地震波法檢測水泥混凝土路面板含水脫空試驗研究

2021-06-24 02:07:16徐天陽易筱陽彭永恒楊海光吳殿臣

黑龍江大學自然科學學報 2021年2期

徐天陽，易筱陽, 李想,3，彭永恒，李濤，楊海光，吳殿臣

(1.大連民族大學土木工程學院，大連 116650； 2.中鐵廣州工程局集團第三工程有限公司，肇慶 526020； 3.東北石油大學機械科學與工程學院，大慶 163318； 4.中國十七冶集團上海分公司，上海 200001， 5.大慶油田設計院道橋室，大慶 163712； 6.中國石油天然氣管道第二工程有限公司國際工程分公司，徐州 221000)

0 引言

水泥混凝土道路具有水穩定性好、抗折性能強和鋼筋結合能適應不良地基等特點，越來越多的國家興建水泥混凝土道路[1]。水泥混凝土路面板含水脫空是最常見、危害最大的病害之一，極大地影響了道路的承載能力和使用年限，也極大地干擾行車的安全性、流暢性和舒適性。目前，國內外對水泥混凝土路面含水脫空檢測與防護的研究相對較少，主要有四種含水脫空檢測方法：基于經驗的含水脫空檢測方法[2]、基于貝克曼梁和落錘式彎沉儀建立的相關檢測方法[3]、基于探地雷達的脫空檢測方法[4]和基于板的振動特性提出的相關脫空檢測方法[5]。經驗法的優點是直觀、運用方便，但是主觀因素大、誤差大,不適用于面層完好的輕微脫空，這使其應用性大大降低。基于落錘式彎沉儀的脫空檢測方法，優點是自動化程度高和測速快，但是這種方法不能準確地找到脫空區域的位置[3,6]?；谔降乩走_的脫空檢測法[4,7]，其原理是利用SIR-10H型[8]探地雷達向水泥混凝土道路發射電磁波，電磁波在傳播時，當遇到不同的結構層時(面板-空氣，空氣-基層)，在層間發生相應的反射和透射，根據其反射波的時間差來推導結構層間脫空厚度，這種方法雖能快速找到脫空區域的位置，但是還要借助彎沉儀來確定路板的脫空狀況，操作繁瑣且耗時、耗材。目前,國內外現階段還未有進行有關水泥混凝土路面板含水脫空的深度研究，未能對此作出相應的預防與檢測。為了研究地震波法檢測水泥混凝土路面板含水脫空動力響應，本文采用室內縮尺試驗的方法[9-10]，進行了水泥混凝土路面板含水脫空實驗，對地震波法檢測水泥混凝土路面板含水脫空技術進行了初步研究，為水泥混凝土路面板含水脫空研究提供理論基礎。

1 地震波法原理

假定水泥混凝土路面板為一個單自由度結構體系，當水泥混凝土路面板發生脫空后,認為整體結構的等效剛度降低。在水泥混凝土路面板脫空區域布置傳感器，采用特制落錘對脫空區域施加沖擊力，通過傳感器采集水泥混凝土路面板的振動信號，這個振動信號是類似于地震波的高頻振動，通過對采集信號進行頻域與時域分析，研究水泥混凝土路面板不同含水脫空狀態下的振動規律，從而得出水泥混凝土路面板含水脫空振動評價方法。

(a) 角隅脫空基層

(b) 縱縫脫空基層

(d) 水泥混凝土路面板

2 地震波法檢測水泥混凝土路面板含水脫空試驗

設計并澆筑水泥混凝土路面板含水脫空試驗模型，通過特制落錘對水泥混凝土路面板施加沖擊荷載。試驗采用控制變量法，通過進行不同脫空狀態、不同錘擊高度和不同含水狀態的試驗工況，利用動態數據采集儀，采集模型的振動信號，獲得水泥混凝土路面板含水脫空狀態下的振動規律。

2.1 試件設計

水泥混凝土路面板的脫空主要是由于基層碎石不穩定而導致破壞，假定基層完全脫空，按照模型與原型1∶ 5的比例設計水泥混凝土路面板脫空基層與面層模型，試驗模型具體結構尺寸及脫空狀態如圖1所示。首先完成無水脫空的試驗，然后在基層不同脫空區域注水，進行含水脫空試驗。

(a) 角隅脫空

(b) 縱縫脫空

2.2 加載設備及測量儀器

2.2.1 特制落錘

將圓形鐵盤作為底盤焊接在鋼管一端，在鋼管套一定質量的鐵塊，讓鐵塊自由落體運動撞擊鐵盤，由鐵盤對試件施加荷載，特質落錘參數指標如表1所示。

表1 特制落錘參數指標

2.2.2 量測儀器選擇

試驗儀器包括四部分，即激振設備、振動傳感器、應變計和數據采集系統。本試驗中，激振設備為特制落錘，應變計預先粘貼到水泥混凝土面層和基層上，數據采集系統為江蘇東華所生產的動態采集儀，該振動記錄儀可對機械振動和地震波進行采集記錄，應變計記錄結構在沖擊荷載作用下的動態應變。在使用過程中，將傳感器與記錄儀相連接，儀器可將模擬電壓量轉換為數字量并進行儲存，并通過計算機顯示波形、圖譜以及各種特征參數。試驗采集示意圖和脫空區域試驗布置圖分別如圖3和圖4所示。

(a) 試驗采集裝置

(b) 試驗采集裝置組成平面示意圖

(a) 脫空區域

(b) 脫空區域應變計

2.3 試驗方法

由于水泥混凝土路面板是有規則的矩形板，假定每塊水泥路面板厚度完全一樣，其密度和剛度等參數具有一致性，除試驗中已脫空位置外，其他部位路面板與基層接觸良好，力錘敲擊的部位選擇與傳感器布置位置接近處，且錘擊點距離加速度傳感器每次試驗保持一致。用力錘敲擊要作到有節奏，提起力錘高度分別為20、30和40 cm，每個高度在某一敲擊點敲擊三次取平均值，以減小試驗采集數據的誤差，提高試驗的準確度。在試驗開始時，通過改變水泥混凝土路面板的不同脫空區域與脫空面積，進行水泥混凝土路面板無水脫空試驗，而后對脫空區域注水，進行水泥混凝土路面板含水脫空試驗，收集相應的試驗數據。

3 試驗數據對比分析

3.1 不同脫空狀態的試驗數據對比

通過對試驗數據進行處理分別得出不同脫空狀態下，相同脫空區域(300 mm×250 mm×60 mm)、相同落錘高度(30 cm)有無含水的脫空區域應變時程曲線如圖5和圖6所示。不同的脫空狀態水泥混凝土路面板試驗數據如表2所示?？梢钥闯?在脫空區域、落錘高度相同時，角隅縱縫同時脫空(含水)錘擊縱縫時,水泥混凝土路面板脫空區域應變值最大，比角隅縱縫同時脫空(含水)錘擊角隅增大約11%，比角隅脫空(含水)增大約19%，比縱縫脫空(含水)增大約32%。此外,對比含水與不含水狀態下的脫空區域應變值發現,含水狀態下的應變值比不含水狀態下的應變值大。表明錘擊路面板時，由于水的存在，路面板的應變值會增大，并且不同脫空狀態下，角隅縱縫同時脫空的水泥混凝土路面板的主頻略小于其它脫空狀態，且振動時間相差不大。

(a) 角隅脫空

(b) 縱縫脫空

(d) 角隅縱縫同時脫空(錘擊縱縫)

(a) 角隅脫空

(b) 縱縫脫空

(d) 角隅縱縫同時脫空(錘擊縱縫)

表2 不同脫空狀態試驗數據

3.2 不同脫空區域試驗數據對比

由表2不同脫空狀態試驗數據發現，水泥混凝土路面板角隅縱縫同時含水脫空，錘擊縱縫，水泥混凝土路面板脫空區域應變值最大，針對這一種情況，進一步進行不同的脫空區域對比試驗。

(a) 200 mm×150 mm×60 mm

(b) 300 mm×250 mm×60 mm

(a) 200 mm×150 mm×60 mm

(b) 300 mm×250 mm×60 mm

由圖7和圖8，在脫空位置(角隅縱縫同時脫空)、落錘高度相同(30 cm)時，錘擊縱縫所得不同脫空區域水泥混凝土路面板試驗數據如表3所示?？梢钥闯?，在脫空位置、落錘高度、落錘位置相同時，隨著脫空區域的不斷增大，對應水泥混凝土路面板脫空區域應變值也在不斷地增大。在含水狀態試驗中脫空區域為400 mm×350 mm×60 mm時，對應的應變值比脫空區域為200 mm×150 mm×60 mm時的應變值增大約27%。不同脫空區域水泥混凝土路面板含水脫空應變值都大于不含水脫空應變值，并且隨著脫空區域的增大，路面板振動主頻逐漸降低，振動時間逐漸增大。

表3 不同脫空區域試驗數據

3.3 不同落錘高度試驗數據對比

由表2和表3可知，角隅縱縫同時脫空，錘擊縱縫且脫空區域含水時應變值最大，隨著脫空區域的不斷增大，其應變值也不斷的增大。針對這一種情況，進一步進行不同的落錘高度對比試驗。由圖9和圖10可知，在脫空狀態(角隅縱縫同時脫空錘擊縱縫)、脫空區域(300 mm×250 mm×60 mm)相同時，不同落錘高度水泥混凝土路面板試驗數據如表4所示?？梢钥闯?，在脫空位置、落錘位置、脫空區域相同時，對比不同錘擊高度下的應變值，發現隨著錘擊高度的增大，對應水泥混凝土路面板脫空區域的應變值逐漸增大。當水泥混凝土路面板脫空區域含水、錘擊高度為40 cm時，路面板脫空區域應變值比錘擊高度為20 cm時的應變值增大約20%。不同落錘高度工況下，水泥混凝土路面板含水脫空路面板脫空區域應變值都明顯大于無水脫空路面板應變值。