基于无损检测技术的路基路面状况综合评估

任聿飞

(1.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福州 350108；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州 350108；3.福建省建研工程检测有限公司，福州 350025)

由于水泥资源丰富且价格低，水泥混凝土的强度和刚度较大，所以城市道路建设的首选为水泥混凝土。近几年，沥青混凝土路面以其经济耐久，维修方便，良好的力学性能等优势，逐渐取代水泥混凝土路面，因此很多城市都在对市区道路进行“白改黑”改造，而对旧水泥混凝土路面进行高质量大修改造设计的重要前提是对旧道路路基路面状况进行准确评估。

水泥混凝土路面病害产生的原因主要有：① 路面在荷载或环境等外界因素作用下技术状况下降；② 水泥混凝土路面以下的地下病害发展到路面造成的路面病害。对于第一种病害，可以通过对路面破除重铺等手段进行处治，该类型的病害一经处治并不会对道路整体的剩余寿命造成影响；对于第二种病害，仅处理路面并不能恢复路面结构承载能力，道路内部损坏状况才是影响路面剩余寿命的主要因素。旧道路不能仅凭路面技术状况对道路整体健康状况进行评估，而需结合道路地下内部状况，才能获得更多与路面技术状况关联的综合评估结果。

文章结合实际工程项目，通过道路多功能综合检测车、全自动车载落锤式弯沉仪、二维和三维探地雷达等新兴无损检测手段对既有道路路基路面状况进行检测，通过分析旧道路路面损坏状况、地下病害体、路面结构承载能力等参数的内在联系，推断道路病害的发展规律，实现对旧道路更为准确的综合评估。某轨道交通施工道路恢复工程的旧路面结构为水泥混凝土路面，自建成通车以来，一直是主要客货运车辆的通道，交通量大、超限、超载、重载车辆比例较高，导致路面出现破碎、下沉、严重剥落等病害(路面典型病害见图1)。选取该工程2 km试验路段(起点桩号K15+470，终点桩号K17+470，主车道为双向6车道)进行路基路面状况综合评估，以作为轨道交通施工道路恢复前的设计依据。

图1 路面典型病害

1 路面损坏状况评价

采用武汉光谷的ZOYON-RTM型智能道路多功能综合检测车进行试验段路面的全幅评价。多功能道路综合检测车具有强大的检测、数据分析功能，可以完全代替人工路面病害调查作业，提高检测效率和精度。道路以每1 000 m作为一个单元，不足1 000 m的按一个单元计，将试验段分为2个评定段。参照标准JTJ 073.1-2001 《公路水泥混凝土路面养护技术规范》 要求，采用路面状况指数和断板率两项指标评定路面破损状况，其中断板率主要用来评价路面的结构性破损状况，路面状况指数用来评价路面的破损状况，路面损坏状况调查结果如表1所示，表中病害数据以板块数统计，单位为块。由表1可看出，路面损坏程度为中等，板块断裂程度和填缝料损坏严重，几乎所有接缝填缝料损坏，部分板块填缝料损坏，接缝碎裂，泥、砂等杂物侵入接缝，很有可能导致雨水渗入基层和垫层，使基层强度降低。同时，结合二维高频雷达对面层厚度的探测结果，旧混凝土面层平均厚度约为200 mm。混凝土面层偏薄是造成混凝土面板断裂、寿命缩短的重要原因之一。

表1 路面损坏状况调查结果

2 道路地下病害体探测

主要采用三维地质雷达探测道路地下病害体。地质雷达利用特制的天线向下发射高频电磁波，电磁波在地下传播过程中，传播速度及幅值受地下介质的介电常数、电导率、磁导率等物性参数的影响，当遇到上述物性参数不同的物体或地层时，电磁波将产生反射绕射波并返回地面构成雷达剖面(GPR剖面)。地下介质的介电常数已知时，可计算出电磁波在介质中的传播速度，根据探测的电磁波旅行时间，求出反射体的深度。地下介质横向和纵向存在不均匀性，故在地面接收到的信号也有所不同，反映在接收信号上为振幅、频率及相位等参数的变化，经过数据处理后可得到地下不同介质的分布情况及介电常数变化面的位置等参数，可进一步分析出潜在疏松体、脱空、空洞等缺陷的位置。对探地雷达图谱异常体特征的识别，应从波组形态、振幅和相位与频谱等方面进行。道路地下病害体探地雷达图谱特征如表2所示。

表2 道路地下病害体探地雷达图谱特征

探测工作主要采用意大利IDS公司的STREAM-X型车载式多用途三维探测雷达，接驳频率为200 MHz的三维雷达模块，探测深度可达5 m，主要应用于对大范围地下病害进行三维探测及绘图成像、三维地下管线探测与成像、地下考古探测与成像等。但受市政道路管线及地区土质和地下水位影响，探测深度基本在3 m以内。相比于传统二维雷达，三维探地雷达可以同时显示纵断面图，横断面图以及所选深度的水平视图，使得地下病害勘测更加立体、直观，在提高检测质量和效率的同时，也避免二维雷达凭借单一纵断面探测而产生病害漏探的情况。对试验路段主车道进行道路三维全覆盖探测，每条车道布置一条测线。经探测和验证，试验路段存地下病害体72处，其中脱空37处、空洞23处、疏松体10处、富水体2处，典型缺陷图谱如图2～5所示。

图2 脱空缺陷图谱(编号2)

图3 空洞缺陷图谱(编号60)

图4 疏松体缺陷图谱(编号1)

图5 富水体缺陷图谱(编号51)

3 路面结构承载能力检测

路面结构承载能力是反映道路整体结构(从下至上)共同承载路面以上荷载的能力，为模拟汽车快速行驶的实际情况，不少国家开发了动态弯沉的测试设备来获得行车作用冲击荷载下的路面结构承载能力,其中落锤式弯沉仪能够自动采集数据(配备计算机)，速度快，精度高，已成为世界各国道路界的热门仪器。试验段路面结构承载能力采用北京京谷神箭的CFWD-10T型全自动车载落锤式弯沉仪进行检测，车载落锤式弯沉仪将弯沉仪装备在小型汽车上，提高了机动性，使测试更灵便更快速，适合于科研及大范围的路面普查工作。受市政道路管线及地区土质和地下水位等常见制约因素影响，探地雷达探测深度有限，地下病害评估需要结合路面结构承载能力结果作进一步分析，试验段路面结构承载能力检测(测试荷载为50 kN)结果如表3所示。参考工程经验，刚性路面新竣工的水泥混凝土面层弯沉值在5(0.01 mm)以内，主干路上基层竣工验收弯沉值在30(0.01 mm)以内。表3结果表明，水泥混凝土面层路面结构承载能力在运营多年后有所下降，旧路面作为刚性路表面层，路面结构承载能力总体偏低，但若作为沥青面层下的基层使用，该路面结构承载能力总体良好。同时，面层雷达探测平均厚度约为200 mm，面层典型芯样弯拉强度标准值为5.66 MPa，依据JTG D40-2011 《公路水泥混凝土路面设计规范》 和JTG D50-2017 《公路沥青路面设计规范》(加铺沥青前旧混凝土基层厚度不应小于120 mm，弯拉强度应大于1.5 MPa)判断，该路段旧水泥混凝土层的厚度和强度满足作为基层的要求。综上所述，考虑在既有道路病害处置后加铺沥青面层作为道路恢复方案。

表3 试验段路面结构承载能力检测结果

落锤式弯沉仪板边实测弯沉盆(测试荷载为50 kN)可用于评价水泥混凝土面板的接缝传荷能力，良好的接缝传荷能力可以较好地完成荷载和温度应力在水泥混凝土板间的传递，从而避免水泥混凝土板内产生过大的应力造成疲劳破坏；水泥混凝土面板传荷能力的提高也能降低加铺面层底的最大水平拉力，从而提高加铺面层的疲劳开裂能力。试验段传荷系数检测结果如表4所示，可见，路段水泥混凝土板接缝传荷性能弱化程度严重，约80%接缝的传荷系数低于80%，约40%接缝的传荷系数低于60%，水泥混凝土面层的板体性丧失较明显。填缝料严重损坏是造成水泥混凝土板接缝传荷性能弱化的原因之一，在加铺沥青面层前有必要对面板传荷能力进行加强。

表4 试验段传荷系数检测结果

4 道路地下病害体与路面结构承载能力、路面损坏状况的相关性分析

针对地下病害体的位置，对地下病害体与路面结构承载能力、路面损坏状况进行相关比对，比对结果如表5所示。

表5 地下病害体与路面结构承载能力、路面损坏状况的比对结果

续(表5)

通过比对分析，可以得出以下结论。

(1) 纵向(深度方向)或平面尺寸较大的地下病害体在车载作用下一定会在路面形成反射病害，但反射病害不一定表现明显。传统的道路病害调查采用路面损坏状况调查、路面取芯等作为改扩建的设计依据，这些检测方法无法获得连续全断面的路面内部损坏状况，采取的处治方案难以获得长期的养护效果。例如经探地雷达探测和反复验证(见图6)，编号60位置存在深约1.2 m，长约1.5 m，宽约1.0 m的空洞，但该位置路表并未发生沉陷或板块严重破碎，主要原因可能是该位置承受货车重载次数相对较少，且该位置取芯混凝土的换算弯拉强度达到7.47 MPa，厚度为292 mm，即混凝土强度高，厚度大，延缓了地下病害体的反射。但该空洞若不进行开挖或者深层注浆处理，仅根据路面损坏结果(横裂)对路面进行简单处理或是不处理直接进行加铺，长远来看将是道路行车安全的重大隐患。

图6 编号60空洞缺陷验证

(2) 地下病害大多会在路表有所反映，但部分体积尺寸较小的地下病害体在车载作用下不一定会在路面形成反射病害。

(3) 路面沉陷一定伴随板块断裂，且沉陷位置一定存在较为严重的地下病害体，沉陷位置路面承载能力较差，检查井周围井外渗漏造成的土体疏松和空洞是路面沉陷的原因之一。

(4) 路面结构承载能力可以反映路基路面各层次的整体刚度，地下某结构层次若病害严重，该区域路面结构承载能力一定会变差。结合试验段的弯沉值数据，无地下病害区域路段路面承载能力相对较好，证明该区域各层次的整体刚度较强，该区域路面病害可能是路面厚度不足、行车重载或环境因素造成的。

(5) 表5中板底脱空(脱空位置较浅，位于混凝土板块与其下层间)病害的弯沉值基本都大于20(0.01 mm)，这也验证了标准JTJ 073.1-2001对于单点板底脱空的判定依据。

5 道路病害的处治策略

道路病害的处理和病人治病一样，需标本兼治，仅就显露在面上的道路病害加以应急处理是无法彻底根除内在病害的。考虑到旧混凝土路面后期将作为基层使用，将试验段弯沉值大于30(0.01mm)作为路面结构承载能力不足的判定依据。结合试验段的弯沉值数据可以发现，路面结构承载能力不足的位置皆发生在地下病害体位置附近，所以拟优先考虑处治地下病害，对于承载力严重不足或是地下病害体尺寸较大的局部板块，可对旧路进行局部破除，重新碾压加固，其余脱空板块或小范围地下病害可采取灌浆的方法进行处理。对于断裂板、错台板块、大面积坑洞及纵、横、斜向裂缝的板块均需换板，破损板块处治结束后，用橡胶沥青砂或改性沥青砂重新灌缝以改善面板传荷能力，同时修补轻微裂缝、小面积坑槽及板角断裂等病害。既有道路病害处治结束后，需对路段结构承载能力重新进行复测，若依旧有承载能力不合格的位置，需对该位置病害处治效果进行检查分析，必要时采用其他物探手段对该位置更深层情况进行探测。最后，在水泥混凝土面板上加铺一层优质或改性沥青混凝土面层，以改善旧路面的平整度和防水性能，设计厚度需考虑交通量、使用寿命、旧路结构和气候等因素。

6 结语

基于实际工程项目，采取结合道路多功能综合检测车、全自动车载落锤式弯沉仪、二维和三维探地雷达的无损检测手段，通过对道路地下病害体与路面结构承载能力、路面损坏状况的相关性分析，对项目试验段路基路面状况进行综合评估，得到以下主要结论。

(1) 传统的道路调查只能评估路面表面状况，导致后续采取的养护方案只能获得短期的养护效果，难以长效维护，故需要依据多种无损检测数据对道路进行综合评估。

(2) 行车重载作用下，路面厚度不足很可能引起水泥混凝土面板断裂，寿命缩短；接缝料损坏会造成水泥混凝土面板板体性丧失，导致面板接缝传荷性能弱化。

(3) 试验段旧水泥混凝土路面若作为基层结构则承载能力整体较好，厚度和强度满足混凝土基层技术要求，拟将所有路基路面病害处治后的旧水泥混凝土路面作为基层使用。