半剛性基層裂縫深度評(píng)價(jià)方法及結(jié)果分析

田勝權(quán)

（貴州省興仁公路管理段,貴州 興仁 562300）

0 引言

由于半剛性基層材料具有干縮、溫縮特性，施工后易產(chǎn)生早期裂縫，在車輛荷載、環(huán)境因素綜合作用下，裂縫逐漸擴(kuò)大甚至反射至瀝青面層，引起道路自下而上的結(jié)構(gòu)性裂縫，破壞路面的整體性、連續(xù)性。因此有必要深入分析裂縫產(chǎn)生的機(jī)理，提出有效的防治措施。為有效評(píng)價(jià)半剛性基層裂縫的深度，采用探地雷達(dá)（GPR）、落錘輕型彎沉儀（PFWD）兩種測(cè)試方法對(duì)某二級(jí)公路項(xiàng)目的半剛性基層裂縫進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，與鉆芯結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析[1]。

1 GPR 與PFWD 測(cè)試裂縫深度試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)G354 線二級(jí)公路半剛性基層路面裂縫病害采用探地雷達(dá)（GPR）、落錘輕型彎沉儀（PFWD）兩種非破壞性檢測(cè)方法檢測(cè)裂縫深度。

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

選取G354 線K1575+000~K1577+000 路段，該路段路面為半剛性基層路面，構(gòu)成自上而下為10 cm 瀝青面層+25 cm 水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm 級(jí)配碎石底基層。選定該路段路面的12 條橫向裂縫作為測(cè)試對(duì)象，分別編號(hào)為F1-F12，每條裂縫標(biāo)記測(cè)點(diǎn)，裂縫分布示意圖如圖1 所示。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計(jì)，裂縫分為三種類型：橫向貫穿裂縫、局部橫向裂縫和縱向裂縫[2-3]。其中橫向貫穿裂縫最多，占總裂縫數(shù)量的58%，橫向貫穿路面。局部橫向裂縫次之，占總裂縫數(shù)量的34%。縱向裂縫最少，占總裂縫數(shù)量的8%，沿行車方向延伸。

圖1 測(cè)量裂縫相對(duì)位置圖

試驗(yàn)設(shè)備：GPR 試驗(yàn)采用美國GSSI 公司的SIR-3000 型探地雷達(dá)系統(tǒng)，400 MHz 發(fā)射天線；PFWD 試驗(yàn)采用美國KUAB 公司的SW-600 型落錘輕型彎沉儀，錘頭重量6 kg，落距600 mm。

1.2 試驗(yàn)步驟

GPR 試驗(yàn)步驟：①將天線組沿著裂縫方向移動(dòng)，保持與路面緊密接觸；②設(shè)置掃描參數(shù)，開始掃描；③將掃描得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件RADAN中，進(jìn)行處理，標(biāo)記出裂縫位置和深度。

PFWD 試驗(yàn)步驟：①將落錘裝置放置在測(cè)試點(diǎn)上；②設(shè)置測(cè)試參數(shù)，開始測(cè)試；③將測(cè)試得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件中，進(jìn)行處理，計(jì)算出裂縫深度[4-5]。

1.3 GPR 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

探地雷達(dá)（GPR）的工作原理是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波從一種介質(zhì)傳入另一種介質(zhì)時(shí)，如兩種介質(zhì)電性參數(shù)不同，會(huì)產(chǎn)生反射波。因此，電磁波遇到裂縫時(shí)，由于裂縫內(nèi)部充滿空氣或水等低電導(dǎo)率介質(zhì)，與路面材料形成明顯的電性差異，從而產(chǎn)生反射波，通過測(cè)量反射波到達(dá)時(shí)間和振幅強(qiáng)度，可以推斷出裂縫位置和深度。

試驗(yàn)采用美國GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-3000 型探地雷達(dá)系統(tǒng)的400 MHz 的發(fā)射天線。400 MHz 的發(fā)射天線具有較高的分辨率和較深的探測(cè)深度，適合于路面裂縫深度的檢測(cè)。每條裂縫標(biāo)記測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)上的發(fā)射天線、接收天線沿著裂縫方向移動(dòng)，保持與路面緊密接觸，設(shè)置掃描參數(shù)，開始掃描。將掃描到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件RADAN 中，進(jìn)行處理后標(biāo)記出裂縫位置[6]。

1.4 PFWD 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

便攜式彎沉儀（PFWD）的工作原理是通過測(cè)量路面在荷載作用下的彎沉值反推出路面的彈性模量，進(jìn)而推斷出路面結(jié)構(gòu)的損傷程度、裂縫深度。首先，按照?qǐng)D2所示，每條裂縫標(biāo)記4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于裂縫中心、左右兩側(cè)距裂縫0.1/0.15 m、0.2 m、0.3 m 處。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的PFWD 放置于距離裂縫不同距離的位置，如圖2 所示。

圖2 裂縫處PFWD 測(cè)試原理示意圖

將落錘提升至固定高度，釋放落錘，數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)收集地面彎沉值。通過分析不同位置的彎沉值，可確定裂縫位置及深度[7]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及可行性評(píng)估

2.1 GPR 測(cè)試結(jié)果及可行性評(píng)估

GPR 試驗(yàn)結(jié)果顯示無法根據(jù)探地雷達(dá)圖像識(shí)別裂縫位置及深度，經(jīng)分析無法評(píng)價(jià)裂縫的原因如下：

（1）裂縫過窄過深。半剛性基層裂縫深度一般超過20 mm，400 MHz 發(fā)射天線的探測(cè)深度較大，但分辨率較低，無法有效檢測(cè)到裂縫所在的位置和深度。電磁波沿著垂直于裂縫方向進(jìn)行掃描時(shí)，由于裂縫寬度過窄，電磁波很難被裂縫反射或透射，因此探地雷達(dá)圖像中無法形成明顯的反射波帶。

（2）路面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，介電特性不均勻。半剛性基層路面結(jié)構(gòu)主要分為瀝青面層、水穩(wěn)基層兩部分，每部分組成材料不同，介電特性不同。而裂縫內(nèi)部可能存在石子、沙子、黃土等不同物質(zhì)，也會(huì)影響介電特性。這些因素導(dǎo)致電磁波在路面結(jié)構(gòu)中的傳播受到干擾，反射波信號(hào)弱化或失真。因此，探地雷達(dá)圖像中難以區(qū)分裂縫和其他路面結(jié)構(gòu)的反射波信號(hào)[8]。

2.2 PFWD 測(cè)試結(jié)果及可行性評(píng)估

通過分析PFWD 方案測(cè)得的裂縫彎沉值變化發(fā)現(xiàn)裂縫處的彎沉值最大，且與距離裂縫處的距離成反比。同時(shí)，由于不同深度的裂縫造成的路面結(jié)構(gòu)影響不同，因此裂縫處的彎沉值也不同，且PFWD 的作用范圍也不同，具體見表1。

表1 不同裂縫的彎沉值測(cè)試結(jié)果/mm

為評(píng)價(jià)PFWD 方案評(píng)價(jià)裂縫的可行性提出PFWD 作用范圍、裂縫處與距裂縫最遠(yuǎn)處的彎沉差值2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)指標(biāo)將裂縫分為半剛性基層產(chǎn)生的反射裂縫和面層開裂2 種。①半剛性基層產(chǎn)生的反射裂縫的PFWD 作用范圍較大（≥30 cm），最大彎沉值較大，路面結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，需立即修補(bǔ)；②面層開裂的PFWD 作用范圍較小（≤20 cm），最大彎沉值＜0.130 μm，半剛性基層結(jié)構(gòu)大體完整。當(dāng)PFWD 作用范圍為0 cm 時(shí)，說明裂縫造成的路面結(jié)構(gòu)影響可忽略不計(jì)，具體見表2。

表2 裂縫評(píng)價(jià)結(jié)果

表2 顯示了PFWD 作用范圍、最大彎沉值與裂縫等級(jí)之間的關(guān)系。不同等級(jí)的裂縫對(duì)應(yīng)不同的裂縫修補(bǔ)方法。①嚴(yán)重裂縫。半剛性基層開裂導(dǎo)致的反射裂縫，其PFWD 作用范圍為±30 cm，最大彎沉值＞0.130 μm，路面結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，需立即進(jìn)行注漿修補(bǔ)；②中等裂縫。僅面層開裂的裂縫，其PFWD作用范圍為±（10~20）cm之間，最大彎沉值＜0.130 μm，半剛性基層大體完整，需進(jìn)行長期跟蹤識(shí)別。輕微裂縫。幾乎不影響路面使用，PFWD無法測(cè)出彎沉值；③通過裂縫鉆取芯樣證明嚴(yán)重裂縫為半剛性基層開裂，中等裂縫、輕微裂縫僅為面層開裂，說明PFWD 可客觀評(píng)價(jià)半剛性基層裂縫深度[9]。

3 鉆芯結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證PFWD 方案評(píng)價(jià)裂縫深度的有效性，需對(duì)裂縫進(jìn)行鉆芯試驗(yàn)，對(duì)比PFWD 評(píng)價(jià)結(jié)果、鉆芯試驗(yàn)結(jié)果。鉆芯試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。結(jié)合表2~3 可以看出，PFWD評(píng)價(jià)結(jié)果、鉆芯試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

表3 鉆芯試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

根據(jù)表3 可知裂縫類型評(píng)價(jià)為嚴(yán)重的裂縫深度均超過面層厚度15 cm，屬于半剛性基層開裂導(dǎo)致的反射裂縫；裂縫類型評(píng)價(jià)為中等的裂縫深度較淺，只有面層開裂，半剛性基層未受損；裂縫類型評(píng)價(jià)為輕微的裂縫深度僅有3 cm[10]。

綜合分析PFWD 方案評(píng)價(jià)裂縫深度的試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：①PFWD 可反映出裂縫的作用范圍，即距離裂縫最遠(yuǎn)的影響距離：嚴(yán)重裂縫為±30 cm；中等裂縫為±（10~20）cm；輕微裂縫為0 cm，即沒有影響范圍，可見裂縫的作用范圍與裂縫深度成正比；②PFWD 方案可以區(qū)分不同類型的裂縫：評(píng)價(jià)為嚴(yán)重的裂縫是由半剛性基層開裂引起的反射裂縫，其深度范圍15~40 cm；評(píng)價(jià)為中等的裂縫，只有面層開裂，深度范圍6~8 cm；評(píng)價(jià)為輕微的裂縫深度最淺，不超過3 cm。

4 結(jié)語

綜上所述，該文介紹了一種利用探地雷達(dá)（GPR）、落錘輕型彎沉儀（PFWD）評(píng)價(jià)G354 線二級(jí)公路半剛性基層裂縫現(xiàn)場試驗(yàn)的方案。通過對(duì)比分析GPR、PFWD的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)GPR 無法有效識(shí)別裂縫位置和深度，而PFWD 可以根據(jù)作用范圍、彎沉值最大值區(qū)分不同類型、不同深度的裂縫，其試驗(yàn)結(jié)果與鉆芯試驗(yàn)結(jié)果基本一致。因此，PFWD 是一種可行的半剛性基層裂縫深度評(píng)價(jià)方法，為半剛性基層瀝青路面的裂縫識(shí)別、修補(bǔ)提供了參考依據(jù)。