無損檢測方法在機場注漿工程中的應(yīng)用研究

王甫來，劉海倫

(1.青島國際機場集團有限公司， 山東青島，266108;2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海市200092)

無損檢測方法在機場注漿工程中的應(yīng)用研究

王甫來1，劉海倫2

(1.青島國際機場集團有限公司， 山東青島，266108;2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海市200092)

機場注漿工程屬于地下隱蔽工程，對施工質(zhì)量的把控尤為重要。采用FWD彎沉儀的無損檢測方法具有原位測試、速度快、不破壞道面結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，可以對注漿效果進行有效評價。對現(xiàn)有無損檢測方法進行了綜述，并依托山東某機場實際注漿工程，介紹了基于FWD彎沉測試的注漿效果評價實施方案，提出了機場注漿效果評價的方法。

無損檢測;機場;注漿工程;FWD;注漿效果評價

0 引言

通過對道面的不斷改擴建，機場道面的使用壽命得以延續(xù)。道面基礎(chǔ)屬于隱蔽工程，通常采用注漿的方法對基礎(chǔ)進行處置。注漿具有對道面破壞小，可以在不停航條件下施工的優(yōu)點，在國內(nèi)多個機場得到成功應(yīng)用。由于注漿工程屬于地下隱蔽工程，對施工質(zhì)量的把握及注漿效果的評價尤為重要。相比于有損檢測方法，無損檢測方法具有原位測試、速度快、不破壞道面結(jié)構(gòu)、檢測后不需修補等優(yōu)點，可在注漿效果評價中發(fā)揮重要作用。本文依托實際注漿工程，詳細討論了無損檢測方法在注漿效果評價中的應(yīng)用。

1 無損檢測方法綜述

機場道面結(jié)構(gòu)檢測主要分為無損檢測(Non-destructive Testing，NDT) 和 有 損 檢 測(Destructive Testing-DT)兩類。有損檢測技術(shù)一般是指現(xiàn)場鉆取道面試件的芯樣，通過室內(nèi)實驗獲得道面結(jié)構(gòu)的參數(shù);無損檢測主要包括彎沉檢測、地探雷達(Ground-Penetrator Radar，GPR)、瑞雷波法(Spectral Analysis of Surface Waves，SASW)、紅外熱成象法(Infrared Thermography，IR)等方法。主要無損檢測設(shè)備及其分類如圖1所示。由于無損檢測具有原位測試、速度快、不破壞道面結(jié)構(gòu)，檢測后不需修補等優(yōu)點，在機場道面檢測方面有很大優(yōu)勢，因此機場道面結(jié)構(gòu)強度檢測多采用無損檢測。美國聯(lián)邦航空局(FAA)在民用機場道面評價技術(shù)研究方面處于領(lǐng)先地位，其咨詢通報AC (Advisory Circulars):150/5370-11(1976)［1］用于指導(dǎo)基于無損檢測方法的道面荷載適應(yīng)性評價，近年來在道面結(jié)構(gòu)無損檢測與評價技術(shù)方面開展了較多研究。如AC:150/5370-11 a(2004)［2］介紹了道面彎沉的無破損測試設(shè)備和方法，并給出道面結(jié)構(gòu)參數(shù)反演方法和程序BACKFAA。國內(nèi)道面評價技術(shù)起步較晚，2009年中國民用航空局頒布《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》［3］。中國民航機場工程科研基地開展了道面無損檢測技術(shù)研究，編制了《民用機場飛行區(qū)場道現(xiàn)場測試規(guī)程》(報批稿)。

圖1 無損檢測設(shè)備分類圖

由于撓度能夠直觀地反映道面結(jié)構(gòu)整體剛度，在道面結(jié)構(gòu)設(shè)計與評價中獲得了廣泛的應(yīng)用。在各種彎沉檢測方法中，以重型落錘式彎沉儀(FWD)為代表的彎沉檢測設(shè)備能夠提供多點彎沉(彎沉盆)信息，而且現(xiàn)場測試速度快，荷載級位調(diào)整方便，加載形式與“輪載-道面”相互作用形式較好的吻合，在機場特別是繁忙機場道面檢測中具有很大優(yōu)勢，因此，基于FWD彎沉測試的道面結(jié)構(gòu)檢測方法已經(jīng)成為目前國內(nèi)外道面結(jié)構(gòu)檢測的主要手段。FWD通過計算機控制下的液壓提升并釋放一重錘，從而對道面施加脈沖荷載。荷載大小通過改變錘重和提升高度來調(diào)整，并通過剛性圓盤作用到道面上。在離荷載中心一定范圍內(nèi)設(shè)定5～9個彎沉傳感器，以記錄道面表面各點的變形，即動態(tài)彎沉盆。根據(jù)彎沉盆特性可反算路基道面各層材料的動態(tài)彈性模量，作為道面結(jié)構(gòu)性能的評價依據(jù)。對于水泥混凝土道面，還可用來判定接縫傳荷能力以及板底脫空狀況。脈沖式彎沉儀測試示意圖見圖2。

圖2 FWD彎沉測試示意圖

GPR探地雷達是近年來發(fā)展起來的一種快速無損探測技術(shù)。以往通常是采用鉆芯方法獲取道路的內(nèi)部信息，如材料損傷、厚度、裂縫和結(jié)構(gòu)分層等。鉆芯取樣得到的信息準確、直接，但其缺點是只能得到取樣點局部的信息，且取樣過程費時費力、成本高，還會對道路造成損壞，因此，通常鉆芯數(shù)量很有限，對大面積評價代表性不足。探地雷達為獲取道路內(nèi)部信息提供了一個較好的方法。該方法是利用介質(zhì)電性不同原理進行探測的一種電磁波探測方法，具有探測速度快、對探測對象無損害、可得到連續(xù)成像信息等優(yōu)點，在淺層地層結(jié)構(gòu)、地下隱蔽物或隱蔽缺陷的探測方面得到了廣泛的應(yīng)用。探地雷達主要由主控系統(tǒng)和收發(fā)系統(tǒng)組成。典型的探地雷達系統(tǒng)如圖3所示。然而，探地雷達實際應(yīng)用中最有效的是道路面層結(jié)構(gòu)與厚度檢測，而在道路面層下的隱伏病害的探測與識別解釋上存在一定問題，故實際應(yīng)用較少。

圖3 探地雷達系統(tǒng)

2 依托注漿工程介紹

2010年，山東某機場道面檢測評估結(jié)果顯示，停機坪A2區(qū)、A3區(qū)、A4區(qū)和A5區(qū)的脫空率高達100%、94.6%、51.7%和100%。脫空區(qū)域位置示意見圖4中陰影部分。

圖4 脫空區(qū)域位置示意(陰影部分)

道面板底脫空的存在使得基層對道面板塊的支撐作用降低，從而使道面板塊內(nèi)的荷載應(yīng)力增大，導(dǎo)致道面結(jié)構(gòu)承載能力下降。研究表明，脫空嚴重時道面板塊內(nèi)的荷載應(yīng)力會增大80%以上。脫空板塊在飛機荷載作用下易產(chǎn)生突發(fā)性斷板現(xiàn)象，嚴重影響飛機正常運行安全。

目前，對道面板底脫空較為有效的處治方式是注漿。通過注漿，可以填充道面板與基礎(chǔ)間空隙，使道面板底的支撐條件得到有效改善，道面結(jié)構(gòu)的受力條件得到改善，同時可以增強基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性，而且可以提高基層的強度和剛度。注漿法具有對道面破壞小，可以在不停航條件下施工的優(yōu)點，在國內(nèi)多個機場得到成功應(yīng)用。本次采用注漿法處治停機坪區(qū)域脫空現(xiàn)象。由于注漿是將水泥或其它漿液注入道面板底基礎(chǔ)空隙之中，通過擠壓等方式填充道面板基礎(chǔ)中存在的空隙，屬于地下隱蔽工程，對施工質(zhì)量的把控尤為重要。

3 FWD檢測實施方案

采用FWD落錘式彎沉儀原位測試的方法可以對注漿效果進行評價。具體方法為:在注漿前對施工區(qū)域道面進行抽樣彎沉測試，并對所有測點進行精確定位和現(xiàn)場標注，待注漿養(yǎng)護后再對這些點位進行原位測試。

現(xiàn)場測試時，現(xiàn)場測試起點應(yīng)設(shè)置明顯標注，便于注漿完成后進行原位測試。A2-A4區(qū)域沿相應(yīng)道面滑行線兩側(cè)各布置一條測線，相鄰測試板塊擬平均間隔2塊板，中線兩側(cè)測點交叉布置;A5布置4條測線覆蓋注漿區(qū)域。每條測線測點間平均間隔3塊板。現(xiàn)場測線分布示意見圖5。

對每塊測試板選取板邊中點、板塊中心以及板角3個測點分別進行彎沉測試(見圖6)。綜上，A2～A5停機坪注漿區(qū)域共計測試板塊約260塊，單次測試測點總數(shù)約780組，注漿前后總計測點約1 560組。

圖5 FWD測線布設(shè)方案

圖6 板塊FWD荷載點位布置示意圖

4 注漿效果評價方法

基于注漿前后的兩次FWD彎沉原位測試，注漿效果可以通過以下3個方面進行評價:基礎(chǔ)均勻性、脫空及接縫傳荷、道面結(jié)構(gòu)承載能力。

4.1 基礎(chǔ)均勻性評價

對所有測點彎沉測試數(shù)據(jù)(D0點彎沉)的分布規(guī)律進行統(tǒng)計分析，通過前后兩次測試數(shù)據(jù)的變異系數(shù)的變化可以反應(yīng)基礎(chǔ)均勻性的變化，注漿后D0點彎沉變異系數(shù)較注漿前變小則表明基層均勻性得到了提高;通過對每個測點的注漿前后彎沉測試數(shù)據(jù)(D0點彎沉)的對比來評價注漿效果。

4.2 脫空及接縫傳荷評價

飛行區(qū)板塊的接縫傳荷能力以彎沉比傳遞系數(shù)Lw作為評價指標，現(xiàn)場測試時傳感器布置如圖7所示。板邊、板角脫空情況的判定指標采用“板邊/板中”和“板角/板中”彎沉的比值，判定標準采用《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》(MH/T5024-2009)［3］中推薦的技術(shù)標準(見表1)。

圖7 接縫傳荷能力測試傳感器布置示意圖

表1 接縫傳荷能力分級標準(Lw標準)

考慮到接縫傳荷性能對道面彎沉以及脫空判定結(jié)果的影響，脫空狀況修正標準進行脫空判定，標準見表2。

表2 道面板底脫空狀況評價結(jié)果

4.3 道面結(jié)構(gòu)承載能力評價

通過彎沉分析、結(jié)構(gòu)層模量反算以及ACNPCN計算評價注漿后的道面結(jié)構(gòu)承載能力，以驗證注漿處治效果。

4.3.1 彎沉分析

通過對每個測點的注漿前后彎沉測試數(shù)據(jù)(D0點彎沉和D8點彎沉)的對比，以及FWD彎沉盆形態(tài)分析來評價注漿效果。其中D0值主要與道面整體結(jié)構(gòu)強度有關(guān)，而D8值主要與基礎(chǔ)剛度有關(guān)。

4.3.2 結(jié)構(gòu)層模量評價確定

水泥混凝土彈性模量、基層頂面反應(yīng)模量等參數(shù)宜通過FWD彎沉測試數(shù)據(jù)進行反演分析和計算。其中，基層頂面反應(yīng)模量K值的大小是注漿評估中的重要技術(shù)參數(shù)。根據(jù)FWD彎沉盆數(shù)據(jù)進行模量反演時，宜采用基于彎沉盆面積指數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)反演方法計算，彎沉盆面積指數(shù)的技術(shù)要求可參照《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》，水泥混凝土的彈性模量Er和基層頂面的反應(yīng)模量K的反演計算公式如下:

式中:K為基層頂面的反應(yīng)模量，MN/m3;q為FWD測試承載板接地應(yīng)力，MPa;r為FWD測試承載半徑，取值為0.15 m;(l)為荷載中心位置處的彎沉

式中:Er為水泥混凝土板的彈性模量，GPa;μ為水泥混凝土材料的泊松比，取值為0.15;l為道面結(jié)構(gòu)的相對剛度半徑，m;h為道面結(jié)構(gòu)的有效厚度，m。

4.3.3 ACN-PCN技術(shù)評價

國際民航組織于1983年在《機場設(shè)計手冊》(Aerodrome Design Manual， Part 3)［4］中正式公布ACN-PCN評價方法，作為通報機場道面強度的標準方法。通過對比機場道面注漿前后的道面PCN數(shù)值對注漿效果進行評價。系數(shù)，m-1;d0為荷載中心處彎沉值，m。

［1］ Advisory Circular 150/5370-11 Use of Nondestructive Testing Devices in the Evaluation of Airport Pavements［S］， dated 6/5/1976. Federal Aviation Administration， USA Department of Transportation， Washington， D.C.

［2］ Advisory Circular 150/5370-11a Use of Nondestructive Testing Devices in the Evaluation of Airport Pavements dated 2004［S］. Federal Aviation Administration， USA Department of Transportation， Washington， D.C.

［3］ MH/T 5024-2009，民用機場道面管理與評價規(guī)范［S］.

［4］ ICAO. Aerodrome Design Manual， Part 3， Pavements， 2nd ed［M］. Montreal: International Civil Aviation Organization， 1983.

U415

B

1009-7716(2015)04-0184-03

2014-12-05

王甫來(1980-)，男，山東膠南人，工程碩士，工程師，從事民用機場工程建設(shè)管理工作。