高精度断面仪在路面沉降检测中的应用研究
2020-09-16 12:16:46陈小辉黄甲才聂桂海
湖南交通科技 2020年3期
陈小辉， 黄甲才， 聂桂海
(1.广东交科检测有限公司， 广东 广州 510420； 2.广东华路交通科技有限公司， 广东 广州 510420；3.广州大学 土木工程学院, 广东 广州 510006)
0 引言
软基路段沥青路面沉降是高等级公路的常见病害之一[1-2]。《公路路基路面现场测试规程》[3](以下简称测试规程)尚无沉降的测试方法，《公路技术状况评定标准》[4](以下简称评定标准)也缺乏评价沉降的方法和指标。可见，目前缺乏沥青路面沉降的测试方法和评价指标。
路面沉降的本质特征是局部范围内高程的差异，对平整度影响较大。而测试规程提供了4种平整度试验方法，其中常用的为：三米直尺法、连续式平整度仪法、车载式激光平整度仪法。三米直尺法受人为因素影响大、检测效率低；连续式平整度仪法需牵引设备 ，耗费能量较大且一般适用于破坏较为严重的路面；车载式激光平整度仪法检测效率和精度较高，但设备较为昂贵[5]。采用常规方法所检测的单一平整度指标不能与路面高程建立联系，用来评价道路整体沉降状况可信度较低。
评定标准规定可用路面跳车指数PBI表征路面的跳车状况，路面沉陷仅是引起路面跳车的因素之一，且评定标准中跳车程度的定量评价指标为10m内最大高程与最小高程的差值。路面跳车指数PBI是宏观综合指标，代表整条路或某个路段的行驶状态，但行驶状况不佳并非一定是由沉降造成的，所以跳车指数PBI不能直接反应路面沉降情况。此外，对于曲线半径小于10m的路面沉降评价，路面跳车指数PBI适用性不强。
目前常用的实测沉降资料分析方法有:双曲线法、星野线法、指数曲线法、沉降速率法等，但以上数据分析方法多用于根据已有资料推算任意时间内的沉降，且计算沉降量与实际沉降量误差较大[6]。实时高程测量可实测沉降路段数据，并绘制实测沉降数据曲线，但缺乏定量评价沉降曲线的方法，仅靠人为根据曲线形态评判沉降情况。
综上，路面不均匀沉降会引起路面跳车、平整度降低，但应用单一指标评价路面沉降情况过于片面。常规检测方法得到的平整度不能与沉降数据建立联系，而实测沉降数据缺乏有效的定量分析方法。因此，有必要寻求一种可以分析沉降数据并能与平整度指标建立联系的方法。
手推式高精度断面仪在输出平整度指标的同时，可以记录相对高程数据，为路面沉降的评价提供了一条思路。本文通过对比分析多功能道路综合检测车和手推式高精度断面仪测试的平整度指标，并对高精度断面仪同步测量的沉降高程数据和平整度指标进行分析，建立高程数据的数学模型，绘制沉降数据曲线并提出模型参数，分析平整度指标和模型参数的相关性以建立两者之间的联系,为道路工程沉降检测及评价提供参考。
1 工程概况与检测方案
1.1 工程概况
广东汕湛高速公路(公路编码S14)揭西大溪至博罗石坝段，建设期桩号为(K86+983～K250+186)，运营期桩号为(K86+983～K247+332)。主线全长约160.96km。其中:紫金连接线改高速公路路段5.983km，非高速公路路段3.88km ，揭西连接线3.96km，敬梓连接线8.935km，蓝塘连接线10.97km，于2015年12月30日建成通车。主线为沥青路面，互通立交连接线为水泥混凝土路面。揭博高速通车以来，在部分高填和高液限土填方路段(压实度要求有所降低)路面相继出现了较大不均匀沉降，为保行车及安全舒适性，路面拟进行养护维修，需对沉降路段的沉降情况进行检测，为制定养护维修方案提供参考。
1.2 检测方案
检测设备为多功能道路综合检测车(简称多功能车)和手推式高精度断面仪。手推式高精度断面仪可对道路的高程、沉陷、平整度进行检测，该仪器可连续测量，检测精度高，断面精度高达±2mm / 50m，操作简便快捷，检测数据可靠，可同步输出IRI和高程数据。
平整度检测及其评价依据为《公路技术状况评定标准》和《公路路基路面现场测试规程》中的相关条例，其中平整度指标选用IRI[7]。依据《公路技术状况评定标准》，路面平整度各等级标准如表1所示。
表1 公路技术状况评定标准评价指标优良中次差平整度≤2.32.3～3.53.5～4.34.3～5.0>5.0
采用多功能车对沉降路段进行平整度检测;采用高精度断面仪对沉降路段进行平整度和高程同步检测。检测路段如表2所示。
表2 沉降路段检测统计表行车方向检测路段长度/m行车方向检测路段长度/mK141+800～K141+900100K142+520～K142+730210K155+050～K155+13080广州方向K159+210～K159+28070K159+330～K159+40070K166+850～K167+020170K174+570～K174+63060K193+660～K193+760100K0+845～K0+78560K1+010～K0+93575K1+145～K1+08065紫金西连接线左幅K3+800～K3+74060K4+680～K4+580130K5+080～K4+965115K141+500～K141+280220K144+950～K144+89070K146+925～K146+85075汕头方向K152+150～K152+09060K153+040～K152+99050K196+125～K196+07550K197+560～K197+49070K3+615～K3+750135K4+630～K4+68050紫金西连接线右幅K4+975～K5+105130K5+810～K5+930120
2 平整度检测结果分析
平整度检测结果见表3、表4，因数据量较大，表中仅列举部分代表性统计数据，IRI平均值为各检测路段内的IRI平均值。
由表2、表3可知：
表3 多功能车平整度部分统计结果行车方向桩号IRI平均值/(m·km-1)IRI最大值/(m·km-1)相邻点差最大值/(m·km-1)测试点数3.5
表4 手推式断面仪平整度部分统计结果行车方向桩号IRI平均值/(m·km-1)IRI最大值/(m·km-1)相邻点差最大值/(m·km-1)测试点数3.5
1) 采用多功能车共检测25个沉降路段，其中有2个路段IRI平均值大于3.5m / km，分别为紫金西连接线右幅K4+630～K4+680、左幅K3+740～K3+800，IRI均值分别为4.45、3.66m / km，最大值分别为10.55、4.26m / km；有7个路段IRI相邻点差最大值大于3.5m / km，其中广州方向1个路段，汕头方向1个路段，紫金西连接线右幅、左幅分别为3、2个路段。
2) 采用高精度断面仪共检测了25个沉降路段，其中有3个路段IRI平均值大于3.5m / km，分别为紫金西连接线右幅K4+630～K4+680、左幅K1+145～K1+080、K3+800～K3+740，IRI均值分别为5.06、3.77、4.67m/km，最大值分别为23.57、15.47、14.39m / km；有22个路段IRI相邻点差最大值大于3.5m / km，广州方向6个路段，汕头方向7个路段，紫金西连接线右幅4个路段，紫金西连接线左幅5个路段。
3) 由以上数据统计可知，2种检测方式下的IRI数据存在差异，其中高精度断面仪所得数据更为精细，相同路段内测试点数较多，可以同步输出IRI数据和高程数据，为两者之间的相关性分析提供可能；而多功能车检测仅输出IRI数据，无法与高程数据进行对比分析。
3 平整度与高程相关性分析
3.1 数据拟合及可靠性分析
高精度断面仪在测试路段起点相对高程为0，行进过程中每0.025m输出1个高程数据和平整度数据；为便于计算，对原始输出数据进行预处理，每1m统计1次相对高程和平整度，绘制预处理后的相对高程-桩号曲线。该曲线代表实际路面线，因沉降后的实际路面曲线较为平滑，对相邻点高程差较大(曲线变化明显)路段采用多项式进行拟合并分析拟合可靠性，拟合示意图见图1。选取8个路段数据分别采用二、三、四次多项式拟合，拟合结果如表5所示，表中R2为相关系数的平方，用以评价拟合程度。
表5 多项式拟合结果多项式次数各路段R212345678平均值二0.957 30.9890.995 80.999 90.997 30.995 30.995 80.994 20.990 6三0.966 10.997 50.9960.999 90.997 40.995 80.997 50.999 60.993 7四0.990 80.999 50.997 50.999 90.999 30.996 90.998 80.999 60.997 8
由表5可知，选用不同多项式拟合的R2均大于0.9，表明拟合效果较好，可靠性高，拟合后的曲线可代替实际曲线用于计算[8]。其中二次多项式的计算较为简便，故本文选用二次多项式拟合后的曲线进行计算。
3.2 沉降指数数学模型建立
建立数学模型评价沉降程度并分析其与平整度的相关性，模型计算示意图如图2所示。曲线ABD为选用二次多项式拟合后的路面线，直线AB为原路面纵断面，直线DE为路面纵断面平移至与路面线相切后的直线，直线CD为直线AB和DE的公垂线，线段AB的长度d1表示测试路段路面纵断面长度，线段CD的长度d2表示测试路段最大沉降值。
定义沉降指数为λ=d2/d1，由上文可知，d1、d2分别表示测试路段路面纵断面线段AB的长度、测试路段最大沉降值(公垂线CD的长度)，则比值λ在数学模型上可作为曲线形态参数用于表征二次抛物线形状，在路面沉降分析中可用于表征沉降程度大小。
图2 模型计算示意图
3.3 相关性分析
根据建立的数学模型选取10个沉降路段计算沉降指数λ，并分析λ与IRI平均值的相关性，计算结果见表6、图3 。
由图3可知，高精度手推式断面仪检测中同步输出的IRI和沉降指数λ有较好的相关性，各沉降路段的λ随IRI增大而增大。可见，沉降会导致路
表6 IRI平均值与λ计算结果序号桩号IRI平均值/(m·km-1)沉降指数λ1汕头方向K152+150～K152+1101.480.005 82紫金西线左幅K0+837～K0+7871.520.007 33汕头方向K197+544～K197+5161.730.010 64紫金西线左幅K0+996～K0+9401.770.013 05广州方向K193+670～K193+7502.560.018 56紫金西线右幅K5+810～K5+9303.160.020 77广州方向K174+586～K174+6263.370.026 48紫金西线左幅K4+666～K4+6143.390.041 89紫金西线右幅K4+630～K4+6704.450.046 410汕头方向K14+893～K14+8754.600.100 1
图3 沉降指数λ与平整度IRI关系
面平整度变差，但平整度变差不一定是由沉降造成的。因此，在进行路面沉降状况评价时，优先选择高精度断面仪获取沉降路段高程数据，计算沉降曲线的沉降指数来评价沉降状况。在仪器缺乏情况下，如果全路段沉降较多且密集，可以通过多功能车检测的平整度来间接反应路面沉降状况。
《公路养护技术规范》[9]规定，高速公路沥青路面的技术状况评定等级为中级(IRI=3.5m / km)或中级以下时，需采取养护措施。由λ与IRI关系换算可得：当沉降指数λ>0.05时，路面需要进行养护维修。
4 结语
针对沥青路面缺乏沉降测试方法和评价指标的现状，本文依托实体工程路面沉降检测项目，采用多功能车和手推式高精度断面仪分别对沉降路段进行平整度检测，对高精度断面仪输出的高程数据进行二次多项式拟合，绘制沉降曲线并建立沉降指数数学模型，进而研究沉降指数与平整度的相关性。得到结论如下：
1) 手推式高精度断面仪相比于多功能车在局部路段的平整度检测中精度更高，且能输出相对高程数据。
2) 采用二次多项式拟合沉降曲线的各路段R2均大于0.9，说明拟合效果好。
3) 优先选择高精度断面仪获取沉降路段高程数据，计算沉降曲线的沉降指数进行路面沉降状况评价。在仪器缺乏情况下，如果全路段沉降较多且密集，可以通过多功能车检测的平整度来间接反应路面沉降状况。
4) 当手推式高精度断面仪在高速公路检测中得到的λ>0.05时，路面需进项养护维修。
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