基于落錘式彎沉儀與探地雷達(dá)的路面檢測與加固

許偉峰

（唐山市交通運(yùn)輸局公路工程處，河北 唐山 063000）

1 路面檢測技術(shù)現(xiàn)狀

我國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，相應(yīng)的傳統(tǒng)模式路面養(yǎng)護(hù)方法難以滿足新時代的要求，亟需進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)與提升。以某城市的一市政道路為例，其位置主要為山坡谷地，施工時采取拋石擠淤法完成填方路段施工，但受當(dāng)時的施工環(huán)境與現(xiàn)場條件限制，道路通行后病害嚴(yán)重，主要如唧泥、坑槽與翻漿等常年存在，且在經(jīng)過常規(guī)手段的幾次處理均未取得理想效果，維修效果較差。

隨著我國科技水平的發(fā)展，探地雷達(dá)技術(shù)在路面病害的檢測方面表現(xiàn)出了非常明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，比如無損、高精度、可透視、速度快等，因而得到了廣泛推廣，其能有效識別深層路面質(zhì)量隱患，探查出脫空、非一致沉降、裂縫等信息。該技術(shù)的原理是電磁波反射現(xiàn)象會在不同介質(zhì)（即介電常數(shù)各異）的接觸面位置產(chǎn)生，并經(jīng)過了無載脈沖、瞬態(tài)無載脈沖、高頻脈沖電磁波等技術(shù)發(fā)展形式。落錘式彎沉儀具有一系列檢測特點(diǎn)，如速度快、精度高等，可有效反映路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)信息，且可對路面通行的動荷載進(jìn)行模擬，再通過彎沉值測量反推出路面變形情況。

聚氨酯材料為由異氰酸酯與多元醇反應(yīng)而成的聚合物，兼具金屬韌性與橡膠彈性，最早由德國學(xué)者發(fā)現(xiàn)，其包括至少兩種異氰酸酯與羥基官能團(tuán)，在涂料、硬質(zhì)塑料泡沫以及黏合劑、彈性體等方面應(yīng)用廣泛。在20 世紀(jì)70 年代后，聚氨酯材料開始在工業(yè)與民用建筑的地基基礎(chǔ)加固、車間地坪、機(jī)場跑道以及板底脫空等相關(guān)病害處理中得到應(yīng)用。

2 工程概況

某城市的一市政道路建成于2007 年，自通行后，對中心城區(qū)的交通壓力起到了良好的分擔(dān)作用，但路面通行較多為重載車輛，由此導(dǎo)致路面出現(xiàn)相應(yīng)的坑槽、翻漿與滲水等病害，傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)與治理措施難以根治。通過調(diào)查與踏勘發(fā)現(xiàn)，該路段主要位于山坡谷底，路基施工時主要采取拋石擠淤法填方而成。

3 路面病害檢測方法

3.1 落錘式彎沉儀

路面彎沉值能對路面結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行有效表征，采用單位為0.01mm，其主要是測量路面產(chǎn)生的垂直回彈變化量與總變形，且需要在標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用下進(jìn)行，并得出回彈彎沉與總彎沉。該指標(biāo)值能夠反映路面在發(fā)生設(shè)定的損壞狀況前，其可以實現(xiàn)的通行車輛作用累積次數(shù)和使用年限。

本文采用Dynatest8000 FWD 型號的落錘式彎沉儀，其所施加荷載的變化方法是調(diào)整錘的重量與高度，加載取值區(qū)間為7～120kN。對于脈沖荷載作用于路面的方式，則主要是通過提升并落錘步驟實現(xiàn)，并由計算機(jī)進(jìn)行液壓控制。該儀器共包括W1-W9 九個傳感器，如圖1，最小測量值為1μm，系統(tǒng)誤差為±2%，此儀器能高效模擬車輛載荷的動力作用，并具有檢測速度快、變形識別精度高的特點(diǎn)，且可對路面通行的動荷載進(jìn)行模擬，再通過彎沉值測量反推出路面變形情況。

圖1 落錘式彎沉儀的檢測示意

3.2 探地雷達(dá)技術(shù)

探地雷達(dá)（GPR）技術(shù)的工作原理通過高頻電磁波的傳播與反射信息，經(jīng)過技術(shù)手段轉(zhuǎn)換與處理，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部雷達(dá)圖像的呈現(xiàn)?；驹硎牵焊哳l電磁波由天線發(fā)出，于路面構(gòu)造介質(zhì)中進(jìn)行傳播，并在介電常數(shù)各異的物質(zhì)接觸面處發(fā)生發(fā)射，再次由接收天線接收獲取后，經(jīng)由去噪、濾波以及模型構(gòu)建等技術(shù)處理，從而獲得路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的雷達(dá)顯示圖像。

探地雷達(dá)所能夠探測的深度一般與受檢物質(zhì)的磁導(dǎo)率及相對介電常數(shù)有關(guān)，且呈反比關(guān)系，即磁導(dǎo)率越小，天線中心頻率會越大，而探測深度則越深。

4 非開挖加固技術(shù)

對于路面以下的半剛性基層而言，其發(fā)生的病害往往較難識別，且治理時難度較大，其常導(dǎo)致路面表層出現(xiàn)坑槽、翻漿等典型問題，傳統(tǒng)上采取的挖掉重鋪、封縫或加鋪等相關(guān)的表面處理方案，沒有從根本上切入問題，也無法將其根治。本文為克服路面中下層的隱患，實施了高聚物注漿工藝。研究顯示，高聚物注漿材料的損耗模量大于其儲能模量，且流變性能良好，相位角亦在45°以上，在交變應(yīng)力復(fù)雜條件下，主要產(chǎn)生黏性變化。在半剛性基層病害位置，按設(shè)計要求進(jìn)行高聚物材料注漿后，可快速形成一定程度的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并能有效支撐其自身結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)加固效果。

同時，高聚物注漿材料在溫度上升時的黏度相應(yīng)快速增大，加快凝結(jié)固化用時，可在不同環(huán)境溫度下通過注漿設(shè)備的加熱溫度改變來保證適用性與材料性能。另外，高聚物注漿材料的具有非常明顯的膨脹特點(diǎn)，且一般分為三個階段。例如采用某固定容器進(jìn)行試驗時，選擇密度為0.17g/m3的高聚物注漿材料，第一階段時，其僅是較為緩慢地擴(kuò)張，時間約在20s 內(nèi)，但材料還沒有全部充填空腔，故而不存在膨脹力；進(jìn)入第二階段后，材料在20～40s 內(nèi)快速膨脹，并將固定容器完全充填，此時的膨脹力達(dá)最大設(shè)計值80%以上，且化學(xué)反應(yīng)還在進(jìn)行中，材料體積仍保持增大，但受到容器限制，密度和膨脹力相應(yīng)增大。進(jìn)入第三階段后，膨脹力仍在變大，但速度較緩，時間約為從60s 至反應(yīng)完成，表明該階段還存在微弱的化學(xué)反應(yīng)。

綜上所述，高聚物注漿材料可實現(xiàn)與巖土體的良好協(xié)調(diào)，質(zhì)量較輕，不會產(chǎn)生多余的負(fù)載，且具有較好等流變性、韌性與膨脹性，膨脹力最大可達(dá)10MPa，將其應(yīng)用與路面半剛性基層的病害處后，能對脫空處體積實現(xiàn)快速充填，并擠壓鄰近土體，使其密實，同時將多余的積水排出。另外，該高聚物注漿材料能在基層材料的孔隙之間進(jìn)行滲透，有效充填縫隙并提升路面強(qiáng)度，且該材料不存在水分，沒有干縮現(xiàn)象，能將脫空位置徹底填密。

5 技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

5.1 檢測方案設(shè)計

5.1.1 探地雷達(dá)檢測方案設(shè)計

本文應(yīng)用的探地雷達(dá)裝置主要構(gòu)成有電腦連接件、控制主機(jī)、天線，型號為SIR-30E，采取的天線具有收發(fā)一體功能，設(shè)定400MHz 頻率。裝置應(yīng)用時屬于連續(xù)式采集，采樣間距2cm，指數(shù)增益，36ns采集時窗。

沿測試道路的車輛通行方向進(jìn)行雷達(dá)探測斷面設(shè)置，于每個車道的左右輪跡位置分別設(shè)置2條測線，考慮現(xiàn)場施工實際情況，測線可適當(dāng)加密布置，從而滿足病害范圍的精確定位需求。

探地雷達(dá)應(yīng)用時，主要涉及的處理步驟包括初始數(shù)據(jù)記錄、文件編輯、水平校核、水平與垂直濾波操作、顏色更替、注釋、最終數(shù)據(jù)輸出等。其中，對于系統(tǒng)自身噪點(diǎn)，高通濾波方法是較為有效的處理措施；而對于高頻噪聲，可借助低通濾波消除。同時，在數(shù)據(jù)處理時，可采取偏移濾波手段，以此既除去繞射波的影響，也避免了傾斜波的干擾。

本工程采取探地雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，相繼進(jìn)行了校正零點(diǎn)、校正剖面距離與調(diào)整增益等處理，基于雷達(dá)波形建立同向軸，對資料進(jìn)行人機(jī)交互式解釋，從而將路面各結(jié)構(gòu)層界面與中下層缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確勾畫。

5.1.2 落錘式彎沉儀檢測方案設(shè)計

本工程對該市政道路東行段進(jìn)行長約100m 的彎沉值檢測，在測點(diǎn)處標(biāo)記檢測信號，具體應(yīng)用參數(shù)同本文3.1 節(jié)。荷載設(shè)置為5t，對于檢測點(diǎn)的具體位置，可將其主要分布于車道右輪跡，相隔間距為5m。

5.2 非開挖加固方案設(shè)計

對于注漿孔的布置方案，往往視路面病害的性質(zhì)特點(diǎn)而定。本次注漿孔的深度達(dá)路基的頂端，直徑為16mm。按照注漿的修復(fù)要求，對注漿管具體長度進(jìn)行針對性確定?？孜辉O(shè)置時，權(quán)衡整條車道的補(bǔ)強(qiáng)加固范圍，應(yīng)由路肩到路中間逐序布孔，間距為0.6m、1.5m、1.5m、0.9m。而在車道通行的方向上，布孔間距可設(shè)定為1m。見圖3。

圖3 注漿孔位布置示意圖

注漿加固實施時，先采用沖擊鉆對準(zhǔn)之前標(biāo)記的孔位，鉆進(jìn)至設(shè)計深度后停鉆，并清理干凈泥漿，保證路面整潔無污，然后將不同長度的注漿鐵管塞入成孔完畢的注漿孔之中，接著清理干凈注射帽的凹形邊沿處，并將其安裝至注漿管的端口，保證兩者結(jié)合良好，最后確定好所需注漿量（具體根據(jù)病害修復(fù)情況調(diào)整確定），用夾具固定牢注射帽和注射槍，從而為裝置提供一定的壓力。將高聚物注漿料的兩種組分A料與B 料分別經(jīng)由管道輸送至注射槍口，使其沿著注漿管到達(dá)需要處理的路面中下層隱患處，并由此產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，快速發(fā)生體積膨脹，該過程中注漿料由液體逐漸變?yōu)楣腆w，充填滿隱患位置，并具備一定的支撐力，實現(xiàn)病害根治。

在注漿施工完成后，采用本文所述的落錘式彎沉儀與探地雷達(dá)技術(shù)，對病害路段的整治效果進(jìn)行檢測與評估，其中注漿帽應(yīng)由專用工具去除。若檢測效果不合要求則繼續(xù)施行注漿工藝。實踐中，對于路面中存在的注漿孔，可考慮使用道路密封膠進(jìn)行封堵，且應(yīng)使封堵后的注漿孔頂端平面標(biāo)高低于道路路面，從而避免受到損壞與侵蝕。完成環(huán)境清掃后，即可開放交通。

5.3 注漿加固的效果評價

5.3.1 探地雷達(dá)檢測的效果評價

探地雷達(dá)檢測的效果評價主要參照雷達(dá)剖面圖，其能顯示出各結(jié)構(gòu)層的分界情況，且可據(jù)此判斷路面下的缺陷位置與大小，通過前后對比評估注漿加固的有效性。在本案例的剖面圖中，其顯示的主要病害為松散以及不密實，且病害均處于路面中下層位置。經(jīng)過注漿加固后，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)剖面圖中的反射信號幅度存在顯著的下降趨勢，且圖像整體較為均勻，沒有明顯的反射界面，表明原本松散與不密實區(qū)域已被高聚物注漿材料所充填，加固效果較為理想。

5.3.2 落錘式彎沉儀檢測的效果分析

根據(jù)落錘式彎沉儀的檢測結(jié)果，在注漿之前，本次檢測的路面彎沉值最小為72μm，最大為284μm，平均為150μm。而完成注漿加固工藝的24h 后，檢測的路面彎沉值最小為57μm，最大為172μm，平均為113μm，相比注漿前降低約40μm，路面彎沉值降幅達(dá)20%，表明注漿加固效果較為理想。

5.3.3 道路修復(fù)前后的效果分析

在注漿加固修復(fù)前，本工程的道路坑槽與翻漿現(xiàn)象嚴(yán)重，尤其是下雨后，且通過多種傳統(tǒng)加固技術(shù)處理后效果均未達(dá)到預(yù)期。而應(yīng)用本次高聚物注漿材料進(jìn)行注漿加固后，道路的表面病害得到了有效控制與緩解，使用狀況逐步好轉(zhuǎn)，進(jìn)一步驗證了該方案具有可行性。

6 結(jié)論

（1）對于路面中下層位置存在的病害而言，其一般較為隱蔽，而探地雷達(dá)技術(shù)可以對其進(jìn)行高效識別，聯(lián)合例行巡查和基礎(chǔ)資料，能將病害的區(qū)域和具體深度等情況實現(xiàn)初步確定，從而為后續(xù)高聚物注漿實施提供基礎(chǔ)信息。

（2）在重載交通路面的受力性能方面，落錘式彎沉儀能夠?qū)崿F(xiàn)較為準(zhǔn)確的表征，配合應(yīng)用探地雷達(dá)，可有效保證路面健康評價的精確性。

（3）對于路面存在的坑槽、翻漿等常見病害，采用高聚物注漿技術(shù)的成本不大，且可深入中下層缺陷根源處，實現(xiàn)根治，同時，能避免傳統(tǒng)開挖式加固的不足，如交通中斷、環(huán)境污染等社會負(fù)面影響，具有良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益。