高精度斷面儀在路面沉降檢測中的應(yīng)用研究

陳小輝， 黃甲才， 聶桂海

(1.廣東交科檢測有限公司， 廣東 廣州 510420； 2.廣東華路交通科技有限公司， 廣東 廣州 510420；3.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006)

0 引言

軟基路段瀝青路面沉降是高等級公路的常見病害之一[1-2]?！豆仿坊访娆F(xiàn)場測試規(guī)程》[3](以下簡稱測試規(guī)程)尚無沉降的測試方法，《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》[4](以下簡稱評定標(biāo)準(zhǔn))也缺乏評價沉降的方法和指標(biāo)?？梢?，目前缺乏瀝青路面沉降的測試方法和評價指標(biāo)。

路面沉降的本質(zhì)特征是局部范圍內(nèi)高程的差異，對平整度影響較大。而測試規(guī)程提供了4種平整度試驗(yàn)方法，其中常用的為：三米直尺法、連續(xù)式平整度儀法、車載式激光平整度儀法。三米直尺法受人為因素影響大、檢測效率低；連續(xù)式平整度儀法需牽引設(shè)備 ，耗費(fèi)能量較大且一般適用于破壞較為嚴(yán)重的路面；車載式激光平整度儀法檢測效率和精度較高，但設(shè)備較為昂貴[5]。采用常規(guī)方法所檢測的單一平整度指標(biāo)不能與路面高程建立聯(lián)系，用來評價道路整體沉降狀況可信度較低。

評定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可用路面跳車指數(shù)PBI表征路面的跳車狀況，路面沉陷僅是引起路面跳車的因素之一，且評定標(biāo)準(zhǔn)中跳車程度的定量評價指標(biāo)為10m內(nèi)最大高程與最小高程的差值。路面跳車指數(shù)PBI是宏觀綜合指標(biāo)，代表整條路或某個路段的行駛狀態(tài)，但行駛狀況不佳并非一定是由沉降造成的，所以跳車指數(shù)PBI不能直接反應(yīng)路面沉降情況。此外，對于曲線半徑小于10m的路面沉降評價，路面跳車指數(shù)PBI適用性不強(qiáng)。

目前常用的實(shí)測沉降資料分析方法有:雙曲線法、星野線法、指數(shù)曲線法、沉降速率法等，但以上數(shù)據(jù)分析方法多用于根據(jù)已有資料推算任意時間內(nèi)的沉降，且計算沉降量與實(shí)際沉降量誤差較大[6]。實(shí)時高程測量可實(shí)測沉降路段數(shù)據(jù)，并繪制實(shí)測沉降數(shù)據(jù)曲線，但缺乏定量評價沉降曲線的方法，僅靠人為根據(jù)曲線形態(tài)評判沉降情況。

綜上，路面不均勻沉降會引起路面跳車、平整度降低，但應(yīng)用單一指標(biāo)評價路面沉降情況過于片面。常規(guī)檢測方法得到的平整度不能與沉降數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，而實(shí)測沉降數(shù)據(jù)缺乏有效的定量分析方法。因此，有必要尋求一種可以分析沉降數(shù)據(jù)并能與平整度指標(biāo)建立聯(lián)系的方法。

手推式高精度斷面儀在輸出平整度指標(biāo)的同時，可以記錄相對高程數(shù)據(jù)，為路面沉降的評價提供了一條思路。本文通過對比分析多功能道路綜合檢測車和手推式高精度斷面儀測試的平整度指標(biāo)，并對高精度斷面儀同步測量的沉降高程數(shù)據(jù)和平整度指標(biāo)進(jìn)行分析，建立高程數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，繪制沉降數(shù)據(jù)曲線并提出模型參數(shù)，分析平整度指標(biāo)和模型參數(shù)的相關(guān)性以建立兩者之間的聯(lián)系,為道路工程沉降檢測及評價提供參考。

1 工程概況與檢測方案

1.1 工程概況

廣東汕湛高速公路(公路編碼S14)揭西大溪至博羅石壩段，建設(shè)期樁號為(K86+983～K250+186)，運(yùn)營期樁號為(K86+983～K247+332)。主線全長約160.96km。其中:紫金連接線改高速公路路段5.983km，非高速公路路段3.88km ，揭西連接線3.96km，敬梓連接線8.935km，藍(lán)塘連接線10.97km，于2015年12月30日建成通車。主線為瀝青路面，互通立交連接線為水泥混凝土路面。揭博高速通車以來，在部分高填和高液限土填方路段(壓實(shí)度要求有所降低)路面相繼出現(xiàn)了較大不均勻沉降，為保行車及安全舒適性，路面擬進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，需對沉降路段的沉降情況進(jìn)行檢測，為制定養(yǎng)護(hù)維修方案提供參考。

1.2 檢測方案

檢測設(shè)備為多功能道路綜合檢測車(簡稱多功能車)和手推式高精度斷面儀。手推式高精度斷面儀可對道路的高程、沉陷、平整度進(jìn)行檢測，該儀器可連續(xù)測量，檢測精度高，斷面精度高達(dá)±2mm / 50m，操作簡便快捷，檢測數(shù)據(jù)可靠，可同步輸出IRI和高程數(shù)據(jù)。

平整度檢測及其評價依據(jù)為《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》和《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》中的相關(guān)條例，其中平整度指標(biāo)選用IRI[7]。依據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》，路面平整度各等級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)評價指標(biāo)優(yōu)良中次差平整度≤2.32.3～3.53.5～4.34.3～5.0>5.0

采用多功能車對沉降路段進(jìn)行平整度檢測;采用高精度斷面儀對沉降路段進(jìn)行平整度和高程同步檢測。檢測路段如表2所示。

表2 沉降路段檢測統(tǒng)計表行車方向檢測路段長度/m行車方向檢測路段長度/mK141+800～K141+900100K142+520～K142+730210K155+050～K155+13080廣州方向K159+210～K159+28070K159+330～K159+40070K166+850～K167+020170K174+570～K174+63060K193+660～K193+760100K0+845～K0+78560K1+010～K0+93575K1+145～K1+08065紫金西連接線左幅K3+800～K3+74060K4+680～K4+580130K5+080～K4+965115K141+500～K141+280220K144+950～K144+89070K146+925～K146+85075汕頭方向K152+150～K152+09060K153+040～K152+99050K196+125～K196+07550K197+560～K197+49070K3+615～K3+750135K4+630～K4+68050紫金西連接線右幅K4+975～K5+105130K5+810～K5+930120

2 平整度檢測結(jié)果分析

平整度檢測結(jié)果見表3、表4，因數(shù)據(jù)量較大，表中僅列舉部分代表性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，IRI平均值為各檢測路段內(nèi)的IRI平均值。

由表2、表3可知：

表3 多功能車平整度部分統(tǒng)計結(jié)果行車方向樁號IRI平均值/(m·km-1)IRI最大值/(m·km-1)相鄰點(diǎn)差最大值/(m·km-1)測試點(diǎn)數(shù)3.54.3點(diǎn)數(shù)百分率/%點(diǎn)數(shù)百分率%K155+050～K155+1302.00 3.88 2.86 5240.000.0廣州方向K159+210～K159+2800.62 0.67 0.64 400.000.0K174+570～K174+6301.83 4.90 3.81 400.0125.0K193+660～K193+7601.21 2.11 1.31 500.000.0K144+950～K144+8900.50 0.60 0.41 400.000.0汕頭方向K146+925～K146+8501.63 4.70 3.36 500.0120.0K152+150～K152+0901.17 2.10 1.29 400.000.0K197+560～K197+4901.43 2.87 2.10 400.000.0K3+615～K3+7503.09 9.66 5.00 7114.3228.6紫金西右K4+630～K4+6804.45 10.55 8.75 300.0133.3K4+975～K5+1052.68 7.83 7.14 600.0116.7K5+810～K5+9302.82 3.67 1.68 7114.300.0K1+010～K0+9351.54 2.23 1.35 400.000.0紫金西左K3+740～K3+8003.66 4.26 2.22 3133.300.0K4+680～K4+5802.35 6.98 5.94 500.0120.0K5+080～K4+9652.87 4.16 3.31 6350.000.0

表4 手推式斷面儀平整度部分統(tǒng)計結(jié)果行車方向樁號IRI平均值/(m·km-1)IRI最大值/(m·km-1)相鄰點(diǎn)差最大值/(m·km-1)測試點(diǎn)數(shù)3.54.3點(diǎn)數(shù)百分率/%點(diǎn)數(shù)百分率%K155+050～K155+1303.0915.386.257833.81823.1廣州方向K166+850～K167+0201.203.702.3516621.200.0K174+570～K174+6302.6210.954.345923.41423.7K193+660～K193+7602.2412.484.139755.21212.4K144+950～K144+8901.85 6.05 4.54 5946.858.5汕頭方向K146+925～K146+8502.08 10.12 4.23 7468.11114.9K152+150～K152+0901.83 9.49 6.78 5911.7813.6K197+560～K197+4901.55 6.97 3.67 6922.922.9K3+615～K3+7503.29 27.47 24.76 16695.44024.1紫金西右K4+630～K4+6805.06 23.57 17.34 4936.11632.7K4+975～K5+1052.70 17.55 12.97 12786.32620.5K5+810～K5+9302.93 12.23 8.28 117119.42622.2K1+145～K1+0803.77 15.47 7.91 6469.42234.4紫金西左K3+800～K3+7404.67 14.39 10.47 59813.62542.4K4+680～K4+5802.57 14.44 9.05 9811.01919.4K5+080～K4+9653.46 11.77 9.07 11287.13430.4

1) 采用多功能車共檢測25個沉降路段，其中有2個路段IRI平均值大于3.5m / km，分別為紫金西連接線右幅K4+630～K4+680、左幅K3+740～K3+800，IRI均值分別為4.45、3.66m / km，最大值分別為10.55、4.26m / km；有7個路段IRI相鄰點(diǎn)差最大值大于3.5m / km，其中廣州方向1個路段，汕頭方向1個路段，紫金西連接線右幅、左幅分別為3、2個路段。

2) 采用高精度斷面儀共檢測了25個沉降路段，其中有3個路段IRI平均值大于3.5m / km，分別為紫金西連接線右幅K4+630～K4+680、左幅K1+145～K1+080、K3+800～K3+740，IRI均值分別為5.06、3.77、4.67m/km，最大值分別為23.57、15.47、14.39m / km；有22個路段IRI相鄰點(diǎn)差最大值大于3.5m / km，廣州方向6個路段，汕頭方向7個路段，紫金西連接線右幅4個路段，紫金西連接線左幅5個路段。

3) 由以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，2種檢測方式下的IRI數(shù)據(jù)存在差異，其中高精度斷面儀所得數(shù)據(jù)更為精細(xì)，相同路段內(nèi)測試點(diǎn)數(shù)較多，可以同步輸出IRI數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)，為兩者之間的相關(guān)性分析提供可能；而多功能車檢測僅輸出IRI數(shù)據(jù)，無法與高程數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

3 平整度與高程相關(guān)性分析

3.1 數(shù)據(jù)擬合及可靠性分析

高精度斷面儀在測試路段起點(diǎn)相對高程為0，行進(jìn)過程中每0.025m輸出1個高程數(shù)據(jù)和平整度數(shù)據(jù)；為便于計算，對原始輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，每1m統(tǒng)計1次相對高程和平整度，繪制預(yù)處理后的相對高程-樁號曲線。該曲線代表實(shí)際路面線，因沉降后的實(shí)際路面曲線較為平滑，對相鄰點(diǎn)高程差較大(曲線變化明顯)路段采用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合并分析擬合可靠性，擬合示意圖見圖1。選取8個路段數(shù)據(jù)分別采用二、三、四次多項(xiàng)式擬合，擬合結(jié)果如表5所示，表中R2為相關(guān)系數(shù)的平方，用以評價擬合程度。

表5 多項(xiàng)式擬合結(jié)果多項(xiàng)式次數(shù)各路段R212345678平均值二0.957 30.9890.995 80.999 90.997 30.995 30.995 80.994 20.990 6三0.966 10.997 50.9960.999 90.997 40.995 80.997 50.999 60.993 7四0.990 80.999 50.997 50.999 90.999 30.996 90.998 80.999 60.997 8

由表5可知，選用不同多項(xiàng)式擬合的R2均大于0.9，表明擬合效果較好，可靠性高，擬合后的曲線可代替實(shí)際曲線用于計算[8]。其中二次多項(xiàng)式的計算較為簡便，故本文選用二次多項(xiàng)式擬合后的曲線進(jìn)行計算。

3.2 沉降指數(shù)數(shù)學(xué)模型建立

建立數(shù)學(xué)模型評價沉降程度并分析其與平整度的相關(guān)性，模型計算示意圖如圖2所示。曲線ABD為選用二次多項(xiàng)式擬合后的路面線，直線AB為原路面縱斷面，直線DE為路面縱斷面平移至與路面線相切后的直線，直線CD為直線AB和DE的公垂線，線段AB的長度d1表示測試路段路面縱斷面長度，線段CD的長度d2表示測試路段最大沉降值。

定義沉降指數(shù)為λ=d2/d1，由上文可知，d1、d2分別表示測試路段路面縱斷面線段AB的長度、測試路段最大沉降值(公垂線CD的長度)，則比值λ在數(shù)學(xué)模型上可作為曲線形態(tài)參數(shù)用于表征二次拋物線形狀，在路面沉降分析中可用于表征沉降程度大小。

圖2 模型計算示意圖

3.3 相關(guān)性分析

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型選取10個沉降路段計算沉降指數(shù)λ，并分析λ與IRI平均值的相關(guān)性，計算結(jié)果見表6、圖3 。

由圖3可知，高精度手推式斷面儀檢測中同步輸出的IRI和沉降指數(shù)λ有較好的相關(guān)性，各沉降路段的λ隨IRI增大而增大。可見，沉降會導(dǎo)致路

表6 IRI平均值與λ計算結(jié)果序號樁號IRI平均值/(m·km-1)沉降指數(shù)λ1汕頭方向K152+150～K152+1101.480.005 82紫金西線左幅K0+837～K0+7871.520.007 33汕頭方向K197+544～K197+5161.730.010 64紫金西線左幅K0+996～K0+9401.770.013 05廣州方向K193+670～K193+7502.560.018 56紫金西線右幅K5+810～K5+9303.160.020 77廣州方向K174+586～K174+6263.370.026 48紫金西線左幅K4+666～K4+6143.390.041 89紫金西線右幅K4+630～K4+6704.450.046 410汕頭方向K14+893～K14+8754.600.100 1

圖3 沉降指數(shù)λ與平整度IRI關(guān)系

面平整度變差，但平整度變差不一定是由沉降造成的。因此，在進(jìn)行路面沉降狀況評價時，優(yōu)先選擇高精度斷面儀獲取沉降路段高程數(shù)據(jù)，計算沉降曲線的沉降指數(shù)來評價沉降狀況。在儀器缺乏情況下，如果全路段沉降較多且密集，可以通過多功能車檢測的平整度來間接反應(yīng)路面沉降狀況。

《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定，高速公路瀝青路面的技術(shù)狀況評定等級為中級(IRI=3.5m / km)或中級以下時，需采取養(yǎng)護(hù)措施。由λ與IRI關(guān)系換算可得：當(dāng)沉降指數(shù)λ>0.05時，路面需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。

4 結(jié)語

針對瀝青路面缺乏沉降測試方法和評價指標(biāo)的現(xiàn)狀，本文依托實(shí)體工程路面沉降檢測項(xiàng)目，采用多功能車和手推式高精度斷面儀分別對沉降路段進(jìn)行平整度檢測，對高精度斷面儀輸出的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，繪制沉降曲線并建立沉降指數(shù)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而研究沉降指數(shù)與平整度的相關(guān)性。得到結(jié)論如下：

1) 手推式高精度斷面儀相比于多功能車在局部路段的平整度檢測中精度更高，且能輸出相對高程數(shù)據(jù)。

2) 采用二次多項(xiàng)式擬合沉降曲線的各路段R2均大于0.9，說明擬合效果好。

3) 優(yōu)先選擇高精度斷面儀獲取沉降路段高程數(shù)據(jù)，計算沉降曲線的沉降指數(shù)進(jìn)行路面沉降狀況評價。在儀器缺乏情況下，如果全路段沉降較多且密集，可以通過多功能車檢測的平整度來間接反應(yīng)路面沉降狀況。

4) 當(dāng)手推式高精度斷面儀在高速公路檢測中得到的λ>0.05時，路面需進(jìn)項(xiàng)養(yǎng)護(hù)維修。