地震波法检测水泥混凝土路面板含水脱空试验研究

2021-06-24徐天阳易筱阳彭永恒杨海光吴殿臣

黑龙江大学自然科学学报 2021年2期

徐天阳，易筱阳, 李想,3，彭永恒，李涛，杨海光，吴殿臣

(1.大连民族大学土木工程学院，大连 116650； 2.中铁广州工程局集团第三工程有限公司，肇庆 526020； 3.东北石油大学机械科学与工程学院，大庆 163318； 4.中国十七冶集团上海分公司，上海 200001， 5.大庆油田设计院道桥室，大庆 163712； 6.中国石油天然气管道第二工程有限公司国际工程分公司，徐州 221000)

0 引言

水泥混凝土道路具有水稳定性好、抗折性能强和钢筋结合能适应不良地基等特点，越来越多的国家兴建水泥混凝土道路[1]。水泥混凝土路面板含水脱空是最常见、危害最大的病害之一，极大地影响了道路的承载能力和使用年限，也极大地干扰行车的安全性、流畅性和舒适性。目前，国内外对水泥混凝土路面含水脱空检测与防护的研究相对较少，主要有四种含水脱空检测方法：基于经验的含水脱空检测方法[2]、基于贝克曼梁和落锤式弯沉仪建立的相关检测方法[3]、基于探地雷达的脱空检测方法[4]和基于板的振动特性提出的相关脱空检测方法[5]。经验法的优点是直观、运用方便，但是主观因素大、误差大,不适用于面层完好的轻微脱空，这使其应用性大大降低。基于落锤式弯沉仪的脱空检测方法，优点是自动化程度高和测速快，但是这种方法不能准确地找到脱空区域的位置[3,6]。基于探地雷达的脱空检测法[4,7]，其原理是利用SIR-10H型[8]探地雷达向水泥混凝土道路发射电磁波，电磁波在传播时，当遇到不同的结构层时(面板-空气，空气-基层)，在层间发生相应的反射和透射，根据其反射波的时间差来推导结构层间脱空厚度，这种方法虽能快速找到脱空区域的位置，但是还要借助弯沉仪来确定路板的脱空状况，操作繁琐且耗时、耗材。目前,国内外现阶段还未有进行有关水泥混凝土路面板含水脱空的深度研究，未能对此作出相应的预防与检测。为了研究地震波法检测水泥混凝土路面板含水脱空动力响应，本文采用室内缩尺试验的方法[9-10]，进行了水泥混凝土路面板含水脱空实验，对地震波法检测水泥混凝土路面板含水脱空技术进行了初步研究，为水泥混凝土路面板含水脱空研究提供理论基础。

1 地震波法原理

假定水泥混凝土路面板为一个单自由度结构体系，当水泥混凝土路面板发生脱空后,认为整体结构的等效刚度降低。在水泥混凝土路面板脱空区域布置传感器，采用特制落锤对脱空区域施加冲击力，通过传感器采集水泥混凝土路面板的振动信号，这个振动信号是类似于地震波的高频振动，通过对采集信号进行频域与时域分析，研究水泥混凝土路面板不同含水脱空状态下的振动规律，从而得出水泥混凝土路面板含水脱空振动评价方法。

(a) 角隅脱空基层

(b) 纵缝脱空基层

(d) 水泥混凝土路面板

2 地震波法检测水泥混凝土路面板含水脱空试验

设计并浇筑水泥混凝土路面板含水脱空试验模型，通过特制落锤对水泥混凝土路面板施加冲击荷载。试验采用控制变量法，通过进行不同脱空状态、不同锤击高度和不同含水状态的试验工况，利用动态数据采集仪，采集模型的振动信号，获得水泥混凝土路面板含水脱空状态下的振动规律。

2.1 试件设计

水泥混凝土路面板的脱空主要是由于基层碎石不稳定而导致破坏，假定基层完全脱空，按照模型与原型1∶ 5的比例设计水泥混凝土路面板脱空基层与面层模型，试验模型具体结构尺寸及脱空状态如图1所示。首先完成无水脱空的试验，然后在基层不同脱空区域注水，进行含水脱空试验。

(a) 角隅脱空

(b) 纵缝脱空

2.2 加载设备及测量仪器

2.2.1 特制落锤

将圆形铁盘作为底盘焊接在钢管一端，在钢管套一定质量的铁块，让铁块自由落体运动撞击铁盘，由铁盘对试件施加荷载，特质落锤参数指标如表1所示。

表1 特制落锤参数指标

2.2.2 量测仪器选择

试验仪器包括四部分，即激振设备、振动传感器、应变计和数据采集系统。本试验中，激振设备为特制落锤，应变计预先粘贴到水泥混凝土面层和基层上，数据采集系统为江苏东华所生产的动态采集仪，该振动记录仪可对机械振动和地震波进行采集记录，应变计记录结构在冲击荷载作用下的动态应变。在使用过程中，将传感器与记录仪相连接，仪器可将模拟电压量转换为数字量并进行储存，并通过计算机显示波形、图谱以及各种特征参数。试验采集示意图和脱空区域试验布置图分别如图3和图4所示。

(a) 试验采集装置

(b) 试验采集装置组成平面示意图

(a) 脱空区域

(b) 脱空区域应变计

2.3 试验方法

由于水泥混凝土路面板是有规则的矩形板，假定每块水泥路面板厚度完全一样，其密度和刚度等参数具有一致性，除试验中已脱空位置外，其他部位路面板与基层接触良好，力锤敲击的部位选择与传感器布置位置接近处，且锤击点距离加速度传感器每次试验保持一致。用力锤敲击要作到有节奏，提起力锤高度分别为20、30和40 cm，每个高度在某一敲击点敲击三次取平均值，以减小试验采集数据的误差，提高试验的准确度。在试验开始时，通过改变水泥混凝土路面板的不同脱空区域与脱空面积，进行水泥混凝土路面板无水脱空试验，而后对脱空区域注水，进行水泥混凝土路面板含水脱空试验，收集相应的试验数据。

3 试验数据对比分析

3.1 不同脱空状态的试验数据对比

通过对试验数据进行处理分别得出不同脱空状态下，相同脱空区域(300 mm×250 mm×60 mm)、相同落锤高度(30 cm)有无含水的脱空区域应变时程曲线如图5和图6所示。不同的脱空状态水泥混凝土路面板试验数据如表2所示。可以看出,在脱空区域、落锤高度相同时，角隅纵缝同时脱空(含水)锤击纵缝时,水泥混凝土路面板脱空区域应变值最大，比角隅纵缝同时脱空(含水)锤击角隅增大约11%，比角隅脱空(含水)增大约19%，比纵缝脱空(含水)增大约32%。此外,对比含水与不含水状态下的脱空区域应变值发现,含水状态下的应变值比不含水状态下的应变值大。表明锤击路面板时，由于水的存在，路面板的应变值会增大，并且不同脱空状态下，角隅纵缝同时脱空的水泥混凝土路面板的主频略小于其它脱空状态，且振动时间相差不大。

(a) 角隅脱空

(b) 纵缝脱空

(d) 角隅纵缝同时脱空(锤击纵缝)

(a) 角隅脱空

(b) 纵缝脱空

(d) 角隅纵缝同时脱空(锤击纵缝)

表2 不同脱空状态试验数据

3.2 不同脱空区域试验数据对比

由表2不同脱空状态试验数据发现，水泥混凝土路面板角隅纵缝同时含水脱空，锤击纵缝，水泥混凝土路面板脱空区域应变值最大，针对这一种情况，进一步进行不同的脱空区域对比试验。

(a) 200 mm×150 mm×60 mm

(b) 300 mm×250 mm×60 mm

(a) 200 mm×150 mm×60 mm

(b) 300 mm×250 mm×60 mm

由图7和图8，在脱空位置(角隅纵缝同时脱空)、落锤高度相同(30 cm)时，锤击纵缝所得不同脱空区域水泥混凝土路面板试验数据如表3所示。可以看出，在脱空位置、落锤高度、落锤位置相同时，随着脱空区域的不断增大，对应水泥混凝土路面板脱空区域应变值也在不断地增大。在含水状态试验中脱空区域为400 mm×350 mm×60 mm时，对应的应变值比脱空区域为200 mm×150 mm×60 mm时的应变值增大约27%。不同脱空区域水泥混凝土路面板含水脱空应变值都大于不含水脱空应变值，并且随着脱空区域的增大，路面板振动主频逐渐降低，振动时间逐渐增大。

表3 不同脱空区域试验数据

3.3 不同落锤高度试验数据对比

由表2和表3可知，角隅纵缝同时脱空，锤击纵缝且脱空区域含水时应变值最大，随着脱空区域的不断增大，其应变值也不断的增大。针对这一种情况，进一步进行不同的落锤高度对比试验。由图9和图10可知，在脱空状态(角隅纵缝同时脱空锤击纵缝)、脱空区域(300 mm×250 mm×60 mm)相同时，不同落锤高度水泥混凝土路面板试验数据如表4所示。可以看出，在脱空位置、落锤位置、脱空区域相同时，对比不同锤击高度下的应变值，发现随着锤击高度的增大，对应水泥混凝土路面板脱空区域的应变值逐渐增大。当水泥混凝土路面板脱空区域含水、锤击高度为40 cm时，路面板脱空区域应变值比锤击高度为20 cm时的应变值增大约20%。不同落锤高度工况下，水泥混凝土路面板含水脱空路面板脱空区域应变值都明显大于无水脱空路面板应变值。