之一，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致路面產(chǎn)生明顯凹陷，影響行車安全。關(guān)于車轍病害的成因，具體分析如下：

（1）材料缺陷。由于瀝青材料的固有缺陷，瀝青混凝土路面的耐腐蝕性無法達(dá)到交通通行要求，造成服役壽命和服役狀況受到較大的影響。

（2）服役環(huán)境差。道路服役周期內(nèi)，雨水沖刷和太陽直射造成瀝青路面高溫，會在較大程度上降低材料硬度，反復(fù)荷載作用下甚至?xí)霈F(xiàn)車轍現(xiàn)象。

（3）超載現(xiàn)象。道路服役過程中，車輛總荷載和車輛軸載缺乏明確的限制或者限制執(zhí)行不夠嚴(yán)格，尤其是軸載超過額定軸載的情況時(shí)有發(fā)生，對于瀝青路面的影響更大，長期超載作用下導(dǎo)致路面出現(xiàn)較為嚴(yán)重的車轍病害。

（4）工藝不規(guī)范。由于工期影響，部分高速公路施工過程中，路面未完全滿足通車要求便開始承擔(dān)車輛荷載，會導(dǎo)致瀝青混凝土在成型過程中出現(xiàn)缺陷，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重車轍現(xiàn)象。

1.2 結(jié)構(gòu)變形

作為瀝青路面常見病害之一，結(jié)構(gòu)變形不僅會造成路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，還會影響公路車輛的安全通行，嚴(yán)重情況下車輛顛簸對路面會造成更大的沖擊，二者相互耦合則會造成結(jié)構(gòu)變形的進(jìn)一步發(fā)展，嚴(yán)重影響公路交通正常通行。對于瀝青混凝土路面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行如下分析：

（1）雨水侵蝕。由于瀝青路面排水不及時(shí)或者排水不暢，導(dǎo)致水分滲入道路基層，破壞路面結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生一定形變，嚴(yán)重地影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況甚至破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（2）防水能力不足。設(shè)計(jì)瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)時(shí)，為了防水的需要，專門設(shè)計(jì)了一層防水層，由于施工工藝的缺陷或者材料老化，導(dǎo)致防水能力無法滿足設(shè)計(jì)要求，長期滲水作用下引起路面結(jié)構(gòu)變形甚至破壞的嚴(yán)重病害。

（3）管養(yǎng)不合理。當(dāng)前公路運(yùn)維中對于養(yǎng)護(hù)重視程度不足，造成養(yǎng)護(hù)措施不及時(shí)，最終造成路面裂縫，在雨水沖刷和活載沖擊作用下造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)變形。

1.3 不均勻沉降

瀝青混凝土結(jié)構(gòu)在運(yùn)營中面臨諸多挑戰(zhàn)，不均勻沉降就是影響路面結(jié)構(gòu)完整性和行車安全的重要因素之一。導(dǎo)致路面發(fā)生不均勻沉降的因素很多，現(xiàn)進(jìn)行如下分析：

（1）施工方面。填土路基尤其是高填方路基，由于填土配合比或者壓實(shí)度存在問題，或者填土厚度不均勻，均會造成路基一定程度的不均勻沉降，反射到路面結(jié)構(gòu)上則表現(xiàn)為一定程度的凹陷。

（2）運(yùn)維方面。瀝青混凝土路面，如果防水被破壞或者防水能力不足，則會導(dǎo)致路面積水滲到路基結(jié)構(gòu)，甚至造成路基發(fā)生不均勻沉降，嚴(yán)重時(shí)會反射到路面結(jié)構(gòu)。

2 探地雷達(dá)系統(tǒng)組成和工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

探地雷達(dá)的硬件主要包括接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和處理器，其中接收機(jī)包括信號處理機(jī)、數(shù)字存儲器和信息器。探地雷達(dá)具體構(gòu)成如圖1所示。

根據(jù)圖1的三維探地雷達(dá)系統(tǒng)組成，對于組成部件進(jìn)行如下的功能分析：

（1）雷達(dá)主機(jī)。雷達(dá)主機(jī)是三維探地雷達(dá)的主要部件，其核心技術(shù)是頻率步進(jìn)技術(shù)，通過電磁波的發(fā)射和接收能夠完成大量的數(shù)據(jù)采集，具有較高的分辨率和一定深度的探測能力。

（2）地面耦合天線。地面耦合天線主要影響探測寬度，其核心技術(shù)是天線陣列及時(shí)，電磁波頻率范圍在200～3 000 MHz，在瀝青混凝土路面檢測中的適用性較強(qiáng)。耦合天線通過不同的發(fā)射天線和接收天線，單次檢測可以實(shí)現(xiàn)對多條測線進(jìn)行檢測，覆蓋范圍相對較大，形成網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理分析形成三維圖像。

（3）數(shù)據(jù)分析軟件。數(shù)據(jù)分析軟件的功能是對地面耦合天線接收到的反射波信號進(jìn)行處理，反演得到檢測結(jié)構(gòu)信息。三維探地雷達(dá)進(jìn)行一次掃描，能夠同時(shí)獲得垂直斷面和水平斷面的結(jié)構(gòu)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析軟件的處理，形成高清晰度的三維圖像信息。

2.2 探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理是將電磁波向被探測物發(fā)射，脈沖在遇到不同電性界面，部分雷達(dá)波會因反射被接收天線接收。由于電磁波的傳播路徑、強(qiáng)度和波形受到介質(zhì)和反射形態(tài)的較大影響，根據(jù)反射波的信號分析，對于被探測物的深度、結(jié)構(gòu)形式和性質(zhì)進(jìn)行分析。關(guān)于探地雷達(dá)電磁波在探測工作中的工作流程如圖2所示。

3 三維探地雷達(dá)應(yīng)用分析

3.1 檢測深度

根據(jù)探地雷達(dá)工作原理可知，接收天線接收被探測物發(fā)射回來的信號，由于存在多個反射面，信號的幅度和行走時(shí)間均會存在一定的差別，通過對接收信號進(jìn)行處理，其中包括校正、疊加、濾波和偏移處理，然后在分析電磁波傳播介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率的情況下計(jì)算得到電磁波波速，根據(jù)電磁波的行走時(shí)間和反射界面，從而確定反射波的形態(tài)、振幅和變化特征，進(jìn)一步計(jì)算可以得到被探測物的空間坐標(biāo)。計(jì)算被探測物深度的計(jì)算公式如式（1）所示。

式中，v——電磁波真空傳播波速（m/s）；——傳播介質(zhì)的相對介電常數(shù)；t——被探測物界面反射波雙向傳播時(shí)間（s）。

3.2 天線頻率

探地雷達(dá)能夠探測到的最大深度受到探地雷達(dá)性能和探測環(huán)境的影響，其中環(huán)境影響因素包括傳播介質(zhì)的介電特性、電磁波其他特性等。根據(jù)當(dāng)前研究發(fā)現(xiàn)，在瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的檢測過程中，如果電磁波的頻率高，則在傳播過程中因受到的影響較大會發(fā)生較快的衰減，造成檢測深度受到較大的限制?？紤]探地雷達(dá)檢測中電磁波的傳播、傳播介質(zhì)的介電特性和電磁波傳播的規(guī)律，探地雷達(dá)的天線頻率將會對探測雷達(dá)的檢測深度產(chǎn)生較大影響，因此應(yīng)結(jié)合被探測物的深度、目標(biāo)探測深度選擇天線頻率，其中天線頻率與被探測物深度的對應(yīng)如表1所示。

4 案例分析

4.1 工程概況

某城市道路項(xiàng)目位于我國平原地區(qū)，全長為4.3 km，雙向六車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速為60.0 km/h。路面結(jié)構(gòu)為4 cmSMA-13（SBS改性）+改性瀝青粘油層+8 cm粗粒式瀝青混凝土（AC-25C）+1 cm封層+40 cm粉煤灰三渣+15 cm礫石砂。

道路路基設(shè)計(jì)中存在一定的挖方和填方路面，施工過程中由于雨水沖刷造成一定程度的不均勻沉降，經(jīng)后期處理后滿足交工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。由于該地降雨較為頻繁，對于道路的防水和排水能力的挑戰(zhàn)性較大。隨著道路通行時(shí)間增加，道路路面出現(xiàn)了一定程度的沉陷，反射到地面則是出現(xiàn)沉陷。為了全面了解地面沉陷的原因以及沉陷位置的路基結(jié)構(gòu)情況，便于采取針對性的處治措施，采用三維探地雷達(dá)進(jìn)行瀝青混凝土路面沉陷病害的檢測，從而確定病害的深度和范圍。

4.2 檢測結(jié)果分析

檢測采用的三維探地雷達(dá)，采用能夠覆蓋1.5 m寬路面的地面耦合曲線，采用多條檢測路線即可對路面進(jìn)行全覆蓋的檢測。地面耦合雷達(dá)檢測時(shí)，車輛行駛速度V=10.0～15.0 km/h，相比傳統(tǒng)檢測技術(shù)，檢測效率較高。根據(jù)該文探地雷達(dá)主要用于瀝青混凝土路面檢測，根據(jù)表1可知天線頻率為1 500 MHz，有效檢測深度小于1.0 m，即能滿足檢測要求。采用三維探地雷達(dá)對發(fā)生沉陷的路面進(jìn)行掃描，得到縱斷面圖如圖4所示。

根據(jù)路面外觀檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土路面還存在部分開裂現(xiàn)象，這也會對路基空洞的反射信號造成一定的干擾。根據(jù)上圖可以發(fā)現(xiàn)，路基區(qū)域部分脫空現(xiàn)象較為嚴(yán)重，約為0.3 m深，但是從信號無法確定空洞頂部、底部的信號，因此很難準(zhǔn)確計(jì)算脫空位置的高度。

5 結(jié)語

經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)快速發(fā)展，對于瀝青混凝土路面的服役狀態(tài)提出了新要求。由于當(dāng)前路面下管線縱橫交錯，且管道老化存在部分漏水和滲水，傳統(tǒng)檢測方法無法有效地進(jìn)行檢測，且對道路路面會產(chǎn)生一定程度的破壞。在對瀝青混凝土路面常見病害和傳統(tǒng)檢測技術(shù)限制的研究基礎(chǔ)上，該文提出三維探地雷達(dá)在瀝青混凝土路面病害檢測中具有較強(qiáng)的適用性，根據(jù)對雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理和工作性能的分析，實(shí)際檢測項(xiàng)目驗(yàn)證了探地雷達(dá)的檢測效果，結(jié)果顯示三維探地雷達(dá)能夠滿足瀝青混凝土路面病害檢測的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]林欽國， 熊斌丹. PQI用于瀝青混合料密度檢測的影響因素分析[J]. 公路交通技術(shù)， 2016（2）： 46-50+56.

[2]于銳. 高速公路瀝青混凝土路面病害檢測技術(shù)的合理選擇[J]. 中國標(biāo)準(zhǔn)化， 2016（13）： 230+233.

[3]孫梁. 無損檢測技術(shù)在公路橋梁中的應(yīng)用研究[J]. 交通世界， 2016（1）： 14-15.

[4]張松波. 無損檢測在瀝青路面施工均勻性評價(jià)中的應(yīng)用[J]. 交通世界， 2016（6）： 72-73.

[5]李細(xì)偉， 陳敏. 基于無損檢測技術(shù)的半剛性基層瀝青路面損傷狀態(tài)分析[J]. 公路， 2017（8）： 40-43.

[6]胡先進(jìn). 無損檢測技術(shù)在公路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究[J]. 黑龍江交通科技， 2016（5）： 157-159.

[7]黃大偉. 高速公路瀝青混凝土路面檢測技術(shù)[J]. 交通世界， 2019（12）： 60-61.