全波場映像技術(shù)以及其在高速公路路基缺陷檢測中的研究應(yīng)用

徐天檄

摘 要：為研究高速公路運(yùn)營中路基長期穩(wěn)定性的問題，研發(fā)了一種用于檢測高速公路路基缺陷的無損檢測技術(shù)，稱之為全波場映像技術(shù)。這種技術(shù)的組成是由三維全波場成像系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（單點(diǎn)激發(fā)——單點(diǎn)接收）共同組成的。我們用有限元動力分析法對這項技術(shù)用于高速公路路基缺陷檢測的準(zhǔn)確性進(jìn)行研究，同時進(jìn)行三維數(shù)值模擬。在研究全波場傳播特性中，首先分析其波形與三維缺陷模型成像圖中所顯示的缺陷區(qū)域及大小位置是否基本吻合，然后在缺陷等比例的高速公路模型中進(jìn)行實驗驗證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該項技術(shù)具有極高的準(zhǔn)確性，能夠精準(zhǔn)地檢測出高速公路路基缺陷的區(qū)域及大小。

關(guān)鍵詞：全波場映像技術(shù)；高速公路；路基缺陷檢測；研究應(yīng)用

1 高速公路路基缺陷主要類型

由于負(fù)荷超標(biāo)、施工材料或土質(zhì)松軟等因素，往往會使得高速公路路基出現(xiàn)裂縫、空洞和不均勻沉降等缺陷與病害，導(dǎo)致公路路面損壞。在特殊氣候、軟土路基等特殊路基工程的情況下，給高速公路路基結(jié)構(gòu)的損害會更加嚴(yán)重，不利于高速公路的長期穩(wěn)定、安全運(yùn)營以及正常使用，并且嚴(yán)重影響到了抗震的穩(wěn)定性。

2 檢測高速公路路基缺陷的主要方法

對高速公路的檢測是公路工程中最重要的環(huán)節(jié)之一，而目前對于高速公路路基缺陷病害的檢測方法中，地震映像檢測、探底雷達(dá)技術(shù)（GPR）、及數(shù)字鉆孔成像技術(shù)應(yīng)用較為廣泛[3]。其中，地震映像檢測是通過對比反射波走時和振幅來區(qū)分所探測的路基結(jié)構(gòu)中不良地質(zhì)的一種淺層地球物理方式。其缺點(diǎn)是精確度不高，所以僅適用于如米級等尺度較大的路基結(jié)構(gòu)，不用于對小范圍的精確檢測。探底雷達(dá)技術(shù)由于會受到地下水、鋼筋網(wǎng)等影響，僅適用于對于如裂縫、沉陷、脫空、含水量過大等路面以下基層及填土路基中的缺陷檢測。而對于有損檢測手段的數(shù)字鉆孔成像技術(shù)，僅作為單證驗證。

近年來，彈性波成像技術(shù)不斷發(fā)展，逐漸受到了無損檢測（NDT）領(lǐng)域中的關(guān)注。這種技術(shù)手段中的沖擊映像法，是通過小鋼球或小鐵捶等人工輕敲介質(zhì)表面的方式，使得應(yīng)力波在介質(zhì)內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到缺陷在形成反射的原理來檢測地下結(jié)構(gòu)缺陷及危害。當(dāng)應(yīng)力波反射所引起的位移差波會被接收器所記錄，再根據(jù)應(yīng)力波的振幅-頻率關(guān)系圖，卓越頻譜與波形振幅兩者之間的變化進(jìn)行分析，以得到出有關(guān)地下內(nèi)部結(jié)構(gòu)中介質(zhì)內(nèi)部的缺陷和危害情況。沖擊映像法、地震映像法等均屬于彈性波檢測方法，這些方式大多僅為單方向接收彈性波信號，那么當(dāng)其遇到邊界反射等影響時，其圖像結(jié)果的精準(zhǔn)度就會下降。為了能克服這些缺點(diǎn)，全波場映像技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。與彈性波檢測方法不同，全波場映像技術(shù)是使用多方向的彈性波信號來獲取更多的檢測信息。本文采用有限元動力分析法的全場傳播特性應(yīng)用于高速公路路基缺陷檢測的準(zhǔn)確性，并與之前所建立的，帶有缺陷三維數(shù)值模擬共同研究。發(fā)現(xiàn)其波形與三維缺陷模型成像圖中所顯示的缺陷區(qū)域及大小位置，以及在現(xiàn)場探測中的缺陷位置、大小等基本吻合，這就說明了全波場映像技術(shù)應(yīng)用在高速公路路基缺陷病害檢測中具有極高的準(zhǔn)確性。

3 全波場映像技術(shù)原理

在波動理論中，形成波動主要是在半無限空間層的介質(zhì)中，因介質(zhì)表面在受到瞬時的沖擊作用時，其作用點(diǎn)則會產(chǎn)生瞬時振動而向遠(yuǎn)處傳播。波動在介質(zhì)傳播中又分為體波、面波，該兩種又可分為多種不同形式，如體波分為橫波（S）、縱波（P），面波分為勒夫波（U）、瑞雷波（R）。其中，橫波還具有垂直分量SV波、水平分量3只波。以層狀介質(zhì)為例，在介質(zhì)傳播時，如果彈性波遇到不連續(xù)的介質(zhì)界面，則有可能會導(dǎo)致反射產(chǎn)生。為了將地下構(gòu)造情況能夠反映出來，可以通過分析反射波的強(qiáng)弱進(jìn)行。通過以上的論述，可以明確全波映像技術(shù)的組成，主要是通過單點(diǎn)激發(fā)——單點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、三維全波場成像系統(tǒng)，并且，單點(diǎn)激發(fā)——單點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在介質(zhì)表面布置的過程與實際檢測的過程極為相似，均是在模型上進(jìn)行一系列激發(fā)與接收數(shù)據(jù)，如圖1中第一次檢驗發(fā)熱一組激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)主要是Sz和Rz所代表。

將所需要接收的各個方向的響應(yīng)信號通過計算機(jī)上各個接收點(diǎn)R來表示，并進(jìn)行記錄。在通常情況下，主要采用x、y、z三個方向的響應(yīng)信號。

4 三維有限元缺陷模型

4.1 三維有限元模型

三維有限元模型可以通過常見的公路結(jié)構(gòu)建立，且還需將路基缺陷設(shè)置在其中。整個模型的組成主要是通過路面、路基、路基的缺陷區(qū)域三部分組成。將整個模型的單元劃分為125168個、節(jié)點(diǎn)為141948個，正六面體，0.1m×0.1m×0.1m為有限元網(wǎng)格尺寸。采用無限無邊界構(gòu)成模型底部的邊界，從而使邊界處的P波、S波能夠吸收作為其他自由邊界。

4.2 模型參數(shù)及荷載

根據(jù)實際情況選取模型材料參數(shù)，采用軟淤泥質(zhì)土對缺陷部分進(jìn)行填充。介質(zhì)密度為ρ，彈性模量為E，泊松比為μ。2.5×10-5s為波的采樣間隔，持續(xù)時間為0.0512s，將固有頻率設(shè)定在1500Hz、采樣頻率設(shè)定在0至4000Hz。作用點(diǎn)位于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處，而荷載方式則選用垂直集中加載方式。

4.3 全波場響應(yīng)波形特性

通過模型表面，將模擬檢測過程中一系列的激發(fā)與接收數(shù)據(jù)均在其進(jìn)行，圖2為測線布置圖。

采用測線1作為例子，與三個接收點(diǎn)上獲得各個接收點(diǎn)的平行響應(yīng)后，為使頻譜特征接收點(diǎn)坐標(biāo)能夠羅列在一起，可以通過FFT進(jìn)行分析。

通過以上分析圖，能夠看出響應(yīng)波形頻譜在各個方向上均卓越在1600Hz上，但是，其中卓越振幅所對應(yīng)的不同位置上均不同。并且，越接近缺陷區(qū)域附近越能夠看出卓越振幅的效應(yīng)有顯著放大的現(xiàn)象，所以，可以認(rèn)為該反應(yīng)是因混凝土之間的界面處與彈性波在缺陷區(qū)域中產(chǎn)生反射的。因此，采用測線1和測線4作為例子，研究激發(fā)與接收位置對波形的影響，以及定量化顯示強(qiáng)反射所造成的相應(yīng)波形頻譜放大倍率。

通過結(jié)果能夠看出，相比于接受位置，沖擊位置缺陷敏感度的位置較大。并且，對橫向進(jìn)一步比較，卓越振幅最大、最明顯的為z方向，最小為x方向。通過查看檢測區(qū)域內(nèi)的平面分布圖，明確看到所有區(qū)域位置與所缺陷的位置吻合。因此，說明了最為明顯和準(zhǔn)確的結(jié)果是z方向上的響應(yīng)波形。

5 針對高速公路路基缺陷的模型試驗

實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。因此，實際性的現(xiàn)場模型試驗是有效檢驗理論正確與否以及將理論指導(dǎo)應(yīng)用至實踐的最重要措施之一。為能夠進(jìn)一步科學(xué)評估和體現(xiàn)出全波場映像技術(shù)的準(zhǔn)確性與可行性，本文在某高速公路模型中預(yù)設(shè)路基缺陷，并就此進(jìn)行了模型試驗。

5.1 等比例模型的現(xiàn)場試驗

圖3為某試驗場高速公路的等比例模型剖面。從圖中可以看出，路基與路面之間有一個深度約為2cm的耦合層（由黏土構(gòu)成）；由混凝土鋪成該高速公路路面，路面尺寸為5.80m×2.00m×0.25m；由瀝青碎石鋪成該高速公路路基，路基尺寸為7.50m×3.00m×0.50m。于該公路模型的路基頂部設(shè)置一個尺寸為0.50m×0.50m×0.15m左右的缺陷區(qū)域，而后對混凝土路面面板進(jìn)行吊裝覆蓋。參考數(shù)值模擬形式，本次試驗在混凝土路面板表面進(jìn)行（主要包括激發(fā)和接收）。數(shù)據(jù)采集儀器以及三分量檢波器是全波場映像法檢測系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分。由專業(yè)檢測人員利用常規(guī)橡膠錘（0.454kg）激發(fā)震源，并利用三分量檢波器對一個垂直方向彈性波信號和兩個水平方向信號進(jìn)行采集。值得注意的是，在著手檢測時，首先應(yīng)將三分量檢波器與震源之間保持0.20m的間距，將兩者的沖擊點(diǎn)間距設(shè)置為0.30m，為每條測線分配8個三分量檢波器。

5.2 采集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行全面性分析

利用快速傅氏變換法（FFT）就三分量檢波器所記錄的彈性波速度信號進(jìn)行深入性分析，并總結(jié)出波形的頻譜特征。以測線4為例，分析其響應(yīng)波形頻譜特征，發(fā)現(xiàn)其三個方向上接近缺陷位置處的響應(yīng)波形頻譜振幅存在明顯上升現(xiàn)象。由此不難看出R波與SH波在混凝土與缺陷之間產(chǎn)生了反射現(xiàn)象。本次等比例模型現(xiàn)場試驗所得的缺陷綜合情況（大小、位置等）在很大程度上與預(yù)設(shè)缺陷相吻合，從而在驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步證明了應(yīng)用全波場映像法檢測技術(shù)對高速公路缺陷進(jìn)行檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。

6 高速公路路基建設(shè)防護(hù)對策

6.1 三維網(wǎng)植草

三維網(wǎng)植草主要是確保及提升公路路基邊坡的穩(wěn)定性，因此，在進(jìn)行三維網(wǎng)植草的過程中應(yīng)根據(jù)相關(guān)的施工流程進(jìn)行施工，從而能夠使施工質(zhì)量得到保證及符合建設(shè)要求。首先，在進(jìn)行網(wǎng)墊前，應(yīng)對邊坡上的雜草、碎石塊進(jìn)行清理，進(jìn)而讓坡面的平整能夠保持。在施工過程中，若出現(xiàn)坡面較為干燥的情況，則應(yīng)采取澆水潤土措施。在鋪設(shè)過程中，要由上而下鋪設(shè)網(wǎng)墊，檢出已超出底坡的網(wǎng)墊，然后再進(jìn)行加固處理?？刹捎弥衲具M(jìn)行加固，長度為15cm、截面直徑為1cm。方式為右上到下。

此外，還需在路肩內(nèi)15cm左右的范圍向下開挖一個溝槽，深度為10cm，以及以竹木加固網(wǎng)墊后再用土填埋。采用搭架的方式處理網(wǎng)墊相互的連接處，寬度為5cm左右，然后使用竹木進(jìn)行固定。固定完成后，在網(wǎng)墊上鋪設(shè)一些細(xì)密的泥土，然后進(jìn)行草籽播撒，再將土壤鋪設(shè)其中，最后掃平表面工程。完工后，對于植物需要進(jìn)行澆筑、養(yǎng)護(hù)，促進(jìn)成長，從而使其對邊坡能夠起到加固作用。

6.2 坡面防護(hù)

防止地表水對路基的沖刷以及防止坡面巖土風(fēng)化剝落和使路基盡可能地與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)是進(jìn)行坡面防護(hù)的主要目的。近年來，人類對生態(tài)環(huán)境的重視度越來越高，高速公路邊坡上的綠化度也隨之增加，且多以花草樹木進(jìn)行防護(hù)。若公路邊坡較高，則多以砌石框格種植的方式進(jìn)行防護(hù)。由于各地區(qū)土壤、水分等自然條件不同，因此在選擇路基邊坡的植物防護(hù)類型時要因地制宜。目前，各地區(qū)多以草坪植生帶對高速公路路基坡面進(jìn)行防護(hù)。

6.3 噴播防護(hù)

采用噴播防護(hù)技術(shù)進(jìn)行路基防護(hù)，為有效確保鋪面平整，應(yīng)處理好邊坡上的平整度、邊鋪上的雜物，并且，還要對加固處理松動不平整的坡面，選擇點(diǎn)狀噴漿方式進(jìn)行。

進(jìn)行邊坡排水處理的過程中，相關(guān)人員應(yīng)對涌水、坡面徑流的問題綜合各方面充分考慮。施工過程中可在坡面上安置泄水管，從而使涌水引到坡地；如果坡面上有生長植物，在其不影響施工過程的前提下，可以選擇保留，并且，還要確保與坡面存在相應(yīng)的粗糙度。因此，在進(jìn)行施工時，為預(yù)防水土流失，利于植物生長，可以在鋪面上進(jìn)行一些粗糙面的修造。進(jìn)行噴射工作時，應(yīng)遵循施工原則，由上到下進(jìn)行，使坡平面與噴射口保持平衡，距離適宜在1m左右，此外，還要將噴射厚度的均勻性控制到恰當(dāng)。噴射過程中，按規(guī)定的配合將基礎(chǔ)材料與噴射材料進(jìn)行配置好，從而使噴射材料的均勻性能夠有效保持。

7 結(jié)論

（1）以彈性波在層狀介質(zhì)空間的傳播機(jī)理為依據(jù)提出全波場映像技術(shù)，從而形成“單點(diǎn)激發(fā)——單點(diǎn)接收”的數(shù)據(jù)采集模式，并最終形成三維全波場成像系統(tǒng)。

（2）就三維有限元數(shù)值的模擬結(jié)果進(jìn)行分析可知，處于缺陷位置或與缺陷位置相近的反射波均在x、y、z3個方向產(chǎn)生了卓越頻譜不斷放大的效應(yīng)。

（3）在高速公路等比例模型的預(yù)設(shè)缺陷中使用全波場映像法檢測技術(shù)，試驗結(jié)果所體現(xiàn)的缺陷綜合情況與實際模型中的缺陷基本吻合，這就體現(xiàn)了全波場映像法檢測技術(shù)的準(zhǔn)確性和安全可靠性。同時，作為一種無損檢測方法，采用全波場映像法檢測技術(shù)對高速公路路基缺陷進(jìn)行檢測有著極為重要的作用和意義。

參考文獻(xiàn)

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