浅谈水泥混凝土路面板底脱空检测评价方法

摘 要：分析了水泥混凝土路面板底脱空形成及其演变过程，给出判别板底脱空是否存在及其大小的检测方法及评价指标，总结了不同的检测评价方法的特点及适用性。

关键词：水泥混凝土路面，脱空，评价方法

中图分类号： TU37文献标识码： A

0 引言

水泥混凝土路面在行车荷载和环境因素的作用下出现的损坏可以分为断裂、变形、接缝损坏及表面损坏四类。由于水泥混凝土路面设置了纵横向接缝，在降水量大、接缝填封料失效的情况下，下渗到基层或垫层内的水常积滞在路槽内，从而侵蚀基层、垫层和路基，形成局部的脱空，造成唧泥、错台、板角开裂和传力杆锈蚀的出现[1]。

1 板底脱空形成机理

同济大学周玉民、谈至明等人根据现场调研得出水泥混凝土路面板底脱空可分为结构性脱空和唧泥型脱空两类。结构性脱空是指水泥混凝土路面板底因温湿度翘曲变形及基层塑性变形累积等原因形成的脱空，其脱空程度和量级都较小，对板的应力挠度影响不大，但它为最初的板底滞留水提供存储空间。若雨水能通过接缝渗入结构性脱空区，且基层材料不耐冲刷，则在行车荷载重复作用下，板底冲刷唧泥，细颗粒不断被带出，导致结构性脱空区不断发展扩大，形成所谓的唧泥型脱空，如图1所示。

图1 水泥混凝土路面的唧泥

根据对行车荷载及温度梯度作用下路面板的弯沉分布规律的计算分析，以及路面板现场观测到的所谓“前冲后淤”现象，推定横缝不设传力杆路面的板底脱空的一般演变发展规律是先板角后横缝，然后形成四边脱空状，且行车方向的前板板底脱空区明显大于后板，如图2所示[2]。

(a) 板角脱空(b) 板角+横边脱空(c) 板角+横边+纵边脱空

图2 单块板板底脱空一般图式

2 板底脱空检测方法及评价指标的发展

当前，水泥混凝土板下脱空检测技术主要有4类：一类为经验判别法（人工判别）；一类为声振判别方法（通过声音回波变化识别）；一类为弯沉指标判别方法（贝克曼梁、落锤式弯沉仪）；以及探地雷达识别（电磁波反射识别）等方法。

对于显性的板底脱空，可以通过是否存在错台、唧泥现象或敲击辨声等方法来判断；对于隐性的板底脱空，检测手段主要以FWD、探底雷达为主。FWD以测定板边弯沉差、截距法、夹角法、弯沉值与荷载的斜率法、弯沉盆曲线的平缓度来判定是否存在板底脱空；探底雷达主要以介电常数、路面各层面回波形状来确定，目前定量的指标还不太成熟，主要依靠使用者的经验判断。

2.1、经验判别法

经验判别是通过敲击声音的变化、车辆经过时震动情况、雨天唧泥情况等加以判断，对人的经验要求较高。经验判别法是一种定性的检测方法，受检测者经验等人为因素大。

2.2、声振判别方法

声振法通过激励被测混凝土路面产生机械振动（声波），测量其振动的声学特征来判定板下是否存在脱空的技术。通过传声器（麦克风）采集声音信号，然后提取声信号的频域特征，判别路面是否脱空。声振法是一种定性分析的方法，其主要的优点在于设备造价低廉、检测速度迅捷、实用性和操作性强等。

2.3、探地雷达法检测及评价

探地雷达是一种宽带高频电磁波信号探测方法，它发射天线将高频（106~109 Hz或更高）的电磁波以宽带短脉冲的形式送入地下，被地下介质（或埋藏物）反射，然后由接收天线接收，利用电磁波在路面结构层和路基中的传播和反射，根据回波的传播时间、波幅与波形，确定目标体的空间位置或结构。

电磁波理论认为当雷达脉冲在地下进行传播的过程中，遇到不同电性介质交界面时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射，再使用相应雷达资料处理软件对数据文件进行预处理、增益调整、滤波和成图等方法的处理，最终得到各测线的成果图，以此分析水泥混凝土板下是否脱空，基层是否完好。

探地雷达检测后的判断方法，主要是通过对检测得到的图像进行分析。目前，超声波探地雷达应用于水泥混凝土路面脱空检测的研究已有开展，但设备昂贵，而且脱空识别的精度和根据测量数据进行脱空评定的方法还不够完善，也没有明确的技术指标及其判断标准，主要是由经验丰富的专家进行分析判断。

2.4、弯沉指标判别方法

目前通过弯沉指标判断板底脱空的方法很多，包括贝克曼梁脱空判别法和落锤式弯沉仪检测法。贝克曼梁弯沉仪（Benkelman Beam，BB）是1953年在AASTO道路试验时研制的，正是AASTO道路试验将弯沉指标首次应用于刚性路面的评价中。我国《公路水泥混凝土路面养护技术规范》（JTJ073.1-2001）中规定，采用用黄河JN150作为检测车，其后轴重100kN，用5.4m贝克曼梁检测板角和板边的弯沉，凡弯沉值大于0.2mm判定为脱空。该方法的特点是操作简单、精度较高和设备要求不复杂，是工程单位常采用的一种方法。

落锤式弯沉仪（Falling Weight Deflectometer，FWD）是目前先进的路面弯沉检测设备，它具有无破损、测速快、精度高等优点，并很好地模拟了行车荷载作用，检测结果为弯沉盆数据，其应用范围主要是在路面养护管理（比如脱空检测与评定、路面结构承载力测定等）方面。落锤式弯沉仪仍以弯沉作为判别指标，常采用弯沉对比法，即由FWD实测的弯沉与理论计算弯沉Wc'进行比较，当Wc>Wc'，说明混凝土板下存在脱空。此外还利用板边弯沉差、截距法、夹角法、弯沉值与荷载的斜率法、弯沉盆曲线的平缓度来判定是否存在板底脱空。

继落锤式弯沉仪之后，新一代滚轮式弯沉仪（Rolling Wheel Deflectometer，RWD）正处于研究阶段，它是采用高频激光扫描，连续地记录行驶中的测试车在路表产生的弯沉，所得弯沉结果更为符合实际，具有实时、准确和高效的特点，但应用于路面板脱空检测还有待时日。

（1）多级加载轴距法

轴距法是根据FWD的检测结果回归得到不同荷载作用下弯沉盆中心处弯沉值和荷载的线形关系，进一步计算得到该回归曲线的弯沉截距值，进行判断，见示意图3。

图3 FWD截距法计算示意图图4 夹角计算法示意图

根据图9可知，当回归后得到的弯沉值截距大于50um时，认为其板下出现脱空，当该值小于50um时，认为其板下不存在脱空。

（2）弯沉盆夹角法

夹角法是利用FWD检测得到的弯沉盆曲线进行脱空的判断。首先画出弯沉盆曲线图，对距离FWD承载板中心处30cm与180cm的弯沉测试点进行连线，经过距FWD承载板中心180cm的弯沉测试点作一水平线，利用这两条直线之间的夹角Q进行脱空判断，见图4[3]。

通过反正切公式可以计算出Q，但是由于实际测试中Q值非常小，通常计算时统一把距FWD承载板中心距离为30cm与180cm的弯沉点之间的水平距离统一为609.6um来放大计算的结果，以便于直观的判断脱空，Q的计算公式为：

（2-1）

式中D30、D180分别表示距FWD承载板中心30cm、180cm处传感器测得的弯沉值，如果Q大于等于22°，则认为板底存在脱空，否则认为板底不存在脱空。

（3）弯沉值与荷载的斜率

FWD测量得到的弯沉盆曲线含有荷载作用下的水泥路面板大量的响应信息，荷载状态下弯沉盆曲线的形状和特性将会发生变化。针对脱空与非脱空状态下，FWD荷载作用下的弯沉盆曲线特征分析，同时利用有限元对FWD的加载过程进行数值模拟，根据理论计算结果：弯沉值与荷载的斜率能够用于对板底是否脱空的判断，但需要针对荷载作用位置的不同，提出不同的标准。同时该标准还与路面结构状况有很大关系。

（4）弯沉盆曲线的平缓度

通过理论研究分析及计算可知，在某些脱空状况下，FWD测量得到的弯沉盆曲线会在一定的范围内趋于平缓，即随着离FWD作用中心的距离的增加，弯沉值减小缓慢或出现增大的趋势，与不存在脱空时相比，随着离FWD作用中心距离的增加，弯沉值迅速减小，但该指标并未计算相应标准，在实际应用过程中，可以根据FWD测量的弯沉盆曲线直接进行人工判断。

（5）弯沉指数法

影响路面板在荷载作用下的弯沉因素很多，板上任意一点的弯沉与荷载和路面结构有关，荷载因素包括荷载大小P、荷载作用面积S，荷载中心点作用位置（xp、yp）、路面结构因素包括面层平面尺寸（板长L、板宽B）、面层厚度h1、面层模量E1，基层厚度h2、基层模量E2、土基模量k、基层超宽Ba，层间接触状况c、传力杆剪切刚度Cw、脱空大小Lv。

若以单一弯沉指标进行板底脱空的判别，需要考虑的因素太多，因此引入板角和板中弯沉比值的弯沉指标值，定义为弯沉指数DI，其定义描述如下。

DI= wl / wz（6-2）

式中：wl——荷载作用于板角位置时板角测试点的弯沉值；

wz——荷载作用于板中位置时板中测试点的弯沉值。

这样可将荷载作用大小P与面积S、地基参数k几方面因素对弯沉的影响以比值的形式消除，将面层参数（面板厚度h1，面层模量E1）以刚度半径l一个参数表征，从而使得参数简化，通过归纳得到路面板平面尺寸影响系数、接缝传荷影响系数、板角脱空影响系数的回归计算式，并研究测点偏移、温度梯度和半刚性基层超宽等因素对实测弯沉的影响，在此基础上建立利用FWD和贝克曼梁弯沉试验结果定量判断板角脱空范围的方法，并通过室内试验及现场弯沉测试对该方法进行验证[4]。

3 小结

通过对水泥混凝土路面板的损坏调查发现接缝处由于水的渗入及行车荷载的反复作用，造成接缝处基层的水冲刷，从而形成板底脱空，通过对板底脱空的形成机理分析及演变发展规律的推定，得出了板底脱空主要发生在路肩侧的行车道边缘，且沿着车辆行驶方向，驶近板板角处较驶离板板角处脱空明显，然后回顾了路面弯沉检测设备的发展演变及其各自的工作原理与测试方法，并总结了板底脱空检测的几种判别方法，重点对利用FWD弯沉数据及弯沉盆特征判断板底脱空的方法进行详细介绍。

参考文献：

姚祖康．水泥混凝土路面设计，安徽科学技术出版社，1999

周玉民. 水泥混凝土路面脱空状态下的结构分析[D], 同济大学硕士论文，2004

李昌铸，卢铁瑞，刘月莲等. 水泥混凝土路面再生利用关键技术，人民交通出版社，2010

赵军. 刚性路面板底脱空检测评定的理论与方法[D]，同济大学交通运输工程学院博士论文，2006