微观解析半刚性基层沥青路面裂缝.pdf

微观解析半刚性基层沥青微观解析半刚性基层沥青路面裂缝路面裂缝2021-1 南京南京主要内容主要内容一、半刚性基层沥青路面裂缝概述一、半刚性基层沥青路面裂缝概述二、裂缝检测原理二、裂缝检测原理三、裂缝检测技术应用三、裂缝检测技术应用四、半刚性基层沥青路面裂缝的复杂性四、半刚性基层沥青路面裂缝的复杂性五、裂缝检测结果对裂缝焊接技术的启示五、裂缝检测结果对裂缝焊接技术的启示六、裂缝检测结果对半刚性基层沥青路面六、裂缝检测结果对半刚性基层沥青路面结构设计的启示结构设计的启示一、一、半刚性基层沥青路面裂缝概述半刚性基层沥青路面裂缝概述1.裂缝的分类2.裂缝的危害3.我国高速公路路面裂缝的特点1.裂缝的分类裂缝的分类1.1我国传统的裂缝分类我国传统的裂缝分类病害类型病害名称分级分级指标及标准裂缝类龟裂轻主要裂缝宽度2mm,主要裂缝块度0.20.5m中主要裂缝宽度25mm,部分裂缝块度0.2m重主要裂缝宽度5mm,大部分裂缝块度0.2m块状裂缝轻裂缝宽度3mm,大部分裂缝块度1.0 m重裂缝宽度3mm,主要裂缝块度0.51.0m纵向裂缝轻裂缝宽度3mm重主要裂缝宽度3mm横向裂缝轻裂缝宽度3mm重主要裂缝宽度3mm纵向裂缝纵向裂缝横向裂缝横向裂缝龟龟裂裂块状裂缝块状裂缝网网 裂裂上表来源于公路技术状况评定标准（JTG H20-2007），存在下列问题：（1）传统的裂缝分级标准仅考虑裂缝宽度裂缝宽度（2）传统的裂缝分级标准没有考虑裂缝的位置、深度、危害程度位置、深度、危害程度（3）传统的裂缝分级标准没有反应裂缝产裂缝产生的成因生的成因1.2 1.2 国外路面裂缝分类国外路面裂缝分类（1）TopTop-DownDown裂缝裂缝主要是由于温度疲劳和荷载疲劳所致。

2 2）DownDown-TopTop裂缝裂缝我国半刚性基层沥青路面主要裂缝从半刚性基层产生裂缝，然后向沥青面层发展，俗称反射裂缝2.裂缝对道路的危害裂缝对道路的危害路面一旦出现裂缝就很容易导致水的下渗，当外荷载作用时在结构层内部产生冲刷，从而导致裂缝发展加快，而半刚性类基层稳定性较差，极易产生水损害，造成基层松散破坏，最后导致路面结构性破坏，影响路面的使用功能3.我国高速公路路面裂缝的特点我国高速公路路面裂缝的特点3.1 3.1 国外全厚式沥青路面裂缝国外全厚式沥青路面裂缝Top-Down裂缝裂缝 从上向下发展3.2 3.2 我国半刚性基层沥青路面裂我国半刚性基层沥青路面裂缝缝Down-Top裂缝裂缝 我国半刚性基层沥青路面裂缝 主要是：从下向上发展（Top-Down）即从半即从半刚性基层产生裂缝，然后向沥青面层发展，俗称刚性基层产生裂缝，然后向沥青面层发展，俗称反射反射裂缝兼有：从上向下发展（Top-Down）当前国内外对路面裂缝的研究当前国内外对路面裂缝的研究主要集中在宏观方向，在路面使用主要集中在宏观方向，在路面使用中观察主要通过取芯进行，如果要中观察主要通过取芯进行，如果要对裂缝进一步的深入研究，尤其是对裂缝进一步的深入研究，尤其是对裂缝进行微观研究，需要开发裂对裂缝进行微观研究，需要开发裂缝检测仪。

缝检测仪二、裂缝检测原理二、裂缝检测原理雷达检测雷达检测2.1 路面裂缝无损检测基本原理2.2 雷达波响应特征2.3 数据处理路面裂缝检测参数路面裂缝检测参数 检测路面裂缝的宽度、深度、位置、斜度等1）裂缝的深度是指裂缝的最下部在路面的位置；（2）裂缝的位置是指裂缝最上部在路面的部位及裂缝在道路上的坐标；（3）裂缝的斜度是指裂缝在某深度开始倾斜，倾角多（4）裂缝的宽度是指任何截面下裂缝的宽度2.1路面裂缝无损检测基本原理发射(transmit)探地雷达工作原理示意图接收(receive)记录(record)地面回波(ground echo)目标反射(object reflection)地质雷达工作时，在主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号，并直接馈给发射天线经由发射天线耦合到地下的信号，在传播路径上遇到介质的非均匀体则产生反射信号，反射系数和波速主要取决于介质的介电常数2121rc相比而言，空气的相对介电常数为1，较小，而水的相对介电常数为81，较大，其它介质的相对介电常数基本处于这二者之间电磁波由空气进入非空气介质或由非空气介质进入空气介质，均会产生强反射如混凝土介质的介电常数约为6，与空气介质的介电特性有较大差别，若其中存在裂缝或空洞，雷达信号就会被反射，测试回波信号的幅度会明显增强，在雷达检测剖面上形成明显的异常。

应用探地雷达技术，根据“异常点”的雷达波响应特征、单一均匀介质中垂直裂缝的雷达波响应特征、多层均匀介质中垂直裂缝的雷达波响应特征等原理，得到多层均匀层状介质中存在裂缝的数学模型及其雷达波响应数值模拟剖面图利用软件对剖面图进行分析，识别裂缝的横向位置、上端点深度和相对宽窄等特征等，进而确定裂缝的位置、深度、宽度2.2 2.2 雷达波响应特征雷达波响应特征（1）“异常点异常点”的雷达波响应特征的雷达波响应特征设地下异常点“D”埋深h，雷达发射和接收天线间距为d雷达波由发射天线发射并向下传播，遇到异常点后产生散射设散射波到达接收天线的初至时间为tR，从图可知，tR由两部分组成：tRt1+t2，其中t1为波下行时间，t2为波上行时间散射波时距曲线方程可表示为：dxhtRRSOD图图2 2 等偏移距散射波时距等偏移距散射波时距曲线曲线tx2211hdxvvSDt2221hxvvDOt所以：采用收发一体化整合型雷达天线进行检测时，检测剖面上由地下异常点形成的散射波初至双曲线的顶点与地下异常点的实际位置相对应122222hxvhtR当收发天线间距d很小时：收发天线中点位于异常点正上方时，t1+t2有最小值：2241hdvtR（2）单一均匀介质中垂直裂缝的单一均匀介质中垂直裂缝的雷达波响应特征雷达波响应特征（a）数值模拟（b）物理模拟垂直“裂缝”（长40cm，宽2mm、顶深30cm）数值模拟与物理模拟distance(cm)depth（m）time（Ns）上图给出了用薄金属板模拟裂缝、以空气为母体介质，模拟单一均匀介质中垂直裂缝对雷达波场响应的数值模拟和物理模拟结果。

从图（a）的数值模拟结果可以看出，在均匀介质中，垂直裂缝异常表现为对应于裂缝顶、底端的两条双曲线波组，其中，对应于顶端的双曲线波组的幅度远远大于对应于底端的双曲线波组的幅度，且二者相位刚好相反图（b）为对应的物理模拟实验剖面同样，物理模拟实验也证明了对应于裂缝顶端的双曲线波组特征较为明显，而对应于底端的则不明显3 3）多层均匀介质中垂直裂缝的雷达波响）多层均匀介质中垂直裂缝的雷达波响应特征应特征1）双层均匀介质中一个）双层均匀介质中一个“异常异常点点”的电磁波响应特征的电磁波响应特征（a）原始记录剖面（b）去背景剖面50mm钢管在两层介质中的雷达波响应物理模拟剖面钢管在两层介质中的雷达波响应物理模拟剖面distangce(cm)distangce(cm)depth（m）time（Ns）上图是用一根50mm钢管模拟一个异常点在空气介质中的雷达测试剖面从图（b）的去背景剖面可以看出，由地面感应出的二次散射波在自激自收雷达剖面上表现为一条与地面反射波水平同相轴相切的双曲线波组右图示意了该二次散射波的射线传播路径对于一般情况，设上层介质厚度为H，异常点埋深为h，天线距异常点的水平距离为x，二次散射波走时为t，电磁波在上层介质中的传播速度为v，则二次散射波时距曲线方程为：双层介质中由异常点和分界面形成的二次散射波射线路径示意图xhH-h异常点仪器辅助点有效散射点介质分界面仪器测试面）（222221xhHxhvt当上层介质中存在异常点时，在雷达检测剖面上总是能够看到一条伴随的、与介质分界面反射波同相轴相切的二次散射波双曲线形波组。

通过大量的数值模拟和物理模拟结果证明，对于双层均匀介质中垂直裂缝的二次散射波，裂缝越长，则二次散射波的能量就越强；同样长度的垂直裂缝，在上层介质中越靠近分界面，二次散射波的能量也越强这是我们关于均匀层状介质中垂直裂缝对雷达波场响应特征的重要结论2）三层均匀介质中一个）三层均匀介质中一个“异常异常点点”的电磁波响应特征的电磁波响应特征1=42=93=6=81（a）（b）三层均匀层状介质数学模型及数值模拟剖面三层均匀层状介质数学模型及数值模拟剖面一次散射波二次散射波上图示意了一个三层均匀层状介质中存在一条垂直裂缝的数学模型及其雷达波响应数值模拟剖面从数值模拟剖面看，多层均匀层状介质中垂直裂缝的雷达波响应特征表现为一簇顶点位于裂缝铅垂线上，并与各介质分界面反射波同相轴相切的双曲线波组用同样的分析方法得出当母体介质为多层均匀层状介质时的情况：除一次散射波双曲线波组外，在裂缝之下或裂缝穿过的介质分界面，对应于每个分界面都会出现一条与分界面反射波同相轴相切的二次散射波双曲线波组2.3 2.3 数据处理数据处理利用软件利用软件对探地雷达资料的处理主要包括数据格式转换、零点校正、偏移校正、滤波、时深转换等。

将采集的数据进行处理后，结果如下：探地雷达检测公路裂缝剖面探地雷达检测公路裂缝剖面distance(m)430435440445450455depth(m)time(Ns)（a）垂直裂缝（b）倾斜裂缝图雷达检测公路裂缝特征雷达检测公路裂缝特征distance(m)446448distance(m)432434depth(m)depth(m)三、裂缝检测技术应用三、裂缝检测技术应用利用裂缝检测技术开发裂缝检测仪利用裂缝检测技术开发裂缝检测仪1.科研2.指导裂缝焊接施工3.深层病害检测裂缝检测仪裂缝检测仪科研团队2000年提出裂缝检测构想，2004年完善了裂缝检测原理，2006年研制出第一代裂缝检测仪，2012年应用到裂缝焊接技术中，2014年研制出第二代裂缝检测仪，目前为第三代产品1.科研科研利用裂缝检测仪对已通车使用高速公路的路面裂缝进行跟踪检测，找出裂缝发生、发展的规律，指导路面结构设计和施工900905910915920925930935940945950955960-30-20-100-30-20-100涵 洞从2006年开始，科研团队在大广高速河南濮阳段、二广高速河南汝阳段和南阳段等高速公路，对路面裂缝进行跟踪检测。

沥青面层沥青面层水泥稳定碎石水泥稳定碎石石灰稳定土石灰稳定土2.2.指导裂缝焊接施工指导裂缝焊接施工检测路面裂缝的宽度、深度、位置、斜度等，指导施工3.3.深层病害检测深层病害检测普通的雷达很难对道路深层病害（如空洞、层间脱空等）进行定量检测，利用裂缝检测仪可以对道路深层病害定量检测裂缝检测仪实现了对裂缝的定量检测，将空洞看作宽缝，将层间脱空作为平缝，也就是将所有的病害都当作裂缝，从而实现定量检测从微观到宏观相对简单330335340345350355360365370375380385390-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50路面裂缝路面裂缝路面破损路面破损底基层破碎带底基层破碎带四、半刚性基层沥青路面裂缝的四、半刚性基层沥青路面裂缝的复杂性复杂性1.半刚性基层沥青路面2.半刚性基层沥青路面裂缝的分类3.半刚性基层沥青路面裂缝的形式4.裂缝破坏机理5.主要结论1.半刚性基层沥青路面半刚性基层沥青路面上世纪60年代，石灰稳定土基层渣油路面在我国开始应用，并成为当时公路界三大重要科技成果之一进入70年代以后，水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料稳定粒料基层成为主流，形成了半刚性基层沥青路面技术的雏形。

从80年代至今，经过“六五”、“七五”、“八五”科技攻关项目的研究，半刚性基层沥青路面结构成套技术逐渐形成，成为我国高速公路主要的路面结构形式2.半刚性基层沥青路面裂缝的分类半刚性基层沥青路面裂缝的分类病害类型病害名称特征描述分级裂缝类网裂、龟裂表面呈块状，半刚性基层完好轻中重沥青面层裂缝半刚性基层完好轻中重隐形裂缝沥青路面表面无裂缝痕迹轻中重反射裂缝裂缝贯穿沥青面层轻中重。