基于地震波法的水泥混凝土路面脫空檢測

邱 凡

（江西省四通路橋建設(shè)集團有限公司,江西 新余 338000）

0 引言

板底脫空是水泥混凝土路面常見的病害形式，板底脫空出現(xiàn)后，必將引發(fā)應力集中，斷板等病害，進而影響路面承載性能和使用壽命。在日常養(yǎng)護及提質(zhì)改造過程中，必須及時預防并處治脫空病害，而如何準確測定板底脫空狀況是預防與處治的前提。當前，關(guān)于板底脫空的檢測方法主要有聲波法、雷達法、落錘式彎沉儀法、貝克曼梁法等，以上方法均存在檢測過程復雜，施測難度大，費用高等問題。因此，已經(jīng)有研究者開始探索振動檢測方法判斷水泥混凝土路面脫空的工程問題。

基于此，該文依托高速公路水泥混凝土路面實際，展開地震波法在路面脫空檢測中應用情況的分析，驗證此類方法的技術(shù)優(yōu)勢，并為工程應用提供借鑒參考。

1 地震波法檢測路面脫空的原理

水泥混凝土面板遭受瞬間沖擊荷載作用后，只表現(xiàn)出瞬態(tài)振動，而無穩(wěn)態(tài)振動；沖擊結(jié)束后面板將以自然頻率持續(xù)表現(xiàn)出自由振動。在路面板層間摩擦力與相鄰面板間側(cè)向約束力的作用下，板體受到豎向沖擊荷載或行車荷載作用后，僅產(chǎn)生小幅度豎向位移。故可將水泥混凝土路面板遭受瞬態(tài)沖擊后產(chǎn)生的振動簡化為單自由度系統(tǒng)的自由振動過程[1]。

對于板底脫空的路面板而言，在受到?jīng)_擊荷載作用后，振動頻率、振幅、振動周期等振動特性參數(shù)會表現(xiàn)出一定差異。板底脫空面積越大，面板振動系統(tǒng)等效剛度削減也越嚴重，自然頻率也越低，振動周期越長。

檢測開始前，將振動傳感器布設(shè)于混凝土面板邊或板角，再借助激振設(shè)備向相應位置施加沖擊荷載，同時通過振動儀監(jiān)測和收集面板振動信號，對信號展開頻域和時域分析[2]，并探索不同脫空狀態(tài)下路面板振動特性規(guī)律，達到水泥混凝土路面板底脫空振動評價的目的。

2 工程應用

某高速公路全長114 km，雙向四車道設(shè)計，全線均采用水泥混凝土路面，部分高填方路段為連續(xù)配筋混凝土路面，公路于2016 年建成通車。為進一步提升公路段服務能力和行車舒適度，降低噪聲和日常養(yǎng)護壓力，公路管理部門于2022 年底對公路進行加鋪瀝青面層的升級改造。在加鋪養(yǎng)護前，對原路面板底脫空等病害進行全面處治，考慮工期緊、任務重，經(jīng)過比選、研討與論證后，決定采用施測簡便、測值精度高的地震波法檢測技術(shù)。

2.1 混凝土板脫空室內(nèi)檢測

2.1.1 檢測方案設(shè)計

結(jié)合該公路實際并參考常用路面結(jié)構(gòu)尺寸，運用相似性原理，按照一定縮放比例擬定室內(nèi)脫空試驗板尺寸?；鶎釉囼灠彘L×寬×高為2 700×1 200×80 mm；面層試驗板長×寬×高為1 500×1 000×80 mm，具體情況見圖1。

圖1 基層試驗板與面層試驗板布置情況（mm）

對于板底脫空的水泥混凝土路面而言，脫空區(qū)通常形似三角形楔形體，脫空高度一般為0～5 mm，故室內(nèi)檢測時，通過預埋1 塊直角邊長均為600 mm、斜邊高度3 mm 及1 塊直角邊長均為600 mm、斜邊高度為6 mm的木質(zhì)等腰直角三角形模板以形成脫空區(qū)。模板埋設(shè)后形成圖1 中的A 脫空區(qū)和B 脫空區(qū)，兩個脫空區(qū)面積相等，埋深分別為3 mm 和5 mm。在基層試驗板上按設(shè)計厚度澆筑貧混凝土后標準養(yǎng)護7 d；待基層實際強度達到要求后在其上安裝模板，并澆筑面層試驗板混凝土。考慮試驗期間面板前后移動的便利性，還應在面層試驗板4個邊角處埋設(shè)吊環(huán)，并在相應位置布設(shè)少量鐵絲，增強板角處結(jié)構(gòu)的抗彎拉強度。

室內(nèi)試驗過程中面層、基層模板高度應和面層、基層厚度保持一致，利于混凝土初步刮平，確保面層和基層接觸面的平整度，避免面層水平移動時在預先設(shè)置的三角形脫空區(qū)外出現(xiàn)新的脫空區(qū)，增大試驗難度，并影響試驗結(jié)果的準確性。

測試儀器參數(shù)中采樣率、量程最為關(guān)鍵。采樣率過低必然造成待測信號波形失真，采樣率過高則會縮短采樣時間，造成部分待測信號丟失[3]。在量程設(shè)置時，必須確保各通道待采樣幅度最大峰值均位于量程檔以下，以防出現(xiàn)信號削頂，影響檢測精度。

2.1.2 檢測過程

在檢測前準備激振器，1 個豎向傳感器和2 個水平傳感器，此外，還準備可自動采集記錄各類地震波、機械振動等沖擊信號的IDTS3850 振動記錄儀。檢測前連接傳感器和記錄儀，檢測過程中，儀器會將電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲，并通過RS232 串行口實現(xiàn)與電腦的實時通訊，各類特征參數(shù)值最終通過波形、圖譜的形式由計算機顯示。

在脫空板標準養(yǎng)護30 d 后展開室內(nèi)檢測。檢測前按要求連接儀器，檢查并確保各儀器與振動測試儀上的相應通道一一對應，無誤后通過強力粘膠固定傳感器，待膠水凝固且粘接牢固后，根據(jù)檢測要求進行采樣率、量程、觸發(fā)電頻、觸發(fā)模式等測試參數(shù)設(shè)置[4]。

室內(nèi)檢測主要擬定出5 種工況，見表1。經(jīng)試錘試驗確定，當落錘高度為3 mm 時，既符合檢測儀器量程，又不會引發(fā)振動參數(shù)間較大的差值，故各類工況下落錘高度均按3 mm 確定[5-6]。

表1 室內(nèi)檢測工況

為準確界定不同脫空狀態(tài)，研究引入脫空率的概念，即板角脫空區(qū)域面積與整個混凝土面板面積之比[5]，公式如下：

式中，λ——脫空率；x、y——直角三角形脫空區(qū)的直角邊邊長（mm）；A——發(fā)生脫空的水泥混凝土面板面積（m2）。

將該室內(nèi)檢測相關(guān)參數(shù)值代入式（1），可以得到5種工況下板角區(qū)脫空率分別為0%、2.08%、2.08%、8.33%、8.33%[7]。

2.1.3 檢測結(jié)果

水泥混凝土面板脫空室內(nèi)檢測結(jié)果見表2，表中各組數(shù)據(jù)均由3 個通道IDTS3850 振動儀測值組成。各通道均與1 個固定傳感器對應，通道1 對應垂直向傳感器，通道2 和3 對應水平向傳感器，各測點展開8 次重復性檢測，最后取均值。

表2 室內(nèi)地震波檢測數(shù)據(jù)

根據(jù)表中測試結(jié)果，通道2 和通道3 測值較為接近，而通道1 測值差異較大。通過對通道1 測值柱形圖及脫空情況時程曲線、頻譜圖等的分析看出，脫空面積是影響主頻、振動時間、振速等振動信號特征的關(guān)鍵因素，脫空深度對振動信號特征的影響幾乎可忽略不計[8]。

當脫空狀態(tài)從工況1 向工況5 變化時，通道1 主頻均值從1 011.943 1 Hz 降至49.017 3 Hz；最大振速均值從3.187 1 cm/s 增至14.621 7 cm/s；振動時間從8.583 0 ms增至25.567 0 ms。通道2 和通道3 各檢測參數(shù)的變動趨勢與通道1 基本一致，因板角脫空呈懸臂狀，激勵也在豎向發(fā)揮作用，通道1 恰好與豎向傳感器連接，故通道1各項測值的變化趨勢更為明顯。

總之，水泥混凝土路面脫空率與振動信號特征參數(shù)間存在較好的相關(guān)關(guān)系。

2.2 混凝土板脫空室外檢測

2.2.1 檢測過程

在室外檢測階段，主要依托該公路病害實際，展開水泥混凝土面板板底脫空情況調(diào)查。具體而言，根據(jù)《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（JTJ 073.1—2011），以彎沉超出0.2 mm 為面板脫空初步判定標準；并結(jié)合板底錯臺、唧漿及錘擊回聲等對脫空程度進行綜合判斷。

2.2.2 檢測結(jié)果

混凝土板脫空室外檢測儀器和方案與室內(nèi)檢測基本一致，僅激勵施加方式不同。室外主要通過10 kg 重的30LB 型鐵錘施加地震波，落錘高度按2.1 m 控制，在與傳感器相距10～20 cm 處展開錘擊。試驗工況簡化為板底無脫空和板底脫空兩種，該公路水泥混凝土路面脫空室外地震波檢測結(jié)果見表3[9]。

表3 室外地震波檢測結(jié)果

根據(jù)表中試驗結(jié)果可以得出該高速公路地震波檢測中不同脫空狀態(tài)下振動參數(shù)變化的趨勢規(guī)律。據(jù)此可知，隨著脫空狀態(tài)的變化，室外檢測結(jié)果變動趨勢規(guī)律與室內(nèi)檢測結(jié)果基本一致，即通道1 板底有脫空時的振動時間和最大振速均較大，主頻降幅明顯，通道2 和通道3變化規(guī)律相似，但變動程度略小。

可見，水泥混凝土路面板底脫空程度和主頻、振動時間、振速等相關(guān)性較好，根據(jù)振動板主頻、振動時間、振速等參數(shù)取值情況，便可推斷出水泥混凝土板底脫空程度。

3 結(jié)論

綜上所述，水泥混凝土面板板底脫空面積對地震波振動特性參數(shù)影響較大；隨著板底脫空狀態(tài)的變化，室內(nèi)、室外地震波測值變動的趨勢規(guī)律基本一致；板底脫空狀態(tài)和主頻、振動速度、振動時間等特性參數(shù)間存在較好的相關(guān)關(guān)系，可以通過各參數(shù)取值大小展開對水泥混凝土路面脫空病害及程度的判斷。此外，地震波法檢測板底脫空病害比其他檢測方法更具優(yōu)勢，施測過程簡便，數(shù)據(jù)易于獲取，測試結(jié)果精度高，可在水泥混凝土路面脫空病害檢測中推廣應用。