基于无损检测技术的半刚性基层开裂状况评价

朱天明

(辽宁省交通科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110015)

1 项目概况

阜锦高速公路已通车使用15年，面层为15 cm沥青混凝土，基层为19 cm水泥稳定砂砾+20 cm二灰稳定砂砾，垫层为13 cm级配砂砾。检测路段长度600 m，段落内横向裂缝共计58条，网裂面积约为10 m2，纵缝总长度约为300 m，部分裂缝开裂较为严重，裂缝宽度较大，并存在修补后破损情况。

2 裂缝区域弯沉检测

项目采用落锤式弯沉仪(FWD)和手持式落锤弯沉仪(PFWD)进行弯沉检测，接地压力分别为0.7 MPa和0.2 MPa。弯沉检测分为两个阶段，第一阶段在原路面沥青层顶面进行检测，第二阶段将沥青面层完全铣刨后，在基层顶面进行检测。检测以裂缝中心及裂缝两端50 cm处作为弯沉测点，同时选择路面完好处作为对照点。

2.1 原路面沥青层顶面弯沉检测结果

采用FWD检测沥青层顶面裂缝位置弯沉，结果如图1所示。

图1 裂缝区域FWD弯沉检测结果

从检测结果可以看出，个别裂缝弯沉检测值较大，远大于非开裂位置参考值，此类裂缝开裂也更为严重，裂缝宽度更宽；部分裂缝弯沉检测值与路面完好处弯沉值相近，此类裂缝表面开裂更为轻微，说明对于开裂宽度不大的裂缝，其裂缝附近区域仍具备一定的承载能力。

采用PFWD检测沥青层表面裂缝位置弯沉，结果如图2所示。

图2 裂缝区域PFWD弯沉检测结果

PFWD弯沉检测结果数值虽然较FWD检测值更低，但仍能体现出裂缝位置处承载能力的差异。将FWD和PFWD弯沉检测结果进行比对发现，FWD和PFWD弯沉检测数值虽处于不同量级，但弯沉变动趋势较为一致，两种检测手段检测数值的一致性较好。为进一步分析FWD和PFWD弯沉检测数值的相关关系，对两种检测手段的弯沉检测结果进行回归分析。引入弯沉比参数K，代表同位置处FWD弯沉检测结果和PFWD弯沉检测结果比值。

K=FWD0.7/PFWD0.2

(1)

式中：FWD0.7为FWD在接地压力为0.7 MPa时的弯沉检测值(0.001 mm)；PFWD0.2为PFWD在接地压力为0.2 MPa时的弯沉检测值(0.001 mm)。

分析弯沉比参数K与PFWD弯沉检测结果的关系，如图3所示。

图3 FWD-PFWD检测结果对比

由统计分析结果可以看出，弯沉比K与PFWD弯沉检测结果相关系数为0.73，也进一步说明对于采用确定接地压力的条件下，FWD和PFWD弯沉检测结果具相关性较好，因此可以采用更为灵活的PFWD设备进行弯沉检测，提高检测评定效率。

2.2 基层顶面弯沉检测结果

在检测段沥青面层完全铣刨后，观测基层表面状态发现，在面层横向裂缝对应位置处的基层均出现了不同程度的开裂，表明原路面横向裂缝为基层裂缝反射产生。按照面层弯沉测点排布方式，在基层裂缝两侧进行弯沉检测，结果如图4所示。

图4 FWD基层顶面弯沉检测结果

由基层弯沉检测结果可以看出，基层弯沉检测数值要明显大于在面层同位置处弯沉检测值，并且弯沉值变异性更大。大多数裂缝位置处弯沉值明显大于非开裂位置处。

将基层顶面弯沉检测值与基层裂缝开裂状态进行对比发现，对于基层弯沉检测值较大裂缝，基层表面裂缝更为清晰，裂缝宽度更大，FWD弯沉值基本在300(0.001 mm)以上；对于弯沉检测值较小的裂缝，基层开裂较为轻微，裂缝宽度更小，FWD弯沉值一般在200(0.001 mm)以下。

进一步分析沥青层顶面弯沉和基层顶面弯沉关系，以每条裂缝FWD弯沉检测最大值为代表值，统计两者在不同弯沉区间的裂缝数量，结果如表1所示。由弯沉统计结果可以看出，当沥青层表面弯沉大于200(0.001 mm)时，基层顶面弯沉集中在300(0.001 mm)以上，占比为72%，基层裂缝区域弯沉平均值为1 012(0.001 mm)，此时基层处于较严重开裂状态，半刚性基层承载能力相比完好路段已出现较大程度衰减，结构层强度储备不足。若采用PFWD弯沉检测值作为判定标准，基于回归得到的FWD和PFWD面层弯沉值相关关系，此时PFWD面层弯沉检测值在49(0.001 mm)以上。对此类裂缝区域建议采取必要的养护维修手段，提高和恢复半刚性基层的承载能力。

表1 不同弯沉检测区间裂缝数量统计结果 0.001 mm

3 三维探地雷达检测

道路材料是由固相、气相、液相三相组成的混合物，道路材料的介电常数其实是固体、气体和液体三相的复合介电常数。由于固体、气体、液体的介电常数各不相同，尤其是水与空气和集料之间的介电特性差异甚大，所以介电常数的可以反映出结构层含水量和孔隙率的差异。

采用三维探地雷达对原路面进行检测，以雷达检测电磁波数据为基础，计算结构层材料的介电常数值。裂缝区域介电常数以基层裂缝两侧50 cm处介电常数平均值作为代表值，与检测段介电常数平均值对比情况如图5所示。

由图5可以看出，裂缝区域介电常数值普遍低于检测路段平均值，说明裂缝附近位置处基层相比其他位置空隙更多，即裂缝处基层更为松散。结合现场检测结果，对于开裂较为严重的基层位置，半刚性基层介电常数基本在5以下，基层偏于松散状态。

图5 介电常数计算结果

4 结 论

(1)项目采用两种弯沉检测设备对面层和基层裂缝区域分别进行了弯沉检测，结果表明，部分裂缝的弯沉值明显大于结构层完好位置，部分裂缝弯沉检测结果与路面完好位置相当。当沥青层表面FWD弯沉大于200(0.001 mm)或PFWD弯沉值大于49(0.001 mm)时，基层处于较严重开裂状态，半刚性基层承载能力相比完好路段已出现较大程度衰减，对此类裂缝区域建议采取必要处置手段，提高和恢复半刚性基层的承载能力。

(2)对于面层弯沉检测结果，FWD和PFWD检测值相关性较好，可以采用更为便携的手持式落锤弯沉仪对裂缝进行详细检测，提高检测效率。

(3)基于探地雷达检测得到的电磁波数据，计算结构层介电常数，当介电常数小于5时，基层开裂较为严重，处于偏松散状态，应进行维修处置。

(4)采用弯沉和探地雷达联合检测手段，可以对路面结构承载能力和损伤情况进行系统评价，为旧路养护维修设计提供参考。