路面裂縫自動化檢測數據應用及其可靠性分析

張海倫

(鎮江市綜合交通事業發展中心 鎮江市 212004)

0 引言

近年來,在國內基礎設施建設不斷完善的背景下,國內公路發展已日趨成熟,“7918”高速公路網也已日趨完善[1]。隨著國內城際交通運輸需求的增加,尤其在城際間居民出行及貨物運輸方面,高速公路的作用日益凸顯[2]。在建設期到養護期的過渡階段,“大流量、重載超載”的交通方式以及極端惡劣天氣等因素的影響,高速公路不同程度地出現車轍、裂縫等病害,使用性能及耐久性受到挑戰[3-4]。如何在高速公路運營期間快速識別病害、分析病害成因、為公路養護提供決策,成為現階段公路從業者關注的熱點問題[5-6]。其中,針對公路早期病害中的裂縫問題,經歷了人工巡檢[7]、鉆芯取樣[8],到基于圖像處理的檢測方式[9],再到信息化的自動識別檢測[10],自動化檢測手段越來越成熟,在高速公路病害裂縫病害檢測中的應用也越來越廣泛。文章基于某高速公路路面自動化檢測數據,輔以其他檢測手段,對該高速公路瀝青路面裂縫病害的原因進行分析,并對自動化檢測的路面狀況指數(Pavement Condition Index,PCI)的可靠性進行了驗證。

1 路面裂縫病害分類及成因

1.1 縱向裂縫

縱向裂縫一般是瀝青混凝土路面的典型病害。較長縱縫往往屬于反射裂縫,在路基拼寬的工程案例中,新老路基的工后沉降不同屬于正?，F象,但如果由于新路基碾壓未達標造成工后沉降過大,拉裂路面,則屬于工程質量問題。此外,路基邊坡整體滑移也是造成縱縫的重要原因之一。而在路面過寬必須分幅碾壓的案例中,若兩次碾壓的接縫位置處理不良,在車輛荷載作用下也極易產生長縱縫。

1.2 橫向裂縫

瀝青路面橫向裂縫大多與路面中心線正交。一般來說,縫長橫貫整個路面的橫縫難以避免,此類裂縫一般發生在兩個位置,一是路面與暗涵等構造物交界部位,由于構造物與路面的沉降不同,即使回填完全按照相關技術規范執行也難以避免;二是隔一段固定距離出現一條,這多是半剛性基層收縮裂縫反射至面層產生的裂縫。而由于瀝青質量不達標致使局部收縮或者疲勞應力超過瀝青混凝土的抗拉強度,或者由于施工縫預留位置不合理造成的不規則橫縫,則應當予以避免。

1.3 網狀裂縫

網狀裂縫其中一種成因,是由于橫向縱向裂縫沒有得到及時的控制或者處理,繼續發展而產生的,在北方地區這種現象尤為明顯,因為水的凍融會加速主縫周圍支縫的發展。第二種成因,則多是由于材料本身的原因,如瀝青低溫延性較差,或者混合料級配不合理,乃至粗集料的磨耗值不達標等,造成混合料整體質量不達標。第三種成因,則是路面結構施工問題,由于瀝青面層局部過薄造成無法承受車輛荷載或者層間粘結不良導致路面各面層無法協同工作等。

2 路面裂縫常用檢測方法

2.1 人工調查

人工調查法耗費的人力物力較大,檢測時間較長,主要工作方法為人工現場踏勘并記錄裂縫的性質、所在樁號、類型、發展狀況以及是否有其他病害共同存在等。如條件允許,可采用現場繪圖的方式記錄裂縫特征,并拍攝足量多角度的裂縫照片。

2.2 鉆孔取芯

鉆孔取芯法能夠直接觀察路面以下裂縫病害的發展方向(是否反射裂縫)以及嚴重程度,但由于對路面有一定的損傷,因此不宜大量提取芯樣,且取樣位置受檢測者的專業素質影響,對裂縫的判定結果影響較大。

2.3 路面強度檢測

由于路面裂縫與路面強度有一定相關性,即路面強度不足會加速路面裂縫的產生,同時裂縫產生又會影響路面強度,因此,必要時應采用彎沉車或者彎沉儀對路面進行輔助檢測。

2.4 自動化無損檢測

無損檢測可以在不破壞路面結構的情況下進行檢查,并在一定程度上實現檢測數據分析與處理的智能化,目前在路面損壞狀況檢測領域最常用的方法即為自動化攝像測量法。主要是通過路面檢測車上安裝的專用攝像設備對路面進行快速固定頻率的拍攝,然后將照片導出由人工判讀或者機器識別的方法進行處理。

目前自動化無損檢測的應用十分普遍,但由于路面裂縫的病害成因較復雜,且不同類型的裂縫可能由同一成因導致,因此在分析具體案例的裂縫成因時,采用單一的檢測手段往往不夠,需要綜合多項檢測手段。下面給出多項檢測手段綜合運用在確定某高速公路上面層塊狀裂縫病害成因時的分析過程。

3 路面綜合檢測數據在裂縫成因分析中的應用

3.1 工程概況及病害描述

某高速公路總里程65km,原路面結構由上至下分別為4cm厚上面層、6cm厚中面層、12cm厚下面層、36cm厚上基層、18cm厚底基層。各層材料由上至下分別為:細粒式改性瀝青混凝土(AC-13C)、中粒式改性瀝青混凝土(AC-20C)、粗粒式瀝青混穩定碎石(ATB-25)、水泥穩定碎石、水泥穩定碎石底基層,路面總厚度為76cm。該高速公路路面病害主要類型有縱向裂縫、橫向裂縫、塊裂及龜裂三種類型。

3.2 路面綜合檢測數據及病害成因分析

為全面掌握該高速公路的路面技術狀況,科學評定公路使用性能,為高速公路養護工作提供基礎數據和相關信息,對其進行了自動化路面技術狀況檢測和評定。為全面掌握病害成因,又采用了現場芯樣鉆取并進行了瀝青性能室內試驗。

(1)采用自動化檢測獲得的路面技術狀況評價指標如表1所示。

表1 路面技術狀況總體評價表

該高速公路路面損壞狀況指數PCI整體處于良等狀態。其中上行方向K32+192～K35+000、K44+606～K45+777、K49+000～K52+000、K54+000～K58+224、K59+947～K61+000,下行方向K60+192～K63+000路面損壞狀況指數處于中等狀態。下行方向K57+947～K59+000處于次等狀態。通過現場勘察,以上路段均位于山嶺重丘區路段,除路面裂縫外其它病害少見,與路面技術狀況評價結果基本吻合,且塊狀裂縫是造成PCI中次等路段的主要原因。

(2)通過現場芯樣提取,各瀝青層厚度均滿足設計要求,層間粘結性能良好。橫縫及橫縫位置處芯樣提示橫縫大多為反射裂縫,而塊狀裂縫則主要集中在上面層,主要表現為表面層細小裂紋,但目前無明顯變形。

(3)針對瀝青混凝土路面病害,采用回收面層瀝青進行室內試驗,試驗項目包括抽提回收舊瀝青、舊瀝青常規指標(即針入度、軟化點、延度、運動粘度四項指標)檢測。為了探究山嶺重丘區路段PCI值嚴重降低的原因,通過實驗結果分別對平原微丘區以及山嶺重丘區的上面層材料性能進行評價分析,結果見表2。

表2 路面上面層舊瀝青回收后瀝青四項指標

室內試驗檢測結果表明,山嶺重丘區路段上面層瀝青針入度為29,其延度為11cm,瀝青表面層已表現出明顯的老化跡象,其針入度、延度指標低于標準值,而平原微丘區路段上面層瀝青總體使用性能良好。

(4)該高速公路K0+000～K32+000位于平原微丘區,K32+000～K65+000位于山嶺重丘區,山嶺重丘區夏日天氣復雜多變,一日之內可反復晴雨交替,雨量充沛,冬季氣溫較低。結合本項目的氣候特點,研究認為造成山嶺重丘區路面塊狀裂縫以及龜裂的主要原因為氣候條件。此類裂縫多是表面溫縮裂縫,由于表面層瀝青承受的較大溫度差,加速其開裂。在行車荷載和雨水的作用下,病害向下發展并形成局部松散。

4 自動化檢測獲得PCI值的可靠性分析

由于自動化檢測方便快捷,因此目前的路面破損狀況指數一般基于此方法,但通過該方法獲得的PCI值的可靠性卻少有人關注。為了實現這一目標,采用人工現場踏勘的方式得出每公里路面破損狀況PCI值并與自動化檢測結果對比。

將自動檢測每公里PCI值按照數值高低分為若干區間,考慮搭配每個區間均有足夠多的樣本量,劃分方法為85～95、75～85、65～75、65分以下4個區間,對4個區間的人工以及自動化檢測獲得PCI值進行線性回歸計算,并得到相關性系數如表3所示。

表3 路面上面層舊瀝青回收后瀝青四項指標

相關性系數越高,說明自動檢測的數據越可靠。表3中數據顯示,自動檢測每公里PCI>65時,相關性較好,但相關性系數隨著分值的增加而增加;而對PCI<65的路段,相關性系數急劇下降,說明此時自動檢測結果已經很不穩定,需要采用人工檢測方法進行復核。

5 結論

(1)路面檢測數據為方案制定提供有力的技術支持。多項檢測同時進行可獲得更加可靠的數據,但無疑會增加試驗費用,因此在現實應用中,應具體問題具體分析。

(2)雖然自動化檢測能大幅度減少人力物力消耗,但其結果可靠性卻值得討論。文章所得結論僅適用于特定高速公路,當交通量以及路面結構發生變化時,結論是否依然成立需要進一步探討。