基于落錘式彎沉儀的水泥混凝土路面無損檢測

梁 曉 曄

(山西省公路局長治分局，山西 長治 046011)

基于落錘式彎沉儀的水泥混凝土路面無損檢測

梁 曉 曄

(山西省公路局長治分局，山西 長治 046011)

對落錘式彎沉儀在某水泥混凝土路面無損檢測中的應(yīng)用制定了檢測計(jì)劃，針對檢測結(jié)果對該路面病害進(jìn)行了深入分析，分析結(jié)果可為類似檢測工程提供借鑒，并指出落錘式彎沉儀無損檢測技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

水泥混凝土路面，落錘式彎沉儀，無損檢測

0 引言

落錘式彎沉儀(FWD)屬于道路無損傷檢測技術(shù)，F(xiàn)WD常用于路面現(xiàn)場結(jié)構(gòu)承載力的評價(jià)，剛性路面接縫傳荷能力的分析以及剛性路面板底脫空的探測。不同的加載方式使FWD能夠用于路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度多方面的檢測。

陳曉瑛等提出了一種綜合考慮脫空和接縫傳荷能力對彎沉影響的水泥混凝上板底脫空評價(jià)方法[1]；張蓓等根據(jù)不同路面結(jié)構(gòu)參數(shù)下彎沉值的變化對關(guān)系式進(jìn)行修正，建立水泥混凝土路面板角脫空面積的分析方法[2]；張求書等通過采用落錘彎沉儀與貝克曼梁彎沉儀對舊水泥混凝土路面的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)查分析，為設(shè)計(jì)路面加鋪結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)[3]；何海鷹等從模量反算的角度提出動態(tài)模量對于路面強(qiáng)度的評價(jià)方法[4]；馬鋼采用落錘式彎沉儀對舊水泥混凝土板的脫空情況進(jìn)行檢測，并且提出了混凝土板脫空評價(jià)方法[5]；彭顯攀等介紹了FWD的檢測方法以及FWD檢測方法與貝克曼梁法的相關(guān)性[6]；李濤通過試驗(yàn)得出了落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉儀的相關(guān)關(guān)系，并且將相關(guān)關(guān)系應(yīng)用到路面彎沉檢測中[7]。

1 項(xiàng)目概況

某公路為雙向四車道，于1995年開工建設(shè)，2000年年底建成通車。路基寬度15 m，路面寬度14 m，道路全長約為32 km，其中4 km已加鋪瀝青混凝土面層，其余均為水泥混凝土路面。

自開通運(yùn)營至今，路面病害主要有裂縫、錯臺、破碎板、斷板、脫空、沉陷等，給行車舒適性造成了極不利的影響，同時(shí)大大增加了運(yùn)營成本。

采用FWD(落錘式彎沉儀)對混凝土的板中、板角、板間接縫進(jìn)行檢測，分別對混凝土板承載能力、板底脫空、接縫傳荷能力進(jìn)行測試。板中和板間接縫每千米間斷檢測6個點(diǎn)，板角每2 km連續(xù)檢測12個點(diǎn)。

2 FWD檢測計(jì)劃

檢測路段為水泥混凝土路段，根據(jù)現(xiàn)場考察及本項(xiàng)目的病害情況，在外側(cè)車道內(nèi)側(cè)輪跡處，每隔1 km做一個系列板中及接縫FWD測試。每隔2 km做一個系列的板角FWD測試，F(xiàn)WD測試包括一個板中心點(diǎn)測試，一個橫向接縫測試，一個板角測試。具體測試點(diǎn)位置見圖1。

位置及頻率：在水泥路面主車道上進(jìn)行一系列FWD測試；注意避開破損板。因?yàn)楸敬螜z測距施工圖設(shè)計(jì)階段有一定的時(shí)間差，采取抽檢的方式，每系列的抽檢頻率為每千米6個點(diǎn)。

沖擊荷載：水泥路面板中(50±2.5)kN，每點(diǎn)落錘2次，第一錘數(shù)據(jù)舍去。接縫：(50±2.5)kN，每點(diǎn)落錘2次，第一錘數(shù)據(jù)舍去，為一級加載；荷載作用點(diǎn)的傳感器和臨近的傳感器分別在接縫兩側(cè)的兩塊板上，承載板盡量靠近接縫，與接縫相切。板角：(40±2.5)kN，(50±2.5)kN，(60±2.5)kN，每點(diǎn)落錘3次，為三級加載；承載板位于板角。

3 檢測結(jié)果

分左右兩幅進(jìn)行檢測，篇幅所限，下面主要以左幅為例說明檢測結(jié)果。

3.1 最大彎沉分析

最大彎沉是指承載板中心位置的實(shí)測彎沉，它是路面結(jié)構(gòu)各層強(qiáng)度以及土基模量的函數(shù)，能夠較好的反映路面的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。分析中將所有實(shí)測彎沉結(jié)果換算到相同的荷載水平(規(guī)格化到50 kN)，單位為0.01 mm。

由檢測結(jié)果可知，左幅彎沉的平均值為8.27，最大值為32.62，標(biāo)準(zhǔn)差為4.24。該路段的最大彎沉值比較分散，主要在2.5～15.0之間，另外，大于15.0的占總數(shù)的5.9%，分析結(jié)果顯示，該段公路水泥路面的結(jié)構(gòu)承載能力狀況良好，但個別地段變異較大，需要采取相應(yīng)的處理措施。

右幅最大彎沉相比較也大，總體來講，左右幅結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度很好，但右幅整體強(qiáng)度要比左側(cè)稍好。

左幅水泥混凝土路面最大彎沉見圖2。

3.2 結(jié)構(gòu)層模量反算

通過FWD的彎沉檢測，可以得到承載板中心最大彎沉值和路面結(jié)構(gòu)的彎沉盆。由此反算路面結(jié)構(gòu)各層模量以及土基強(qiáng)度，評定路面結(jié)構(gòu)承載能力。

1)土基強(qiáng)度。由于FWD采用的是脈沖荷載，根據(jù)動態(tài)荷載下的路面響應(yīng)，反算的土基模量對應(yīng)的是動態(tài)k值。一般情況下，靜態(tài)k值可以通過施加靜態(tài)荷載，在土基頂面直接進(jìn)行承載板試驗(yàn)得到。研究表明，動態(tài)k值大約是靜態(tài)k值的兩倍。

左幅結(jié)果顯示，檢測路段的靜態(tài)k值絕大多數(shù)在0 MPa/m～150 MPa/m之間，平均值為64.84 MPa/m，標(biāo)準(zhǔn)差為41.11 MPa/m。分析結(jié)果顯示，該段公路土基強(qiáng)度較差，平均值為170 MPa/m，該段變異性很大，但總體情況較好。分析結(jié)果顯示，該段公路土基強(qiáng)度中等。

2)面層、基層彈性模量。面層和基層的模量是反映路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的兩個重要參數(shù)。剛性路面根據(jù)FWD實(shí)測彎沉盆，可以反算得到面層和基層的綜合模量，再根據(jù)厚度與模量比計(jì)算得到面層和基層的反算模量。圖3為左幅水泥混凝土路面面層模量圖。

由分析結(jié)果可知，左幅水泥混凝土基層的彈性模量在2 000 MPa～20 000 MPa之間，平均值為6 948.04 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為4 572.26 MPa。面層彈性模量在2 000 MPa～100 000 MPa之間，平均值為49 886.64 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為23 856.57 MPa。面層基層綜合模量在2 000 MPa～100 000 MPa之間，平均值為18 467 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為13 985.10 MPa。結(jié)果顯示水泥混凝土面層和水穩(wěn)基層強(qiáng)度較好。

3.3 接縫傳荷能力

根據(jù)FWD測試數(shù)據(jù)，計(jì)算得到左右幅水泥混凝土路面板彎沉差，由板間彎沉差數(shù)據(jù)計(jì)算得到接縫傳荷能力，根據(jù)水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范，對左幅和右幅混凝土板的接縫傳荷能力進(jìn)行評價(jià)，其中左幅傳荷能力等級見圖4。左右幅水泥混凝土板的傳荷系數(shù)整體統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 傳荷系數(shù)整體統(tǒng)計(jì)表 %

3.4 板角脫空

本次板角脫空采用三級加載方式判斷，荷載分別為(40±2.5)kN，(50±2.5)kN，(60±2.5)kN，每點(diǎn)落錘3次，承載板位于板角。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，利用加載與彎沉的線性回歸得出截距，當(dāng)截距大于50(0.01 mm)時(shí)，判斷該板脫空。根據(jù)FWD測試數(shù)據(jù)，分析計(jì)算得到左右幅混凝土板截距，并統(tǒng)計(jì)了混凝土板的脫空狀況(見表2)。

表2 混凝土板脫空統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語

本文結(jié)合落錘式彎沉儀的檢測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為該水泥混凝土路段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度總體處于較優(yōu)良狀態(tài)，但部分路面的接縫傳荷能力較差，板角脫空率較高，應(yīng)及時(shí)采取措施遏制病害的進(jìn)一步擴(kuò)大，具體結(jié)果如下：

1)總體來講，左右幅結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度很好，但右幅整體強(qiáng)度要比左側(cè)稍好。依據(jù)結(jié)構(gòu)層模量反算可知，該段公路土基強(qiáng)度中等；水泥混凝土面層和水穩(wěn)基層強(qiáng)度較好。

2)通過對接縫傳荷能力的研究可知，多數(shù)混凝土路面板都處于良好狀態(tài)，板角脫空分析得知，左幅車道脫空率為35%，右幅車道脫空率達(dá)到43%。

[1] 陳曉瑛,瑛利華.基于彎沉檢測的水泥混凝土路面板底脫空評價(jià)方法[J].公路,2011(11):143-147.

[2] 張 蓓,趙 歡,鐘燕輝，等.基于彎沉率的水泥混凝土路面板角脫空面積分析方法[J].中外公路,2010,30(5):83-86.

[3] 張求書,齊巧天.舊水泥混凝土路面強(qiáng)度評價(jià)方法[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2014(4):43-45.

[4] 何海鷹,謝晨之.利用落錘式彎沉儀FWD檢測評價(jià)水泥混凝土路面壓漿效果分析[J].交通科技,2003(4):46-47.

[5] 馬 鋼.利用落錘式彎沉儀FWD評價(jià)舊混凝土路面板脫空[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2007(21):48-50.

[6] 彭顯攀,崔小團(tuán).落錘式彎沉儀(FWD)在彎沉檢測中的應(yīng)用[J].路橋建設(shè),2008(10):71.

[7] 李 濤.落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉儀在路面檢測中的相關(guān)性研究[J].黑龍江交通科技,2010(7):27-28.

Nondestructive testing of cement concrete pavement based on FWD

LIANG Xiao-ye

(ChangzhiBranchBureau,ShanxiBureauofHighway,Changzhi046011,China)

The paper formulates the application testing plan of FWD in the cement-concrete pavement, analyzes the pavement diseases according to the testing results with a view to provide some guidance for similar testing engineering. In the end, it points out wide application of nondestructive testing technology of FWD.

cement-concrete pavement, FWD, nondestructive test

1009-6825(2014)34-0153-02

2014-09-25

梁曉曄(1973- )，男，工程師

U416.216

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