全波場映像技術(shù)以及其在高速公路路基缺陷檢測中的應(yīng)用

鐘鵬飛， 車愛蘭， 馮少孔

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

全波場映像技術(shù)以及其在高速公路路基缺陷檢測中的應(yīng)用

鐘鵬飛， 車愛蘭， 馮少孔

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

針對高速公路運(yùn)營中的路基長期穩(wěn)定性問題，研發(fā)了檢測高速公路路基缺陷的全波場映像技術(shù)，即一種無損檢測技術(shù)，主要由單點激發(fā)-單點接收的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和三維全波場成像系統(tǒng)組成。為評價該技術(shù)應(yīng)用于高速公路路基缺陷檢測的準(zhǔn)確性，首先使用有限元動力分析方法進(jìn)行三維數(shù)值模擬。在研究三維缺陷模型中全波場傳播特性的基礎(chǔ)上，對響應(yīng)波形的頻譜特征進(jìn)行詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上合成的成像圖顯示缺陷區(qū)域位置與其在模型中的位置及區(qū)域大小相吻合。然后在實際預(yù)先設(shè)置缺陷的等比例高速公路路基模型上開展試驗驗證，試驗結(jié)果證明了該技術(shù)的準(zhǔn)確性，及其在檢測高速公路路基缺陷區(qū)域及位置上有良好的應(yīng)用空間。

高速公路; 路基缺陷; 全波場映像法; 三分量; 無損檢測

0 引言

至2013年我國已建成超過104 438 km的高速公路，位列世界第一。但高速公路在建設(shè)及運(yùn)營過程中會不斷發(fā)生工程質(zhì)量及病害問題，這直接關(guān)系到其行車安全和舒適性,也影響到道路的使用性能和社會的服務(wù)功能。針對高速公路路基缺陷病害的檢測一直是學(xué)者們所關(guān)心的問題, 快速有效地檢測和評價路基缺損的方法顯得非常重要[1]。

常見的高速公路路基缺陷與病害類型主要有不均勻沉降、裂縫及路基空洞等。在一般的高速公路中路基缺陷通常會導(dǎo)致路面損壞。而在一些擁有高路基、軟土路基以及季節(jié)性凍土路基這類比較特殊路基的高速公路工程中，路基缺陷甚至可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的路基結(jié)構(gòu)損害，對其安全運(yùn)營及長期穩(wěn)定性，尤其是抗震穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響[2]。

目前高速公路路基缺陷病害檢測方法主要有探底雷達(dá)技術(shù)(GPR)[3]、地震映像檢測[4]及數(shù)字鉆孔成像技術(shù)[5]等。其中探底雷達(dá)技術(shù)適用于路面以下基層及填土中存在的缺陷或病害的檢測(脫空、裂縫、沉陷、含水量過大等)，但其受地下水、鋼筋網(wǎng)等的影響較大[6]。地震映像檢測是一種淺層地球物理方法，它根據(jù)反射波走時和振幅的對比分析來區(qū)分探測路基結(jié)構(gòu)中的不良地質(zhì)現(xiàn)場。但因其適用尺度較大(米級)、檢測精度較低，不適用于小范圍精確檢測[7]。數(shù)字鉆孔成像技術(shù)是一種有損檢測手段，往往只能作為單點驗證。

近年來彈性波成像技術(shù)在無損檢測(NDT)領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到關(guān)注，其中沖擊映像法常用于地下結(jié)構(gòu)缺陷或病害檢測[8]。其原理為人工(小鋼球或小鐵錘)輕敲介質(zhì)表面產(chǎn)生的應(yīng)力波在介質(zhì)內(nèi)部傳播，當(dāng)應(yīng)力波遇到界面或者缺陷時會發(fā)生反射；波形反射引起的位移差波形特性會被激發(fā)點附近的接收器記錄到，通過快速傅里葉變化得到應(yīng)力波的振幅-頻率關(guān)系圖；再通過分析卓越頻譜與波形振幅變化來評價介質(zhì)內(nèi)部缺陷病害狀況[9]。

彈性波檢測方法(包括地震映像法、沖擊映像法)僅以單個方向接收到的彈性波來獲得結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造的圖像，因此往往會受到邊界反射的影響，而全波場映像技術(shù)克服了上述邊界反射，使用更多方向的彈性波波形信號來獲得檢測目標(biāo)更多的信息[10-11]。本文首先根據(jù)路基結(jié)構(gòu)建立帶有缺陷病害的三維有限元模型，采用有限元動力分析方法研究模型中全波場傳播特性，并對響應(yīng)波形的頻譜特征進(jìn)行詳細(xì)的分析，獲得合成成像圖。該成像圖可清晰表明缺陷區(qū)域所在位置及大小，并與模型中預(yù)設(shè)的缺陷病害相吻合。然后將全波場映像技術(shù)應(yīng)用于等比例高速公路路基模型，實際模型試驗結(jié)果與實際缺陷位置大小基本吻合，以此證明全波場映像技術(shù)在高速公路路基缺陷病害檢測中的準(zhǔn)確性。

1 全波場映像技術(shù)原理

由波動理論，在均勻的彈性半無限空間層狀介質(zhì)中，當(dāng)介質(zhì)的表面受到瞬時沖擊作用時，作用點將會產(chǎn)生瞬時振動,振動向遠(yuǎn)處傳播就形成了波動。在介質(zhì)中傳播的波動主要有體波和面波。體波可以分為縱波(P)和橫波(S)，面波分為瑞雷波(R)和勒夫波(L)。橫波又有垂直分量SV波和水平分量SH波[12]。以層狀介質(zhì)為例(圖1)，彈性波在介質(zhì)中傳播時遇到不連續(xù)的介質(zhì)界面就會產(chǎn)生反射。通過分析反射波的強(qiáng)弱可以反映地下構(gòu)造情況。

圖1 半無限空間彈性介質(zhì)波的傳播Fig.1 Propagation of elastic wave in semi-infinite space

根據(jù)上述理論，全波場映像技術(shù)主要由單點激發(fā)-單點接收的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及三維全波場成像系統(tǒng)組成。其中單點激發(fā)-單點接收的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在介質(zhì)表面布置，與實際檢測過程相似，一系列激發(fā)和接收都是在模型表面上進(jìn)行，如圖2所示。圖中，Si和Ri代表第i次檢測的一組激發(fā)點和接收點。

圖2 激發(fā)-接收系統(tǒng)示意圖Fig.2 Data acquisition system with single point shooting and receiving

計算機(jī)記錄各個接收點Ri所接收到的各個方向的響應(yīng)信號以Ti(t)來表示，一般情況下Ti(t)為x、y、z三個方向的響應(yīng)信號。

2 三維有限元缺陷模型

2.1 三維有限元模型

根據(jù)常見的公路結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，并在其中設(shè)置路基缺陷，如圖3所示。模型由三部分組成：路面、路基以及路基的缺陷區(qū)域。基本尺寸如圖所示，路基坡度為1:1。

有限元網(wǎng)格尺寸大小為0.1m×0.1m×0.1m,正六面體。整個模型劃分125 168個單元，141 948個節(jié)點。模型的底部邊界由無限元邊界構(gòu)成，以吸收傳到邊界處的P波和S波,其他為自由邊界。

圖3 模型概況、幾何尺寸和網(wǎng)格劃分Fig.3 FEM model and its geometric size and mesh division

2.2 模型參數(shù)及荷載

模型材料參數(shù)按實際狀況選取，缺陷部分用軟淤泥質(zhì)土充填。材料具體參數(shù)見表1，ρ為介質(zhì)密度，E是彈性模量，μ是泊松比。

波的采樣間隔為2.5×10-5s，持續(xù)時間0.051 2 s，采樣頻率在0～4 000 Hz，固有頻率1 500 Hz，如圖4所示。荷載加載方式為垂直集中加載，作用點位于網(wǎng)格節(jié)點處。

表 1 材料參數(shù)

圖4 震源曲線Fig.4 Waveform of the source

2.3 全波場響應(yīng)波形特性

模擬檢測過程中一系列的激發(fā)和接收都在模型的表面上進(jìn)行。測線布置如圖5所示。

圖5 測線分布Fig.5 Layout of survey lines

以測線1為例，獲得各個接收點三方向上的響應(yīng)波形后，通過FFT分析得到它們的頻譜特征，并根據(jù)接收點坐標(biāo)將其羅列在一起(圖6)。

圖6 測線1的波形頻譜分析Fig.6 Waveform spectrum analysis of line 1

顯然各個方向上接收點獲得的響應(yīng)波形頻譜均在1 600 Hz上卓越，但不同位置所對應(yīng)的卓越振幅不同。在缺陷區(qū)域附近，卓越振幅有顯著的放大效應(yīng)，可以認(rèn)為這是由于彈性波在缺陷和混凝土之間的界面處發(fā)生了強(qiáng)反射所造成的。

為了定量化顯示強(qiáng)反射所造成的響應(yīng)波形頻譜放大倍率，同時研究激發(fā)與接收位置對波形的影響，以測線1和測線4為例(測線1的激發(fā)位置在缺陷區(qū)域上，接收位置位于非缺陷區(qū)域，測線4則相反)，將測線各個接收點響應(yīng)波形卓越頻率值依據(jù)其位置信息匯總(圖7)。

結(jié)果表明，沖擊位置缺陷敏感度比接收位置要大得多。更進(jìn)一步的橫向比較顯示：y方向上的卓越振幅最大、最明顯，其次是z方向，x方向最小。

圖7 卓越頻譜振幅在測線1、測線4上的分布Fig.7 Distribution of predominant amplitude of spectrum in line 1 and line 4

將檢測區(qū)域內(nèi)所有測線的卓越頻譜振幅提取出來，展開在檢測區(qū)域平面內(nèi)，通過均值化、插值及平滑等處理后得到平面分布圖(圖8)。圖中紅色明亮區(qū)域表示x，y和z三個方向上卓越頻率處振幅放大的位置，這些區(qū)域位置與模型中的缺陷位置相吻合。橫向比較表明采用y方向上的響應(yīng)波形可獲得相對最為明顯和準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖8 數(shù)值模擬卓越頻率振幅分布云圖Fig.8 Distribution of predominant amplitude of spectrum obtained by numerical simulation

3 高速公路路基缺陷模型試驗

現(xiàn)場模型試驗是檢驗理論是否正確、將理論成果過渡到實際應(yīng)用的重要手段。為了評估全波場映像法檢測技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性，在某預(yù)設(shè)路基缺陷的1:1高速公路模型下進(jìn)行模型試驗。

3.1 等比例模型和現(xiàn)場試驗

某試驗場高速公路等比例的模型剖面如圖10所示。路面和路基之間有一個2 cm深的由黏土構(gòu)成的耦合層。路面為混凝土板，尺寸為5.8 m× 2.1 m×0.25 m;路基為瀝青碎石，尺寸7.4 m ×3.0 m×0.4 m。在路基頂部位置預(yù)設(shè)一個0.5 m×0.5 m×0.15 m的缺陷區(qū)域，隨后將路面混凝土路面板吊裝覆蓋，如圖10所示。與數(shù)值模擬類似，一系列的激發(fā)和接收均在混凝土路面板表面進(jìn)行。

圖9 高速公路結(jié)構(gòu)模型Fig.9 Structural model of highway

全波場映像法檢測系統(tǒng)主要由一系列三分量檢波器和數(shù)據(jù)采集儀器組成。震源采用普通的0.454 kg橡膠錘激發(fā)。三分量檢波器則可以采集兩個水平方向信號和一個垂直方向彈性波信號。圖11為模型路面的儀器和測線布置示意圖。

實際檢測時震源和三分量檢波器的距離為0.2 m，沖擊點間距為0.3 m。第一個沖擊位置位于距離板的側(cè)表面0.1 m處。每條測線共設(shè)置8個三分量檢波器。

圖10 現(xiàn)場試驗測線分布Fig.10 Layout of survey lines in field test

3.2 數(shù)據(jù)采集和分析

三分量檢波器將彈性波速度信號記錄下來，隨后采用FFT分析得到波形的頻譜特征。以靠近缺陷的測線4為例，其三個方向的響應(yīng)波形頻譜特征如圖12所示。三個方向上缺陷位置處響應(yīng)波形的卓越頻譜振幅均明顯增大,可以認(rèn)為，激發(fā)所產(chǎn)生的SH波和R波在缺陷和混凝土之間的界面處發(fā)生了反射。

圖11 測線4波形頻譜特征Fig.11 Waveform spectrum characteristics of line 4

類似的，將每條測線的響應(yīng)波形頻譜整理成像，得到路面以下整體的頻譜分布圖(圖12)。在x、y和z方向上的缺陷區(qū)域會顯示紅色亮區(qū)?，F(xiàn)場實驗結(jié)果顯示的缺陷大小及位置與預(yù)設(shè)缺陷基本吻合，驗證了數(shù)值模擬的結(jié)果，同時證明全波場映像法檢測技術(shù)作為一種新型的無損檢測方法在檢測高速公路缺陷上具有較好的準(zhǔn)確性及可行性。

圖12 現(xiàn)場試驗卓越頻率振幅分布云圖Fig.12 Distribution of predominant amplitude of spectrum obtained by field test

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)彈性波在層狀介質(zhì)空間傳播機(jī)理提出全波場映像技術(shù)，并設(shè)計出單點激發(fā)-單點接收的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和三維全波場成像系統(tǒng)。

(2) 三維有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，缺陷位置處的反射波在x，y及z三個方向均有顯著的振幅和卓越頻譜放大效應(yīng)。振幅和卓越頻譜的平面分布圖所揭示的缺陷位置與大小和模型相一致。

(3) 將全波場映像法檢測技術(shù)應(yīng)用于實際預(yù)設(shè)缺陷的高速公路等比例模型，現(xiàn)場實驗所揭示的缺陷大小及位置與實際模型基本一致，證明了全波場映像法檢測技術(shù)在高速公路路基缺陷檢測的準(zhǔn)確性和可行性。

(4) 全波場映像法檢測作為一種無損檢測方法在高速公路路基缺陷檢測上具有巨大潛力。

References)

[1] 李武江.高速公路路基路面病害檢測與養(yǎng)護(hù)[J].城市建筑,2013(16):237-237. LI Wu-jiang.Detection and Maintenance on Highway Roadbed Disease[J].Urban Architecture,2013(16): 237-237.(in Chinese)

[2] 陳拓,吳志堅,林碧蒼,等.青藏高原多年凍土地區(qū)鐵路路基工程動力穩(wěn)定性分析[J].地震工程學(xué)報,2014，36(4):939-945. CHEN Tuo,WU Zhi-jian,LIN Bi-cang,et al.Dynamic Stability Analysis of Railway Embankment Engineering in Permafrost Regions of the Qinghai-Tibet Plateau[J].China Earthquake Engineering Journal,2014，36(4):939-945. (in Chinese)

[3] Xu X,Wu J,Shen J,et al.Case Study:Application of GPR to Detection of Hidden Dangers to Underwater Hydraulic Structures[J].Journal of Hydraulic Engineering,2006,132(1):12-20.

[4] 王萬合,王曉柳,劉江平,等.地震映像法在某高速公路巖溶探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報,2007，4(2):141-145. WANG Wan-he,WANG Xiao-liu,LIU Jiang-ping,et al.The Application of Seismic Imaging Method in Exploring Karst Caves of a Superhighway[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics,2007，4(2):141-145.(in Chinese)

[5] 汪華安,左保成,戴旭明,等.數(shù)字光學(xué)成像技術(shù)在嶺澳核電廠的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報,2009，5(增刊2):1757-1762. WANG Hua-an,ZUO Bao-cheng,DAI Xun-ming,et al.Application of Digital Borehole Optical Technique at Ling’ao Nuclear Power Plant[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2009，5(Supp2):1757-1762.(in Chinese)

[6] 謝昭暉,李金銘.我國探地雷達(dá)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].工程勘察,2007(11):71-75. XIE Zhao-hui,LI Jin-ming.The Application Status and Its Prospect of Ground Penetrating Radar (GPR) in China[J].Geotechnical Investigation and Surveying,2007(11):71-75.(in Chinese)

[7] Milkereit B,Eaton D,Wu J,et al.Seismic Imaging of Massive Sulfide Deposits;Part II,Reflection Seismic Profiling[J].Economic Geology,1996,91(5):829-834.

[8] Chen M,Feng S K,Che A L.Propagation Characteristics of Elastic Wave in High-speed Railway Embankment and Its Application to Defect Detection[J].Geotechnical Special Publication,2014(240):20-28.

[9] 劉超.層狀不均勻介質(zhì)中彈性波的傳播特性及其在巖土工程檢測中的應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué),2013. LIU Chao.Propagation Characteristics of Elastic Wave in Inhomogeneous Layered Media and Its Application in Geotechnical Engineering Detection[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2013.(in Chinese)

[10] 車愛蘭,黃醒春,郭強(qiáng),等.利用表面波勘探檢測沉管隧道壓漿法的充填效果[J].上海交通大學(xué)學(xué)報, 2011,45(5):648-652. CHE Ai-lan,HUANG Xing-chun,GUO Qiang,et al.Evaluation of Mud-jack Method Filling Effect of Immersed Tube Tunnel Using Surface Wave Survey Method[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2011,45(5):648-658.(in Chinese)[11] Feng S K,Che A L,Wang H,et al.Study on the Theory,Method,and Application of Impact Imaging Method for Grouting Evaluation[C]//Proceedings of the 11thSEGJ International Symposium,Yokohama, 2012.CD-Rom.

[12] 馮少孔,車愛蘭,吳志堅,等.高密度面波勘探和小型臺陣地脈動觀測在西部地區(qū)地震防災(zāi)中的應(yīng)用[J].地震工程學(xué)報,2013,35(4):780-788. FENG Shao-kong,Che Ai-lan,WU Zhi-jian,et.Application of Surface Wave Surveys and Array Microtremor Observations for Earthquake Disaster Mitigation in Western China[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(4):780-788. (in Chinese)

Full-wave Field Imaging Method and Its Application in Highway Subgrade Defect Detection

ZHONG Peng-fei, CHE Ai-lan, FENG Shao-kong

(SchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Nowadays in China, with increases in the lengths of new highways and the resultant increasing construction times, many personal injuries have occurred as a result of the structural defects such as track-plate fracture, through-cracks, layer alienation gap, and pulping. Investigating the damages of highway structures is an important and difficult subject, especially for defect diagnosis in a structure's support plate and subgrade surface layer. As various current subgrade defect detection methods are limited and ineffective, how to detect faults quickly and accurately is an important issue in civil engineering. In light of the permanent stability of the subgrade of an operational highway, a full-wave field imaging method was developed to detect defects in a highway subgrade. This detection method was a non-destructive testing method based on the characteristics of high-speed highway structures and the existing level of detects. The detection system was composed of a data acquisition system and an imaging system. The data acquisition system utilized a single-point source and a single receiver, in which three-dimensional full-waveforms were created, received, and recorded. First, to evaluate the feasibility of the method to reveal defects, a 3D numerical simulation by a finite-element dynamic method was adopted based on the theory of elastic wave propagation. Using a 3D numerical model, the characteristics of a full-wave field within some defects were studied, then the amplitude and frequency spectrum of the multi-directional response waveforms were analyzed. Based on the synthetic image, the defects were revealed and their locations and sizes agreed well with those of the numerical model. Second, a real full-scale highway subgrade model with pre-setting defects was casted, and relative tests were carried out on it. The size and location of defects revealed by the field experiments were similar to that of the actual model. The accuracy of the full-wave field imaging method proved to meet the detection requirements, such as easy maneuverability and rapid speed of detection. It is concluded that the full-wave field imaging method has high potential in providing quick and effective detection of defects in highway subgrades.

highway; subgrade defect; full-wave field imaging method; three-component; non-destructive testing (NDT)

2015-09-24 基金項目：國家自然科學(xué)基金(11372180)

鐘鵬飛(1988-)，男，碩士生，主要從事彈性波場在巖土工程介質(zhì)中的傳播特性研究。

車愛蘭(1962-)，女，博士，副教授。E-mail: alche@sjtu.edu.cn。

P315.9

A

1000-0844(2016)06-0942-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0942