聲振法在水泥混凝土路面質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

劉偉

新疆路橋橋梁工程建設(shè)有限責(zé)任公司 新疆 烏魯木齊 830000

1 引言

公路交通作為基礎(chǔ)設(shè)施中不可或缺的一環(huán)，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。自改革開放以來，我國公路建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展，公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和道路養(yǎng)護(hù)維修等投入不斷加大，公路運(yùn)輸不僅成長為一個(gè)獨(dú)立的基礎(chǔ)性經(jīng)濟(jì)發(fā)展體系，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了起點(diǎn)到終點(diǎn)“最后一公里運(yùn)輸”，為我國物資及人力資源運(yùn)輸方式提供重要銜接手段。

水泥混凝土路面具有高強(qiáng)度、高耐久性、建設(shè)期較短、養(yǎng)護(hù)簡便等一系列優(yōu)點(diǎn)，是我國公路交通中主要高等級(jí)公路形式之一，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。然而，混凝土路面在運(yùn)營使用過程中也會(huì)出現(xiàn)各種各樣的病害，其中板底脫空是混凝土路面常見病害之一。脫空使得混凝土板應(yīng)力重新分配，特別是板邊角位置的脫空，在行車作用下，板邊角處脫空產(chǎn)生較大應(yīng)力和豎向位移，容易導(dǎo)致混凝土板邊角的折斷或碎裂等，嚴(yán)重影響混凝土路面的路用性能及使用壽命。因此，對(duì)于混凝土脫空位置及病害程度的確定顯得尤為重要。目前，混凝土路面脫空檢測(cè)技術(shù)主要有經(jīng)驗(yàn)法、彎沉判別法、探地雷達(dá)法等，其中經(jīng)驗(yàn)法受主觀因素影響較大；彎沉判別法操作簡單但檢測(cè)精度較低、速度較慢，不適用于連續(xù)檢測(cè)；探地雷達(dá)法效率較高，能夠直觀反映混凝土路面脫空情況，但其讀譜難度較大、技術(shù)要求較高。聲振法是近年新興的混凝土路面脫空檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)成本低、操作簡單、檢測(cè)效率高、技術(shù)要求低等優(yōu)點(diǎn)，在水泥混凝土路面脫空檢測(cè)中逐漸得到應(yīng)用[1,2]。本文介紹聲振法檢測(cè)的基本原理，并依托具體應(yīng)用實(shí)例，闡述聲振法檢測(cè)水泥混凝土路面脫空過程，以期為今后路面檢測(cè)提供理論指導(dǎo)。

2 聲振法檢測(cè)基本原理

聲振法主要通過敲擊水泥混凝土路面板使其產(chǎn)生聲波，利用聲波振動(dòng)在不同彈性介質(zhì)中傳播狀態(tài)差異來判定水泥混凝土路面板支撐狀態(tài)，以下將詳細(xì)介紹其設(shè)備組成及檢測(cè)原理。

（1）聲振法設(shè)備簡介

目前較為成熟的聲振法檢測(cè)設(shè)備大致可分為非連續(xù)式聲振檢測(cè)裝置和連續(xù)式聲振檢測(cè)裝置。非連續(xù)式聲振檢測(cè)裝置由拾音器、連接線、數(shù)據(jù)處理裝置組成，主要通過外部振動(dòng)激勵(lì)來產(chǎn)生振動(dòng)（如手動(dòng)錘擊、微型爆炸等），然后通過拾音器收集聲振信息，最后再電腦上成型聲壓曲線并進(jìn)行處理。連續(xù)式聲振檢測(cè)裝置主要由承載部分、激勵(lì)裝置、振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)處理裝置等組成，可通過車輛拖行并對(duì)路面進(jìn)行規(guī)律性激勵(lì)產(chǎn)生連續(xù)性聲振，經(jīng)傳感器收集聲振信息后，有數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行振分析[3]。

（2）聲振法檢測(cè)中的振動(dòng)理論

振動(dòng)指物體在其平衡位置附近不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程，振動(dòng)在介質(zhì)中傳播史時(shí)會(huì)因介質(zhì)的性質(zhì)不同而呈現(xiàn)不同的傳播狀態(tài)。聲波是一種機(jī)械振動(dòng)，在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)總存在各種形式的阻尼，其振幅將出現(xiàn)衰減，而在混凝土、土體及空氣等不同介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)對(duì)于振動(dòng)的阻尼大小不同，聲波在水泥混凝土板、路基及空氣中傳播時(shí)振幅衰減情況也不同。因此，可以利用聲波振動(dòng)的傳播性質(zhì)來判斷水泥混凝土路面板下的支撐情況[4]。

（3）聲振法中的波動(dòng)理論

音頻檢測(cè)的傳播介質(zhì)必須是彈性介質(zhì)，在外力作用下，彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生位移，使得質(zhì)點(diǎn)間間距改變，當(dāng)外力撤銷后，質(zhì)點(diǎn)在范德華力的作用下又會(huì)返回原來的位置，同時(shí)形變也向下一個(gè)區(qū)域傳播，進(jìn)而形成聲波。敲擊板材主要產(chǎn)生其特有的萊姆波，而僅有萊姆波中的縱波可以在空氣中傳播，通過傳感器捕捉空氣中的縱波，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)測(cè)量分析，最終得出水泥混凝土路面板下脫空位置及脫空程度。

圖1 聲振法檢測(cè)原理

3 工程檢測(cè)

（1）工程概況

某公路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由上至下依次為25cm厚水泥混凝土面板、20cm厚水泥穩(wěn)定碎石基層，通車3年后路面整體狀況良好，但部分路面板間出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，重載車輛通過時(shí)有明顯位移。

（2）脫空檢測(cè)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)初步視察，發(fā)現(xiàn)K21+750～K22+200試驗(yàn)段水泥混凝土路面可能存在較為嚴(yán)重的脫空，故以該路段作為重點(diǎn)檢測(cè)目標(biāo)，本文采用連續(xù)式聲振檢測(cè)裝置進(jìn)行脫空檢測(cè)。

確定疑似脫空點(diǎn)。在路面疑似脫空區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記供后期重點(diǎn)檢測(cè)。

儀器調(diào)試。專業(yè)人員將檢測(cè)車、激勵(lì)裝置與數(shù)據(jù)處理裝置連接好，在水泥混凝土路面上進(jìn)行調(diào)試，確認(rèn)激勵(lì)裝置能夠使水泥混凝土路面產(chǎn)生適當(dāng)振幅的振動(dòng)，該振動(dòng)幅度以振動(dòng)接收裝置能夠完整、清晰地辨識(shí)為標(biāo)準(zhǔn)。

儀器參數(shù)設(shè)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及儀器狀態(tài)調(diào)整拾音器靈敏度，靈敏度調(diào)試以能夠過濾雜音、完整清晰地接受激勵(lì)振動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)。

振動(dòng)激勵(lì)。發(fā)動(dòng)檢測(cè)車，并將檢測(cè)車速度控制在15km/h勻速前進(jìn)，開啟激勵(lì)裝置，使激勵(lì)裝置按照一定頻率錘擊水泥混凝土路面。

數(shù)據(jù)收集與存儲(chǔ)。接收裝置開始收集聲振信息，專業(yè)人員全程觀察并標(biāo)記特殊聲振產(chǎn)生的位置，例如，由于坑洞、錯(cuò)臺(tái)等引起檢測(cè)裝置跳動(dòng)的位置，因過往車輛振動(dòng)噪聲過大而引起聲振信息受干擾的位置等，以供聲振信息修正處理使用。

儀器整理。試驗(yàn)段聲振信息收集存儲(chǔ)完畢后，關(guān)閉連續(xù)式聲振檢測(cè)裝置，整理好各處的連接線路等，并斷開從檢測(cè)車尾部取下裝置，并小心地裝車拖走。

數(shù)據(jù)處理。根據(jù)計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)路段機(jī)械波加速度、振動(dòng)時(shí)間和頻譜特征等聲振信息進(jìn)行處理，得出水泥混凝土路面板脫空位置及范圍等信息，作為后期養(yǎng)護(hù)工作參考。

脫空情況判定。將采集的聲振信息進(jìn)行系統(tǒng)性分析，考慮路面行車干擾、特殊聲振位置及其他自然聲音等情況，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)段中K21+800、K21+900、K22+100等部位存在較為明顯的加速度較大、振動(dòng)時(shí)間較長、主頻率較高等現(xiàn)象，因此將其判定為明顯脫空[5]。

4 精度對(duì)比

采用聲振法檢測(cè)K21+750～K22+200試驗(yàn)段水泥混凝土路面后，再利用探地雷達(dá)及鉆芯檢測(cè)對(duì)比檢測(cè)結(jié)果，對(duì)比結(jié)果如表1。

表1 脫空檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

由表1可知，采用聲振法檢測(cè)的水泥混凝土路面脫空狀況與鉆芯結(jié)果探地雷達(dá)及鉆芯檢測(cè)結(jié)果基本一致，聲振法檢測(cè)水泥混凝土路面脫空狀況應(yīng)用效果良好。從可操作性性及檢測(cè)效率上來看，聲振法具有一定優(yōu)勢(shì)，故該檢測(cè)方法值得推廣。

5 結(jié)語

聲振法是近年新興的水泥混凝土路面質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，具有良好的應(yīng)用前景。為研究聲振法在水泥混凝土路面脫空檢測(cè)中的應(yīng)用情況，本文介紹聲振法檢測(cè)裝置類型與組成及檢測(cè)基本原理，并依托于實(shí)際檢測(cè)項(xiàng)目，對(duì)比聲振法、探地雷達(dá)及原位鉆芯檢測(cè)精度，結(jié)果表明：聲振法、探地雷達(dá)及原位鉆芯及三者檢測(cè)結(jié)果較為契合，聲振法檢測(cè)精度較高，具有一定推廣價(jià)值。