重载交通路面的多维快速检测与非开挖加固一体化养护技术

2020-04-09吴银潭郑志刚黄轶春阎利华杜雪明

建筑施工 2020年12期

吴银潭郑志刚黄轶春阎利华杜雪明江建刘涛

1. 深圳市特区建工集团有限公司广东深圳 518034；2. 深圳市交通运输局南山管理局广东深圳 518067；3. 郑州大学水利科学与工程学院河南郑州 450001

近年来，探地雷达技术逐渐被应用于路面检测与养护领域，其具有无损、快速、透视、持续与高精度的特点，能够较好地识别路面结构隐蔽病害、裂缝、脱空、不均匀沉降、含水量异常等详细信息[1-7]。

落锤式弯沉仪可以在一定程度上反映路面结构的力学信息，测量速度快，变形识别精度高，能够有效模拟行车荷载的动力作用，通过多点弯沉的测量，为路面结构反演打下了基础，为美国战略性公路研究计划（SHRP）路面长期跟踪观测与使用性能研究的标准设备。

聚氨酯材料是一种兼具金属和橡胶（即韧性和弹性）双重性质的聚合物，主要由异氰酸酯和多元醇反应生成，包含不少于2个异氰酸酯和羟基官能团，其性质主要取决于合成过程中的异氰酸酯、多元醇及添加剂。在1970年后，高聚物注浆材料逐渐被应用于工业与民用建筑的地基加固、地基沉陷抬升、机场跑道、车间地坪、板底脱空、板底抬升等工程中。

1 多维快速检测方法

1.1 探地雷达技术

探地雷达（ground penetrating radar，GPR）工作过程是通过探地雷达天线激发高频电磁波，传播到路面结构中，在不同介电特性的接触面上产生反射，并由接收天线予以记录，经过去噪、滤波、构建模型等一系列处理方法，获得相应路面内部雷达图像（图1）。

图1 探地雷达检测示意

结构材料的相对介电常数和磁导率越大，天线的中心频率越高，探地雷达所能探测的最大深度越小。天线频率与探测深度的关系如表1所示。

表1 不同频率天线的探测深度值

1.2 落锤式弯沉仪

路表弯沉是指在规定的标准轴载作用下，路基路面的表面轮隙位置所产生的总垂直变形（总弯沉）或者垂直回弹变形值（回弹弯沉），以0.01 mm为单位，可以有效地反映路面结构的承载能力，即达到预定的损坏状况之前，能够承受的行车荷载作用累计次数与使用年限（图2）。

图2 落锤式弯沉仪的基本原理

本文所采用的落锤式弯沉仪为Dynatest8000 FWD，由计算机控制液压系统，提升并落下一个重锤，对路面施加脉冲荷载，通过改变锤重与提升高度来调整荷载大小，荷载范围为7～120 kN，弯沉传感器分辨率为1 μm，系统误差为±2%，弯沉传感器数量为9个，荷载盘直径为30 cm。

2 非开挖加固养护技术

半刚性基层病害位于路面下方，较难识别与治理，常会引起路面表层的翻浆、坑槽等严重病害，如果仅采用加铺、挖掉重修与封缝措施，无法从根本上解决结构性破坏问题。本文采用高聚物注浆技术治理重载交通路面的中下层隐蔽病害。研究表明，高聚物注浆材料具有良好的流变性能，材料的损耗模量远大于储能模量，相位角也都大于45°，在交变应力作用下主要发生黏性变形，当材料注入到半刚性基层病害位置后，能短时间内迅速形成一定的结构强度，起到支撑自身结构的作用，如图3所示。其黏度随温度的升高而迅速增加，凝结固化时间加快，因此，在注浆时可通过改变设备的加热温度而应对不同的温度施工环境，保证材料性能。

图3 高聚物材料流变性能

同时，高聚物注浆材料具有明显的膨胀性。以密度为0.18 g/m3的高聚物材料的固定容器体积试验为例（图4），膨胀过程分为3个阶段。首先，是容器的填充阶段，为注浆开始后的20 s以内，由于浆液未能完全将空腔填满，因此，膨胀力测量结果为0 MPa；其次，为膨胀力随着时间快速增长阶段，可达最大膨胀力的80%以上，时间在20～40 s以内，材料已经完全填满注浆容器，但化学反应还在继续进行，材料体积继续快速膨胀，受注浆容器体积的限制，导致膨胀力迅速增大，注浆材料密度随之增大；最后，为膨胀力随时间缓慢增长阶段，作用时间从60 s持续到反应结束，说明材料内部有缓慢的化学反应。

图4 高聚物材料（密度为0.18 g/m3）膨胀力变化

高聚物材料具有良好的灌注流变性、膨胀性和韧性，能够与岩土体较好地协调，密度较轻，不会对结构产生额外负载。同时，其能够快速反应产生0.5～10 MPa的膨胀力，被注入到半刚性基层特定位置后，可迅速填充脱空，挤密土体进行抬升，排出下层积水，渗入孔隙胶结基层材料，提升路面强度。高聚物材料本身并不含水，不会产生干缩现象，能够密实填充脱空。

3 工程应用案例分析

3.1 工程概况

深圳市南坪快速路自2006年建成通车以来，极大地缓解了中心城区的交通压力，路面在重载交通的反复作用下，部分出现了较为严重的渗水、翻浆、坑槽等病害，常规养护措施难以彻底治理。现场地处两侧山坡谷底，为填方路段，路基是抛石挤淤成形。

3.2 多维快速检测方案设计

3.2.1 探地雷达检测方案设计

本文采用美国GSSI公司研制的SIR-30E探地雷达设备，由控制主机、天线、笔记本电脑连接件组成，采用收发一体型天线，频率为400 MHz，连续采集方式，里程轮定点，采样间距为2 cm，采集时窗为35 ns，指数增益方式。

沿测试路段行车方向布置雷达探测剖面，每个车道布置2条测线（左、右轮迹处），根据现场实际情况适当加密测线，以便对病害区域准确定位。

雷达数据的处理流程为：读取原始数据文件、编辑文件、水平校正、水平/垂直滤波、彩色变换、注释与数据资料输出。除此之外，还可采用水平与垂直高通滤波方法以消除平直横跳的系统噪声，采用水平及垂直低通滤波以消除高频噪声，采用反褶积滤波以增强垂向分辨率，采用偏移滤波以消除绕射波与倾斜干扰波，采用空间域滤波以增强倾斜界面信号。

本次采集的雷达数据经过零点校正、剖面距离校正与增益调整后，根据雷达波形构成的同相轴，以人机交互方式进行资料解释，勾画出路面各结构层界面以及路面中下层存在的缺陷。

3.2.2 落锤式弯沉仪检测方案设计

本文对南坪快速路东行段进行弯沉检测（共计100 m长），检测标号为其对应的测点，落锤式弯沉仪设备详细参数见1.2节所述，荷载设置为5 t，测点位置为车道右轮迹间隔5 m。

3.3 非开挖加固方案设计

针对不同路面病害类型选择不同的注浆布孔方式，注浆孔直径为0.016 m，钻孔深度至路基顶面，注浆管长度一般根据注浆修复需求而定，对整条车道补强加固，孔位布置宜从路肩向路中心以0.6、1.5、1.5 m依次布孔，在车道纵截面上每隔1.0 m进行布孔，如图5所示。

图5 注浆孔位布置示意

具体过程为：首先，采用冲击钻在标注的注浆孔位置钻孔至设计深度，及时清理路面，不得污染路面；其次，使用切割工具截取不同长度的注浆铁管，并将其通过注浆孔导入；再次，使用专用工具将注射帽凹形边缘清理干净，以便与注射枪更好地结合，把已清理的注射帽安装至注浆管端口；最后，根据病害修复需求确定注浆量，使用夹具把注射枪与注射帽夹牢，为设备提供固定的压力，通过输料管道分别把A及B两类高聚物材料输送到注射枪口，2种材料在注射枪口处通过注浆管输送到路面病害处，并发生化学反应，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，修复病害。

在注浆完成后，采用专用工具把注浆帽去掉，采用探地雷达与落锤式弯沉仪对注浆路段进行检测，评估加固效果，如果不满足要求则进行补注。

为了防止雨水侵蚀与路面破坏，采用道路密封胶封堵注浆孔，使灌注密封胶略低于路面，及时清扫环境后，即可开放交通。

3.4 注浆加固的效果评价

3.4.1 探地雷达检测的效果评价

通过探地雷达剖面图可基本确定路面各结构层界面，判断检测路面下存在的缺陷位置与注浆前后的效果，水平方向为测试起点的距离，竖直方向为探测深度。路面中下层病害经过注浆加固后，雷达图的反射信号幅度较小，图像均衡，反射界面不明显，能够在一定程度上说明松散、含水量过高的区域被高聚物填充挤压密实，具有良好的加固效果，如图6、图7所示。