基于聲波信號(hào)分析的公路橋梁路面裂縫深度檢測(cè)方法

徐煥明

（煙臺(tái)市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 煙臺(tái) 261400）

0 引言

近年來(lái)，在新時(shí)代背景下，隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)投資與重視程度的增加，基礎(chǔ)設(shè)施的修建和維護(hù)水平日趨成熟，尤其是對(duì)于公路的檢測(cè)維護(hù)，在一定程度上提升了人們?nèi)粘５某鲂邪踩?，?duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有積極作用[1]。

我國(guó)公路大多分布在山區(qū)，這些區(qū)域雖然廣袤，但地勢(shì)崎嶇、陡峭，蜿蜒擴(kuò)展[2]。不僅如此，公路的邊坡數(shù)量較多且角度多變，使坡體表面常年裸露在外，經(jīng)過(guò)風(fēng)力侵蝕以及外部因素的沖擊，常出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，導(dǎo)致公路損壞以及公路橋梁裂縫的延伸。以我國(guó)西南部的公路為例[3]，這一區(qū)域多河流，高速公路為公路橋梁形式，但公路修建地區(qū)坡體多變，地勢(shì)險(xiǎn)峻，內(nèi)部地質(zhì)復(fù)雜，縫隙發(fā)育，缺乏穩(wěn)定性。在上述的背景環(huán)境之下，公路的外部壓力劇增，使內(nèi)部縫隙逐漸累積疊加，給修護(hù)檢測(cè)工作的實(shí)施造成阻礙[4]。

聲波信號(hào)分析法是較為先進(jìn)的智能檢測(cè)方式，對(duì)于縫隙的掃描與分析十分靈活多變，即使在復(fù)雜的維修情況之下，也可得出較為精準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果。因此，對(duì)基于聲波信號(hào)分析的公路橋梁路面裂縫深度檢測(cè)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。在較為真實(shí)的環(huán)境之下，結(jié)合公路實(shí)際地勢(shì)以及修建需求，設(shè)計(jì)具體的檢測(cè)方案，針對(duì)突出問(wèn)題具體處理分析，取代人工檢測(cè)，形成更為系統(tǒng)、完整的檢測(cè)體系，為檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展奠定基礎(chǔ)，同時(shí)推動(dòng)相關(guān)行業(yè)邁入新的發(fā)展臺(tái)階。

1 聲波信號(hào)分析下公路橋梁路面裂縫深度檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 聲波信號(hào)檢測(cè)環(huán)境預(yù)處理

通常情況下，對(duì)于公路橋梁的路面裂縫深度，均會(huì)依據(jù)傳統(tǒng)的方式來(lái)檢測(cè)，多為人工檢測(cè)。這種方式雖然可以完成預(yù)期檢測(cè)目標(biāo)，但缺乏可靠性與穩(wěn)定性，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)失誤或異常的現(xiàn)象，最終對(duì)路面深度檢測(cè)的結(jié)果造成影響。因此，在上述情況下，需要結(jié)合現(xiàn)代化方式與手段，測(cè)定裂縫實(shí)際深度[6]。聲波信號(hào)檢測(cè)方法雖然高效，但是需要先搭建相應(yīng)的測(cè)定環(huán)境，進(jìn)行檢測(cè)預(yù)處理。依據(jù)初始的深度數(shù)據(jù)信息，調(diào)整應(yīng)用的聲波信號(hào)覆蓋范圍，計(jì)算覆蓋核心距離，如式（1）所示：

式（1）中：B為覆蓋核心距離；κ為預(yù)設(shè)檢測(cè)面積；R為異常檢測(cè)區(qū)域；z為檢測(cè)幅值；c為裂縫數(shù)量。通過(guò)上述計(jì)算，最終可得出實(shí)際的覆蓋核心距離。結(jié)合得出的核心距離，設(shè)定聲波信號(hào)的預(yù)處理范圍，同時(shí)，定位公路橋梁的路面裂縫長(zhǎng)度，計(jì)算裂縫數(shù)量，利用聲波信號(hào)對(duì)路面掃描獲取初始的數(shù)據(jù)信息，完成路面裂縫深度檢測(cè)的預(yù)處理，為后續(xù)的檢測(cè)工作奠定基礎(chǔ)。

1.2 公路橋梁路面裂縫深度檢測(cè)目標(biāo)設(shè)定

在完成對(duì)聲波信號(hào)檢測(cè)預(yù)處理工作后，需要設(shè)定更為具體裂縫深度檢測(cè)目標(biāo)。由于傳統(tǒng)檢測(cè)形式多為人工檢測(cè)，因此設(shè)定的檢測(cè)目標(biāo)相對(duì)主觀，極易出現(xiàn)誤差[7]。在聲波信號(hào)技術(shù)可將獲取的裂縫深度數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，設(shè)定結(jié)合協(xié)議編制平臺(tái)，將所需要處理、操作步驟設(shè)定成具體的協(xié)議指令信號(hào)，由系統(tǒng)向外設(shè)備傳輸，以達(dá)到預(yù)期的檢測(cè)目的[8]。考慮到路面檢測(cè)情況的變化與復(fù)雜度，所設(shè)立的目標(biāo)也需具有靈活性與多變性?；诖?，可結(jié)合路面的應(yīng)用情況，將檢測(cè)的深度設(shè)定為不用的層級(jí)，每一個(gè)層級(jí)的裂縫程度與數(shù)量均存在一定差異，層級(jí)的變化表示檢測(cè)目標(biāo)的加深，具體檢測(cè)目標(biāo)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測(cè)目標(biāo)結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)上述層級(jí)結(jié)構(gòu)，將加測(cè)目標(biāo)劃定在實(shí)際的目標(biāo)路面處，以確保測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，進(jìn)而完成公路橋梁路面裂縫深度檢測(cè)目標(biāo)的設(shè)定。

1.3 構(gòu)建交錯(cuò)低秩組卷積混合深度檢測(cè)結(jié)構(gòu)

在完成對(duì)公路橋梁路面裂縫深度檢測(cè)目標(biāo)的設(shè)定后，需要構(gòu)建交錯(cuò)低秩組卷積混合深度檢測(cè)結(jié)構(gòu)。公路路面裂縫檢測(cè)的關(guān)鍵是定位裂縫的位置，而傳統(tǒng)檢測(cè)方法定位的效率相對(duì)較低，對(duì)于裂縫的聚合程度把控也較難，因此，需應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行公路路面裂縫的檢測(cè)。交錯(cuò)低秩組卷積混合深度檢測(cè)方法則更加靈活多變，多被應(yīng)用于中小型裂縫的檢測(cè)工作之中。

根據(jù)路面的交錯(cuò)低秩組面積，設(shè)定具體的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)均是獨(dú)立的，且各自代表對(duì)應(yīng)的檢測(cè)區(qū)域，利用聲波進(jìn)行掃描，并標(biāo)記重點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域，采取正、負(fù)樣本，如果裂縫像素位于一個(gè)圖像塊的中心區(qū)域，標(biāo)記為正樣本，反之，則被標(biāo)記為負(fù)樣本。依照卷積復(fù)合深度預(yù)設(shè)的檢測(cè)范圍，建立路面裂縫圖像數(shù)據(jù)集，結(jié)合相關(guān)技術(shù)，對(duì)于裂縫圖像進(jìn)行二次處理，完成交錯(cuò)低秩組卷積混合深度檢測(cè)結(jié)構(gòu)的建立。

1.4 ILGCHDN雙向檢測(cè)模型設(shè)計(jì)

在完成對(duì)交錯(cuò)低秩組卷積混合深度檢測(cè)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建后，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行ILGCHDN雙向檢測(cè)模型設(shè)計(jì)。ILGCHDN 雙向檢測(cè)是指在復(fù)雜的路面環(huán)境下，依據(jù)專業(yè)設(shè)備形成的ILGCHDN 雙向檢測(cè)環(huán)境，對(duì)于路面中的裂縫深度可更加完整地檢測(cè)。先進(jìn)行雙向檢測(cè)目標(biāo)的設(shè)定，同時(shí)，在基礎(chǔ)檢測(cè)模型中，添加交錯(cuò)低秩組卷積混合深度檢測(cè)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)更改ILGCHDN的檢測(cè)方位，對(duì)公路側(cè)向雙方的路面同時(shí)收歸檢測(cè)，得出雙向核檢檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理，測(cè)定的區(qū)域已經(jīng)明確，隨后，設(shè)計(jì)雙向處理流程，具體如圖2所示。

圖2 雙向檢測(cè)處理流程圖

將此流程與檢測(cè)的結(jié)果統(tǒng)一，在此范圍之內(nèi)，計(jì)算出最優(yōu)檢測(cè)系數(shù)，具體如式（2）所示：

式（2）中：F為最優(yōu)檢測(cè)系數(shù)；b為節(jié)點(diǎn)數(shù)量；φ為側(cè)向節(jié)點(diǎn)數(shù)量；k為變化檢測(cè)范圍。通過(guò)上述計(jì)算，最終可得出實(shí)際的最優(yōu)檢測(cè)系數(shù)，優(yōu)化完善ILGCHDN 雙向檢測(cè)模型。

1.5 瞬態(tài)聲波法實(shí)現(xiàn)公路橋梁路面的裂縫深度檢測(cè)

在完成對(duì)ILGCHDN 雙向檢測(cè)模型的設(shè)計(jì)后，接下來(lái)，采用瞬態(tài)聲波法來(lái)實(shí)現(xiàn)最終檢測(cè)。設(shè)定聲波的覆蓋范圍，調(diào)整瞬態(tài)作用值，選取公路橋梁的核心區(qū)域或者裂縫聚集區(qū)進(jìn)行首次深度檢測(cè)，獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)之后，與標(biāo)準(zhǔn)裂縫數(shù)量對(duì)比，數(shù)量過(guò)多，表明路面承壓較多應(yīng)用危險(xiǎn)系數(shù)較高，反之，則表明承壓在合理的范圍之內(nèi)，危險(xiǎn)系數(shù)均衡，檢測(cè)誤差也可更好地控制，以有效完善優(yōu)化最終的橋梁路面裂縫深度的檢測(cè)結(jié)果。

2 方法測(cè)試

本次主要是對(duì)基于聲波信號(hào)分析的公路橋梁路面裂縫深度檢測(cè)效果的分析與驗(yàn)證。為確保測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，測(cè)試劃定為3個(gè)小組，分別采用三種檢測(cè)方法對(duì)公路橋梁路面的裂縫深度進(jìn)行檢測(cè)。第一組為傳統(tǒng)的垂直檢測(cè)方法，將其設(shè)定為傳統(tǒng)垂直裂縫深度檢測(cè)組；第二組為傳統(tǒng)的混合形態(tài)分割檢測(cè)方法，將其設(shè)定為傳統(tǒng)混合形態(tài)分割檢測(cè)組；最后一組為本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法，將其設(shè)定為聲波信號(hào)裂縫檢測(cè)組。三組檢測(cè)方法在相同的環(huán)境之下同時(shí)實(shí)施，最終得出測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

在對(duì)基于聲波信號(hào)分析的公路橋梁路面裂縫深度檢測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證與分析前，需要先搭建相應(yīng)的測(cè)試環(huán)境。本文選取A 公路橋梁作為測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象，且三組測(cè)試在相同環(huán)境下進(jìn)行。測(cè)試環(huán)境的搭建共分為兩部分，外部測(cè)試環(huán)境的建立與聲波信號(hào)測(cè)試環(huán)境的建立。

外部測(cè)試環(huán)境主要設(shè)定輔助性的裝置。在A公路橋梁的雙側(cè)方設(shè)定關(guān)聯(lián)墻，墻體的厚度是橋梁厚度的一半，隨后結(jié)合公路路面的承壓面積，計(jì)算出初始的承壓力，具體如式（3）所示：

式（3）中：H為承壓力；d為關(guān)聯(lián)承壓極限值；β為側(cè)方承壓。根據(jù)上述計(jì)算，最終可得出實(shí)際的初始承壓力。在初始?jí)毫χ档姆秶畠?nèi)，建立維護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)外邊緣邊坡的作用方向，修建路面的檢測(cè)輔助架。隨后，利用專業(yè)設(shè)備獲取整合該公路橋梁的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)，為確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性，可先對(duì)路面的基層裂縫進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)行基礎(chǔ)裂縫的深度計(jì)算，如式（4）所示：

式（4）中：Y為基礎(chǔ)裂縫的深度；n為裂縫橫向長(zhǎng)度；t為單元區(qū)域裂縫數(shù)量；α為預(yù)設(shè)固定范圍。通過(guò)上述計(jì)算，最終可得出實(shí)際的基礎(chǔ)裂縫深度。隨后，結(jié)合得出的數(shù)據(jù)，進(jìn)行公路橋梁路面實(shí)際情況的分析與研究，隨后，結(jié)合檢測(cè)的需求，搭建聲波信號(hào)的分析環(huán)境。首先，需要先設(shè)定所應(yīng)用的不同聲波逆向檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，具體如表1所示。

表1 不同聲波裂縫檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定表

依據(jù)表1 所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，明確聲波信號(hào)分析的順序，完成相應(yīng)的測(cè)試準(zhǔn)備，核定測(cè)試的裝備是否處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，確保不存在影響最終測(cè)試結(jié)果的外部因素，完成之后，開(kāi)始測(cè)試。

2.2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

在上述所設(shè)定的測(cè)試環(huán)境之中，開(kāi)始檢測(cè)驗(yàn)證，可先依據(jù)不同的聲波設(shè)定相應(yīng)測(cè)試環(huán)境。隨后，測(cè)量A公路的首端寬度與末端寬度，核定選取中心值，在A公路中選取一個(gè)標(biāo)定路段作為目標(biāo)檢測(cè)對(duì)象，利用專業(yè)設(shè)備檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象路段中的裂縫深度，明確最大深度和最小深度，計(jì)算出極限差異值，具體如式（5）所示：

式（5）中：D為極限差異值；g為目標(biāo)測(cè)定面積；s為誤差測(cè)定面積；N為裂縫雙向深度值。通過(guò)上述計(jì)算，最終可得出實(shí)際的極限差異值。完成之后，以所得出的差異值作為允許出現(xiàn)的極限誤差標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定具體的深度檢測(cè)范圍，同時(shí)利用聲波傳輸設(shè)備，對(duì)目標(biāo)路段進(jìn)行深度掃描，這部分需要利用回彈聲波、逆聲波以及雙向定位聲波作出檢測(cè)。根據(jù)聲波的回彈速度以及所確定的方位，對(duì)路面的裂縫深度進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)結(jié)合雙向定位聲波對(duì)裂縫首尾兩端距離測(cè)定，即為對(duì)裂縫長(zhǎng)度的測(cè)定。根據(jù)實(shí)際的情況，將所測(cè)定的路段劃分為5個(gè)測(cè)試路段區(qū)域，同時(shí)對(duì)三組方法同時(shí)測(cè)試，最終以對(duì)比的形式分析研究，具體如表2所示。

表2 路面裂縫深度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析表

相較于傳統(tǒng)垂直裂縫深度檢測(cè)組與傳統(tǒng)混合形態(tài)分割檢測(cè)組，本文所設(shè)計(jì)的聲波信號(hào)裂縫檢測(cè)組最終得出的裂縫深度誤差均值相對(duì)較小，表明測(cè)試的方法具有更強(qiáng)的可靠性，最終結(jié)果也更為準(zhǔn)確，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)基于聲波信號(hào)分析的公路橋梁路面裂縫深度檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)與分析。相較于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，本文所設(shè)計(jì)的方法在聲波信號(hào)分析技術(shù)的輔助與支持之下，可形成更加靈活的檢測(cè)形式，在一定程度上簡(jiǎn)化了公路縫隙的檢測(cè)環(huán)節(jié)。同時(shí)，信號(hào)檢測(cè)對(duì)于公路的應(yīng)用與維護(hù)不會(huì)造成任何的損壞與阻礙，檢測(cè)成本相對(duì)較低，具有多樣性的優(yōu)勢(shì)，在面對(duì)復(fù)雜的公路環(huán)境時(shí)，也可結(jié)合計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，得出精準(zhǔn)、可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)，最大程度提升路面裂縫的檢測(cè)精度，確保施工順利完成。