沥青路面内部病害诊断技术研究

2021-04-28陈小辉刘海军

湖南交通科技 2021年1期

陈小辉，刘海军

(广东交科检测有限公司，广东广州 510420)

高等级公路大中修或改扩建之前，均需对原路面进行评估[1]。旧路评估的主要目的是找出旧路内部隐性病害，通过合理、有效的处治措施，减小隐性病害对加铺后路面使用性能的影响。《公路技术状况评定标准》(JTG5210—2018)[2]适用于常规日常检测，路段单元选择为1 km,评价区间划分范围大，只能反映公路整体状况，无法体现细节。按照此标准进行评估，常会忽略隐性病害，造成未来隐性病害快速发展，导致路用性能快速下降。

针对此问题，李存健[3]通过测试，证明2D探地雷达在地下管线识别、沥青路面层厚确定、路面脱空检测等方面具有高效、准确等优点。郭翔宇[4]采用3D探地雷达，建立了沥青路面的厚度与介电常数(密度)之间的对应关系。罗幸平等[5]通过钻芯取样来验证探地雷达识别结果，分析了采用无损识别技术判定基层隐性结构病害的可靠性。肖鑫等[6]基于落锤式弯沉仪FWD，综合考虑板角弯沉、板块横缝中点受荷板的弯沉值，建立了水泥混凝土路面板底脱空评价标准。陈晋华[7]通过贝克曼梁建立了沥青路面剩余寿命与承载能力的关系，对旧路面剩余寿命的计算提供了一种方法。王子彬等[8]提出了基于探抗法的路面结构病害识别技术,可用于旧路面内部结构病害识别。

综上所述，现有研究分别采用了探地雷达、FWD、贝克曼梁等设备，结合现场开挖、钻芯等手段，对路面内部状况进行评估。但任何一种手段均有局限性，而对于多种评估手段相结合的方式，目前却鲜有研究。因此，本文调查历年病害发展历史，结合现场路况、探地雷达扫描结果及FWD局部加密测试结果，辅之以开挖等验证手段，探讨了半刚性基层沥青路面内部病害诊断技术的适用性，以期为旧路内部病害诊断提供参考和借鉴。

1 试验方案

某高速公路改扩建工程路面结构从上至下依次为：4 cm(AC-16)罩面层+4 cm(AC-16)上面层+5 cm(AC-20)中面层+6 cm(AC-25)下面层+36 cm水泥稳定碎石基层+20 cm水泥稳定碎石底基层+15 cm垫层，路面结构总厚度为90 cm。选择研究对象为两段临时封闭交通的路段，均为单向慢车道，路段1长4.2 km、路段2长3.9 km，共计8.1 km。

具体试验方案如下：

1)通过多功能车检测临时封闭路段慢车道的破损、平整度、车辙，掌握路段的整体技术状况。

2)通过2D雷达对慢车道右轮迹和路肩进行检测，确定路段隐性病害的位置、类型与深度，并建立路面破损与内部隐性病害之间的相关性。

3)通过FWD进行承载力检测，掌握研究路段的整体承载力情况。此外，采用FWD对不同程度、不同类型的显性病害(横向裂缝、纵向裂缝、修补等)及隐性病害进行局部加密测试，建立结构承载力与病害之间的相关性。

2 结果统计与分析

2.1 路面损坏状况调查

采用多功能车对选取路段的路面损坏状况进行调查，参照标准[2]规定，按照每百米对慢车道进行统计评定，结果见表1。

表1 损坏状况指数PCI评定情况汇总评定等级路段1慢车道路段2慢车道长度/m比例/%长度/m比例/%优2 80066.73 60092.3良1 40033.33007.7中/次/差————合计4 2001003 900100PCI94.11 95.33PCI等级优优

由调查结果可知：

1)试验路段慢车道评定PCI等级均为优，PCI均值分别为94.11和95.33。

2)试验路段病害主要为裂缝及裂缝修补，慢车道存在一定数量的松散、龟裂等病害，另外还有少量的坑槽以及块状修补。

2.2 内部缺陷评定

采用探地雷达(GC900MHz路面雷达天线)对慢车道右轮迹及路肩位置进行路面结构内部缺陷检测。在对探地雷达扫描的图像进行病害识别时，采用比对法界定病害类型。雷达识别病害的原理主要是通过非均质物质反射波的变化来表现病害型式，将扫描图像中波形变化的位置与数据库中的病害对比，统计结果见表2～4。

由统计结果可知：

1)路段1和路段2累计右轮迹带位置共有509处内部缺陷，不密实、脱空、破碎、空洞基本位于水泥稳定碎石基层内部，深度范围为0.19～0.63 m。

表2 路段1慢车道内部缺陷结果汇总(右轮迹)内部缺陷个数/处面积/m2长度/m不密实196173.2555.4脱空285.927.1含水77.225.9管线121.05.8

表3 路段2慢车道内部缺陷结果汇总(右轮迹)内部缺陷个数/处面积/m2长度/m不密实146158.3701.2脱空7418.9138.2含水52.521.5空洞50.87.1破碎3630.9130.2

表4 慢车道内部缺陷汇总处不密实脱空破碎含水管线空洞合计3421023612125509

2)试验路段共有1 612.4 m路面结构内部存在缺陷，占整路段(8 100 m)19.9%。不密实共1 256.6 m，占整路段15.5%；脱空共165.3 m，占整路段2.0%；其余病害占整路段2.4%。

2.3 破损与内部损伤相关性

选取路段1中的某1 km，每100 m为一处，将破损调查情况与雷达扫描的病害情况进行对比，对比结果如图1所示。

图1 破损调查与雷达扫描病害比对情况

由图1可知：

1)在10个路段单元中，有9个路段单元雷达判定的病害数量大于等于破损调查病害数量。由此可见路面的病害分为显性病害和隐性病害，显性病害为路表可见的破损，如横向裂缝、纵向裂缝、修补、松散等，隐性病害为已导致或将要导致显性病害的路面结构内部、路表不可见的病害。

2)从路面损坏调查结果来看PCI评价全部为优，而用雷达扫描内部损伤结果却显示有不少病害。因此针对改扩建旧路面评估，仅参考破损数据不够，需结合雷达扫描结果进行综合评估。

但是，雷达结果只能表明隐性病害存在的可能性，病害的严重程度及是否会对未来路面造成不利影响，仅通过雷达结果难以确定，尚需结合破损状况及承载力进行综合判定。

2.4 路面承载力评定结果

2.4.1全路段评定结果

采用FWD实测路面承载能力，参照标准[2]规定，按照50 m一个点位对研究路段结构强度进行统计评定。

路段1和路段2慢车道的弯沉值分别为7.90(0.01 mm)、9.97(0.01 mm)，均小于设计弯沉值19(0.01 mm)，表明结构承载能力较好。

2.4.2病害处局部加密检测结果

试验路段PCI为优，而雷达显示隐性病害数量大于路面破损病害数量。因此，采取FWD进行局部加密测试。

2.4.2.1 路段选取

共选取4种不同特征的路段进行局部加密测试(见表5)，所选路段涵盖不同病害类别。

表5 局部加密路段选择说明加密段编号路段特征所属路段①2D雷达识别出隐性病害,表观无破损路段1②2D雷达识别出隐性病害,表观有修补路段1③2D雷达识别不出隐性病害,破损较严重,横向裂缝较密集路段2④2D雷达识别不出隐性病害,表观无破损路段2

2.4.2.2 测试方法

图2中，圆圈为测试点位，数字为测试点位的序号，黑点表示该点位雷达识别有脱空，阴影部位表示该点基层有隐性病害，车道上的横虚线表示横向裂缝，纵虚线表示纵向裂缝。

加密段①为桥头位置，路面未铣刨重铺，表观无破损。2D雷达识别慢车道右轮迹有3处隐性病害，测试点位为慢车道左、右轮迹带分别8个点位，点位间距约2 m,点位布置如图2a所示。

加密段②路面未铣刨重铺，慢车道右轮迹带有修补，修补尺寸为40 cm×40 cm。2D雷达识别修补位置正下方有隐性病害。如图2b所示，测试点位为超车道右轮迹带，慢车道右、中、左轮迹带，每个轮迹带7个点位，共计28个点位，点位间距为1 m。

加密段③为横向裂缝密集路段，慢车道和超车道路面未铣刨，超车道无病害。对超车道和慢车道右轮迹进行了加密测试，超车道测试了15个点位，慢车道测试了28个点位，如图2c和2d所示。

加密段④表观无破损，慢车道铣刨重铺，超车道未铣刨铺，超车道有3条裂缝，雷达扫描慢车道无隐性病害。对超车道、慢车道、硬路肩分别进行了测试，超车道测试了9个点位，慢车道和路肩分别测试了6个点位，共计21个点位,如图2d所示。

图2 各路段测试点位示意图

2.4.2.3 测试结果

选择的4个路段局部加密结果如表6～9所示。

由表6～9可知：

1)加密段①弯沉值普遍大于路段1平均值，加密段②超车道右轮迹带、慢车道左轮迹带弯沉平均值小于路段1平均值7.90(0.01 mm)，而慢车道中、右轮迹带弯沉平均值大于路段1平均值7.90(0.01 mm)；加密段③弯沉值普遍小于路段2平均值9.97(0.01 mm), 加密段④弯沉值普遍大于路段2平均值9.97(0.01 mm)。可见，对于加密段③，若仅采用FWD来进行评价，弯沉测试值小于路段平均值或者设计值，便认为路面无内部病害，这与实际路况结果不符。

表6 加密段①测试结果点位左轮迹带弯沉/0.01mm右轮迹带弯沉/0.01mm隐性病害111.2110.4128.6813.4138.4214.58脱空412.0416.23515.8113.36脱空622.4626.18脱空712.9122.34815.6718.04平均值13.4016.82

表7 加密段②测试结果点位超车道右轮迹带弯沉/0.01 mm慢车道轮迹带弯沉/0.01 mm左中右备注16.057.317.238.1226.388.287.777.0837.508.618.077.2347.417.5210.9215.73慢车道右轮迹块状修补56.607.097.818.5366.777.227.528.0477.417.607.638.37平均值6.877.668.149.01

表8 加密段③测试结果点位超车道右轮迹带弯沉/0.01 mm慢车道右轮迹带弯沉/0.01 mm慢车道病害情况18.19 7.5727.44 9.15纵向裂缝起点3-16.88纵向裂缝上3-26.656.66纵向裂缝右3-3 6.57纵向裂缝左49.06 8.975-18.2410.81横向裂缝后5-210.37横向裂缝前6-19.0311.25横向裂缝后6-212.25横向裂缝前78.94 11.28-18.009.89横向裂缝前8-2 9.3横向裂缝后

续表8点位超车道右轮迹带弯沉/0.01 mm慢车道右轮迹带弯沉/0.01 mm慢车道病害情况9-18.018.78横向裂缝前9-28.98横向裂缝后106.62 6.5611-16.789.52横向裂缝后11-28.49横向裂缝前126.57 7.3713-16.9710.91横向裂缝后13-2 15.96横向裂缝前14-17.60 9.36横向裂缝后14-29.56横向裂缝前平均值7.709.41

表9 加密段④结果点位序号超车道右轮迹带弯沉/0.01 mm慢车道右轮迹带弯沉/0.01 mm路肩/0.01 mm超车道病害情况17.84 13.467.762-17.5916.048.33横向裂缝后2-27.71横向裂缝前3-19.1413.778.62横向裂缝后3-28.59横向裂缝前47.23 13.57.925-18.5716.77.65横向裂缝后5-28.31横向裂缝前67.32 15.987.4平均值8.0314.917.95

2)加密段①慢车道左右轮迹的弯沉平均值分别为13.4(0.01 mm)、16.82(0.01 mm)，右轮迹弯沉值大于左轮迹。2D雷达扫描显示右轮迹脱空处弯沉值大于对应的左轮迹弯沉值。

3)加密段②超车道右轮迹带，慢车道右、

中、左轮迹带的弯沉平均值分别为6.87(0.01 mm)、7.66(0.01 mm)、8.14(0.01 mm)、9.01(0.01 mm)，慢车道弯沉值大于超车道，且慢车道弯沉值右轮迹>中>左轮迹。慢车道右轮迹块状修补范围内弯沉值均大于其他点位弯沉值。

4)加密段③慢车道、超车道右轮迹的弯沉平均值分别为7.70(0.01 mm)、9.41(0.01 mm)，慢车道弯沉值大于超车道。此外，慢车道裂缝存在的点位弯沉值基本都大于对应的超车道弯沉值。

5)加密段④超车道右轮迹、慢车道右轮迹、路肩的弯沉平均值分别为8.03(0.01 mm)、14.91(0.01 mm)、7.95(0.01 mm)，慢车道弯沉值右轮迹>超车道右轮迹>路肩。超车道虽有裂缝，但未铣刨重铺；慢车道虽无裂缝，但铣刨重铺，且慢车道弯沉值大于超车道。结合养护历史来看，超车道裂缝对应的位置，未来慢车道必然会出现裂缝。因此，单独采用2D探地雷达识别内部无病害的结果与实际路况不符，应结合养护历史来综合判定。