CN107870201B - 一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法，为路堤检测领域。包括以下几个步骤：(1)检测点布置；(2)超声波信号采集；(3)现场数据修正；(4)声参量反分析；(5)路堤质量判定。本发明为气泡混合轻质土路堤质量检测提供了一种简单实用的方法，对其他种类路堤工程的质量检测同样有很强的借鉴作用。
Description
技术领域
本发明为路堤检测领域，具体涉及一种气泡混合轻质土路堤现场无损检测方法，更具体地，涉及一种基于声波透射法的气泡混合轻质土路堤质量综合判定法。
背景技术
作为新型岩土材料的气泡混合轻质土，现已被广泛应用于桥头过渡路段、含结构物路段和深厚软土路段等特殊软基路段的填筑。气泡混合轻质土因其良好的性质，作为路堤填料具有非常多的优点，且已在实践中得到了证明。然而，与传统路堤填料土不同，气泡混合轻质土工程性能随时间的推移逐渐衰减，这是由于水泥制品随着时间的推移，其物理力学性能不断降低，向着不利于路堤稳定性的方向发展的缘故。另外，在破坏形式上，传统路堤和气泡混合轻质土路堤差异很大，前者是渐进式破坏，而后者是突发性崩塌。因此，如何能在不大规模破坏路面结构的前提下，对气泡混合轻质土路堤进行长期有效的检测，是气泡混合轻质土作为路堤填料亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出采用声波透射法检测气泡混合轻质土路堤工程性能的方法。该方法操作简单，物理意义明确，可对气泡混合轻质土路堤进行长期动态监测，填补了路堤检测的方面空白，对于气泡混合轻质土路堤以及填土路堤的质量检测，具有良好的指导意义。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法，包括以下步骤：
STEP 1检测点布置：气泡混合轻质土路堤浇筑之前，在待测路段预先布设声测管；或在路面铺装完成后钻孔埋设声测管。
STEP 2超声波信号采集：待路堤路面浇筑完成之后，利用声波透射法采集每组声测管之间气泡混合轻质土的的声参量，包括超声波波速、声时、波幅等。
STEP 3现场数据修正：根据所检测时的温度、含水率、深度不同，对其超声波波速进行修正。
STEP 4声参量反分析：将现场测得并经过修正的超声波波速，代入公式Ed＝v2ρ(式中，Ed为气泡混合轻质土的动弹性模量，v为测得的气泡混合轻质土超声波波速，ρ为气泡混合轻质土密度)，计算被测气泡混合轻质土路堤的动弹性模量。利用计算好的动弹性模量，模拟气泡混合轻质土中产生的超声波波速，对比检测结果和数值模拟结果，验证试块声参量测量结果的准确性。
STEP 5路堤质量判定：将现场测得并经过修正的超声波波速，以及现场测得的声时，波幅等声参量，对比实验室中标准养护下同强度试块的超声波波速、声时值和波幅曲线形态，判定路堤的质量。
优选地，测点布置于车流量最大的位置。
优选地，根据路堤长度不同，每50～100m设置一组测点。
优选地，每组测点的最大间距不得超过50cm。
优选地，必须保证两根声测管的垂直度小于1‰，并用钢卷尺测量声测管待测断面之间的净距。
优选地，声测管应高出气泡混合轻质土路堤，并低于沥青面层顶部，***面层的部分用细石混凝土包裹严实，加盖封闭。
优选地，测得的超声波波速数据需要进行温度、含水率、深度的修正，其关系式为：
v1＝v0+Tv+wv+Hv；
Tv是温度修正系数，表达式为：
wv是含水率修正系数，表达式为：
Hv是深度修正系数，表达式为：
式中，v1是修正后的超声波波速，v0是测得的超声波波速；a1a2a3b1b2b3c2c3是相关修正系数的系数，由室内试验拟合得到，t1为现场温度，t0为实验室温度，w1为现场路堤含水率，w0为实验室试块含水率，σ1为现场路堤检测断面的最大主应力，Pa为大气压强。
优选地，计算动弹性模量的时候不考虑泊松比的影响，即公式可简化为：
Ed＝v2ρ；
式中Ed为气泡混合轻质土的动弹性模量，v为测得的气泡混合轻质土超声波波速，ρ为气泡混合轻质土密度。
优选地，对于气泡混合轻质土的反分析使用专业有限元软件ABAQUS、ANSYS进行计算。
优选地，对于轻质土的反分析模拟出的轻质土超声波波速vs与超声波波速修正值v1之间的误差不得超过5％，否则应重新检测路堤超声波波速。
优选地，气泡混合轻质土路堤无损检测综合评价标准分成四个级别：
其中：标准差为
式中，是正常混凝土波速平均值(km/s)；σv是正常混凝土波速标准差；vi是第i个测点波速值(km/s)；n是测点数。
相对于现有技术，本申请取得了以下有益效果：
目前，比较先进的路堤无损检测方法有：探地雷达检测技术、频谱分析检测技术、高密度电阻率成像技术、红外成像检测技术等。探地雷达技术因其快速、便捷、较为准确、连续检测的优点，在路堤检测中得到了广泛的应用。然而气泡混合轻质土是分层填筑的，在每层填筑时，层与层之间都铺设了钢筋网。钢筋网对探地雷达发射的电磁波有屏蔽作用，所以探地雷达并不适合气泡轻质土路堤的检测；而频谱分析技术由于其每次操作需要沿线布置很长的测线，同时它主要是以波形来反映路堤内部空穴、空洞的分布状况，对于路堤工程性能参数如密度、弹性模量、强度变化的检测，并不适用。高密度电阻率法在野外可以完成多种电极装置的观测，因此能够适应各种地质勘探任务。目前高密度电法也是多利用在诸如地质勘探一类大尺度的地层特性可视化上，对于路堤质量这一细节指标的检测，精度无法得到保证。红外成像检测技术检测设备价格较高，操作复杂，外界温度对其检测结果影响较大，因此，也不适合高速公路路堤的质量检测。
本发明操作简便、检测迅速、物理意义明确，不受外界环境变化或其它约束条件的影响，可在不损伤路堤的情况下，深入路堤内部，准确获得轻质土路堤的超声波声参量，为施工单位准确把握其施工质量提供了保障；道路运营后，施工中埋设的测点仍能够正常提供声波透射法检测数据，为动态把握路堤整体的强度、刚度、耐久性要求，提高道路运营管理效率作出贡献。通过上述发明的应用，可大幅节省工程全寿命周期造价，经济效益显著。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为利用非金属超声检测仪进行气泡混合轻质土路堤超声波检测示意图。
其中：1—非金属超声检测仪；2—非金属超声检测仪发射径向换能器；3—非金属超声检测仪接收径向换能器；4—声测管；5—声测管支架；6—气泡混合轻质土路堤；7—路堤底部土层；8—水泥砂浆；9—道路面层；10—细石混凝土；11—声测管盖；12—三脚架；13—提升滑轮；14—信号线。
具体实施方式
实施例一
本发明的一种气泡混合轻质土路堤现场无损检测方法，它包括以下步骤：
检测点布置。如图1和图2所示，气泡混合轻质土路堤6浇筑前，在路基上安装测点。声测管安装的位置，应沿着未来运营道路车流量最大的纵断面，每50～100m安装一组。每组测点包含两个声测管4，声测管的最大距离不得超过50cm。声测管应***路堤底部土层7中超过20cm，并用水泥砂浆8填满至轻质土路堤底面位置。向上安装声测管4时，在每根声测管4外安装3根金属声测管支架5，以保持其垂直度和稳定性，以免在轻质土浇筑过程中因施工原因使声测管弯曲，影响检测结果。安装完成后，应检查每根声测管的垂直度是否小于1‰，若声测管的垂直度大于1‰而小于5‰，则用钢圈尺测量待测断面之间的净距，若声测管的垂直度大于5‰，则应拔出重新安装。声测管应高出路堤，待气泡混合轻质土路堤浇筑完成，在道路面层9铺装时***道路面层中，口部用细石混凝土10包裹严实，并加声测管盖11待用。
超声波信号采集。待路堤路面浇筑完成之后，进入现场，安设三角架12，准备检测。检测前检查非金属超声检测仪1是否正常，再打开声测管盖11，在声测管中加入清水。将信号线14和非金属超声波检测仪发射径向换能器2和非金属超声检测仪接收径向换能器3连接，随后分别将两个换能器放入所埋设的两根声测管内，并检查两个换能器高度是否在一水平面。准备就绪后，用提升滑轮13缓慢提升信号线14，将两个换能器同时往管口提拉，同时仪器开始记录检测断面的超声波波速、声时、波形。提升的过程中，两个换能器应同时升降，相差距离不得超过10cm。
现场数据修正。根据所检测时的温度、含水率、深度不同，对其超声波波速进行修正。
声参量反分析：将现场测得并经过修正的超声波波速，代入公式Ed＝v2ρ，计算被测试块动弹性模量。利用数值模拟的方法，代入计算好的试块动弹性模量，反分析模拟试块中产生的超声波波速，对比修正后的超声波波速和数值模拟的超声波波速，验证气泡混合轻质土路堤声参量测量结果的准确性。反分析模拟出的气泡混合轻质土超声波波速vs与现场测得的超声波波速修正值v1之间的误差不得超过5％，否则应重新测量超声波波速。
路堤质量判定。将现场测得并经过修正的超声波波速，以及现场测得的声时，波幅等声参量，对比实验室中标准养护下同强度试块的超声波波速、声时值和波幅曲线，判定路堤的质量。气泡混合轻质土路堤无损检测综合评价标准分成四个级别：
气泡混合轻质土路堤无损检测综合评价标准
实施例二
某高速公路泡沫轻质土路，为抽样检测其浇筑的质量，在一匝道出口设置检测点。该试验点轻质土路堤设计厚度1.75m，当天气温35°，含水率15％，利用本发明的方法对该路段气泡混合轻质土路堤进行抽样检测。待检测的气泡混合轻质土路堤施工配合比为，水泥：水：气泡群＝350(g):215(g):672.1(L)。测点在路面铺装完成后钻孔埋设声测管，现场测点两个声测管之间的距离为50cm在1.75m范围内每隔10cm深度检测一次，共获得17个检测断面的气泡混合轻质土路堤超声波波速，见下表。
气泡混合轻质土路堤超声波波速实测值
实验室制备10cm×10cm×50cm同种配合比试块10块，测得其稳定的超声波波速平均值为1.06km/s，标准差为0.069。经过实验室标定后，得到a1a2a3b1b2b3c2c3等参数的数值，经修正的路堤检测点超声波波速修正值见下表，修正后路堤超声波波速平均值为1.117km/s，利用公式Ed＝v2ρ，求得该路堤动弹性模量约为740MPa，利用有限元软件ABAQUS进行模拟，得到模拟超声波波速为1.110km/s，实测值和实验室测得数值相差0.62％小于5％，该路堤超声波检测值是合理的。再将该测点所有修正值和气泡混合轻质土路堤无损检测综合评价标准进行比对，发现该测点绝大部分检测断面的超声波波速均大于1.06km/s，29％检测断面的超声波波速小于实验室超声波波速，且在实验室标定波速的2倍标准差范围之内，同时，通过观察其超声波波幅、波形也可以看出，该测点各断面的超声波波幅均大于实验室制备试块的超声波波幅，波形也无明显缺陷形态，因此可以判断该测点的气泡混合轻质土路堤为良好。
实例气泡混合轻质土路堤超声波波速修正值
Claims (10)
1.一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)检测点布置：气泡混合轻质土路堤浇筑之前，在待测路段预先布设声测管；或在路面铺装好完成后钻孔埋设声测管；
2)超声波信号采集：路堤路面浇筑完成之后，利用声波透射法采集每组声测管之间气泡混合轻质土的声参量，包括超声波波速、声时、波幅；
3)现场数据修正：根据所检测时的温度、含水率、深度不同，对其超声波波速进行修正；
4)声参量反分析：将现场测得并经过修正的超声波波速，代入公式Ed＝v2ρ；计算被测气泡轻质土的动弹性模量，利用计算好的动弹性模量，数值模拟路堤中产生的超声波波速，对比检测结果和数值模拟结果，验证气泡轻质土声参量测量结果的准确性；式中Ed为气泡混合轻质土的动弹性模量，v为测得的气泡混合轻质土超声波波速，ρ为气泡混合轻质土密度；
5)路堤质量判定：将现场测得并经过修正的超声波波速，以及现场测得的声参量，对比实验室中标准养护下同强度试块的超声波波速、声时值和波幅曲线形态，判定路堤的质量；
测得的超声波波速数据需要进行温度、含水率、深度的修正，其关系式为：
v1＝v0+Tv+wv+Hv
Tv是温度修正系数，表达式为：
wv是含水率修正系数，表达式为：
Hv是深度修正系数，表达式为：
式中，v1是修正后的超声波波速，v0是测得的超声波波速；a1、a2、a3、b1、b2、b3、c2、c3是相关修正系数的系数，由室内试验拟合得到，t1为现场温度，t0为实验室温度，w1为现场路堤含水率，w0为实验室试块含水率，σ1为现场路堤检测断面的最大主应力，Pa为大气压强。
2.根据权利要求1所述的一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法，其特征在于，测点布置于车流量最大的位置。
3.根据权利要求1所述的一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法，其特征在于，根据路堤长度不同，每50～100m设置一组测点。
4.根据权利要求1所述的一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法，其特征在于，每组测点的最大间距不得超过50cm。
5.根据权利要求1所述的一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法，其特征在于，必须保证两根声测管的垂直度小于1‰，并用钢卷尺测量声测管待测断面之间的净距。
6.根据权利要求1所述的一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法，其特征在于，声测管高出气泡混合轻质土路堤，并低于沥青面层顶部，***面层的部分用细石混凝土包裹严实，加盖封闭。
7.根据权利要求1所述的一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法，其特征在于，计算动弹性模量的时候不考虑泊松比的影响，即公式可简化为：
Ed＝v2ρ；
式中Ed为气泡混合轻质土的动弹性模量，v为测得的气泡混合轻质土超声波波速，ρ为气泡混合轻质土密度。
8.根据权利要求1所述的一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法，其特征在于，对于气泡混合轻质土的反分析使用专业有限元软件ABAQUS、ANSYS进行计算。
9.根据权利要求1所述的一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法，其特征在于，对于轻质土的反分析模拟出的轻质土超声波波速vs与超声波波速修正值v1之间的误差不得超过5％，否则重新检测路堤超声波波速。
10.根据权利要求1所述的一种气泡混合轻质土路堤无损检测方法，其特征在于，气泡混合轻质土路堤无损检测综合评价标准分成四个级别：
其中：标准差为
式中，是正常混凝土波速平均值，单位为km/s；σv是正常混凝土波速标准差；vi是第i个测点波速值，单位为km/s；n是测点数。
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