瀝青路面結構應用地震波無傷探測技術探究

文／萍鄉公路勘察設計院 黎小芩 張煒

1 地震波檢測原理

R波波速在層狀半空間彈塑性體介質中傳播時，隨頻率f變化而發生變化，即有頻散特性。該速率反映了不同深度區域內的介質性質。頻散曲線在介質性質參數變化時，分層界面區域顯示為拐點，存在兩種狀態：（1）不同層位界面，如上下面層的分界面或者面層與基礎層分界面。（2）路面內部松散、剝落、裂隙等傷損造成介質性質參數相對變化。

2 案例與檢測實驗配置

為驗證在路面無傷探測中地震波技術的運用功效，以某高速路的一段為實驗區段，樁號區域K87+880-K88+380，區段500m長。路面結構是4cm細粒式熱拌瀝青混凝土（AC-13，選用SBS變性瀝青）+6cm中粒式熱拌瀝青混凝土（AC-20，選用SBS變性瀝青）+6cm中粒式熱拌瀝青混凝土（AC-20，選用重交通50號瀝青）+34cm水泥穩定礫石+33cm級配礫石。

成果分析選用地震波技術對實驗區段開展路面結構無傷探測測量，本文選用的測試裝備是美國德州大學開發的PSPA。PSPA由兩個移位檢波器、地震波發射源及數據傳輸軟件組成。

實驗區段共設置500個測量點，沿行車方向，于行車道兩條輪跡帶上，間隔1m交錯均勻配置，一共獲得頻散曲線500組。

測量點80#部位的路面結構地震波模量隨深度的分布曲線，測量點樁號為K87+960。能夠發現，該測量點處地震波模量的測量深度由路表以下大約5cm起，此是由于運用地震波技術測量時，模量輸出值是一定深度區域內的模量加權均值。最小測量厚度受2個檢波器間的道距、復合料的最大粒度規格和在當下感受器間距設置下儀器測出的最短波長等要素影響。該測量點面層模量的區域在10～12GPa，基礎層模量的區域在6～8GPa，面層模量顯然大于基礎層。在測試深度區域內，頻散曲線發生數次折拐，在深度14～16cm區域內，頻散點離散顯然，地震波模量從10GPa驟減到6GPa；在深度16～26cm區域內，地震波模量逐漸回升到8GPa。對照路面結構，測量點附近路面結構基礎層與下面層交界處和上基礎層有傷損。

實驗區段500個測量點構成震波模量檢測剖面狀態，如圖1具體所示。其中圖1（a）右側標尺系為（CPa）地震波模量，圖1（b）右側標尺系為瀝青路面剩余地震波模量百分率。

圖1 地震波模量檢測成果

圖1（a）是所有測量點隨路面深度變化的震波模量云圖。總之，該區段路面模量伴隨里程樁號的加大而降低，也就是大樁號側路面病害較重。圖1（a）只體現不同測量點上路面絕對模量的橫向比較。除前述比較，事實上有必要對路面某一測量點的病害程度開展衡量，即該測量點測量時的路面模量相對于工程竣工時起始路面模量的衰退程度，把某一測量點觀測時的路面地震波模量占起始路面模量的百分率，定義成剩余地震波模量百分率：

（剩余地震波模量百分率）=（觀測時路面地震波模量）/(起始路面地震波模量)

為得到路面每一測量點的起始模量，考慮到硬路肩重點是為臨時停車使用，通行車輛次數少，路面病害程度很低，能夠近似應用在硬路肩觀測時的地震波模量替代起始路面模量：

（剩余地震波模量百分率）≈（觀測時路面地震波模量）/（觀測時同一截面硬路肩地震波模量）

圖1（b）是所有測量點剩余地震波模量百分率隨路面深度相對變化的云圖。由該圖發現，該實驗區段面層結構模量有不同程度衰減，表明面層有不同程度病害。通過現場踏勘和取芯結果發現，實驗區段尤其是大樁號一側區段路基出現了不同程度的降沉。因此推測，路基降沉的不均勻性會使基礎層頂面產生比較大拉應力，先在基礎層產生裂隙，在車載反復影響下，裂隙由下向上發展，導致了上部面層受到破壞，上面所測結果與該解釋相同。

3 地震波技術與分層取芯實驗探傷的優勢比對

圖2為測量點3#的地震波測量和室內實驗成果，由圖2（b）能夠發現，測量點3#地震波波模量隨深度的分布曲線光滑連續，無顯然拐點，路面模量約在9～11GPa之間，整體模量比較高；從圖2（a）芯樣照片發現，芯樣整體性較佳，外表光滑；圖2（c）揭示單軸貫入實驗獲得路面各層抗剪強度相對變化不大，經過厚度加權平均獲得的各層地震波模量基本相同，二者結果一致。

圖2 測量點3#的地震波測量與室內實驗結果圖

圖3為測量點12#的地震波測量和室內實驗結果，由圖3（b）能夠發現，該測量點中面層模量盡管比較高，但是分布在10～15GPa，分布不均勻，所在區域較廣。在深度約13cm處，地震波模量隨深度的分布曲線發生了顯然的拐點，該位置地震波模量降到約8GPa；由圖3（a）芯樣的照片可發現在下面層與基礎層交界位置芯樣有剝落，表明該深度處路面有傷損；圖3（c）的單軸貫入實驗結果能夠發現，下面層抗剪強度顯然減少，與地震波的測量結果趨勢相同。

圖3 測量點12#的地震波測量和室內實驗結果

取芯分層實驗及地震波技術用于瀝青路面結構傷損探測的比對，具體見表1所示。實驗探究獲得：（1）對于探測瀝青路面結構的傷損，地震波技術測量結果與取芯分層實驗結果吻合性較佳。（2）相較于取芯分層實驗地震波技術探測傷損的敏感度更高。當結構層傷損位處層間交界區域時，取芯和分層割切操作有可能會直接除去結構中薄弱的區域，使分層實驗結果偏高，不能判斷出結構傷損。（3）相比取芯分層實驗，地震波技術可在無傷測量的條件下，直觀勘探瀝青路面內部傷損范圍的規模及部位，以提供道路養護決策的有效根據。

表1 瀝青路面結構內部傷損探測方法比較

4 結語

（1）地震波頻散曲線上頻散點（相速率或者模量）的分布特征適用于輔助探查路面結構內部傷損。（2）地震波技術運用于瀝青路面結構無傷探測測量，與取芯分層實驗結果吻合性較佳；當結構層傷損位處層間交界處時，地震波技術對探測傷損的敏感度更高，有顯然優勢。（3）地震波技術可在無傷測量的前提下，直觀探查瀝青路面結構內部傷損范圍的部位及規模，可定量評價路面各結構層傷損狀態，為既有道路養護決策提供有效根據。