基于聲波頻譜特征的土體障礙物超聲探測(cè)分析

楊立君，諸 岧

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海市 200092；2.上海隧道工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海市 201109）

0 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，交通工程的規(guī)模和數(shù)量也呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)[1]。同時(shí)，我國(guó)的隧道及地下工程建設(shè)也得到了空前的發(fā)展[2]。我國(guó)已經(jīng)成為世界上隧道及地下工程的建設(shè)大國(guó)[3]。在多年的城市地鐵建設(shè)中，發(fā)展了一系列適合我國(guó)實(shí)際條件的地鐵隧道施工方法，其中，盾構(gòu)法因施工速度快，對(duì)環(huán)境影響小，適應(yīng)能力強(qiáng)以及安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在城市地鐵建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵隧道建設(shè)的空間受到越來(lái)越多的限制，出現(xiàn)了越來(lái)越多的復(fù)雜困難情況[6]。目前，多樣化的地質(zhì)水文條件依然是盾構(gòu)法施工過(guò)程中不可忽視的難題，包括斷層、暗河、孤石等不良地質(zhì)。其中，孤石是存在于軟質(zhì)風(fēng)化層中的花崗巖球狀風(fēng)化體[7]，是地鐵隧道盾構(gòu)法施工過(guò)程中的巨大障礙[8]。這些孤石會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)頻繁卡住甚至變形，影響工期進(jìn)展，在嚴(yán)重情況下，孤石還會(huì)引起工作面的噴涌和塌方，從而導(dǎo)致突發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害[9]。因此，在盾構(gòu)開(kāi)挖之前，精確地勘察清楚挖掘區(qū)域范圍內(nèi)孤石群的分布情況，是地鐵盾構(gòu)工程建設(shè)過(guò)程中急需解決的難題[10]。

為了提高對(duì)不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)的精確度，周輪[10]提出運(yùn)用隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，即運(yùn)用宏觀地質(zhì)分析法、TSP 地震波法、地質(zhì)雷達(dá)法以及超前鉆探相結(jié)合的綜合解決方案，提高不良地質(zhì)體超前地質(zhì)預(yù)報(bào)精度。超聲波探測(cè)技術(shù)最初在我國(guó)巖土行業(yè)中被應(yīng)用于地層探測(cè)，后來(lái)在混凝土無(wú)損檢測(cè)和樁身完整性檢測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用，并在海底殘樁檢測(cè)中也表現(xiàn)出良好的效果。該技術(shù)具有探測(cè)精度高、穿透性強(qiáng)以及操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。因此，將超聲波探測(cè)技術(shù)加入到盾構(gòu)隧道超前預(yù)報(bào)的綜合探測(cè)方案，與其他超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)相結(jié)合，共同解決目前盾構(gòu)施工遇到的孤石等各類(lèi)地質(zhì)問(wèn)題具有十分重要的意義。

1 超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)技術(shù)是一種利用超聲波在物體內(nèi)部的傳播特性來(lái)對(duì)物體進(jìn)行非破壞性檢測(cè)的技術(shù)[11]。在實(shí)際超聲波檢測(cè)中，利用超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生高頻振動(dòng)，將超聲波傳播到被測(cè)物體的內(nèi)部，當(dāng)超聲波在物體內(nèi)部傳播過(guò)程中遇到缺陷或異質(zhì)界面時(shí)，會(huì)發(fā)生聲波的反射、折射、繞射等現(xiàn)象，即一部分聲能會(huì)反射回來(lái)，另一部分聲能會(huì)透過(guò)缺陷區(qū)域繼續(xù)傳播，并到達(dá)接收換能器。通過(guò)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析，可以得到被檢測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性及缺陷信息，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的檢測(cè)。

超聲波透射法是超聲波檢測(cè)方法中十分常用的一種方法，其檢測(cè)原理如圖1 所示，利用這種檢測(cè)原理制造的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)在許多實(shí)際工程中得到應(yīng)用。透射法是通過(guò)對(duì)比不同位置處超聲波接收換能器接收到的信號(hào)的幅值、頻率等指標(biāo)的變化來(lái)判斷被測(cè)物體內(nèi)部的缺陷情況[12]。而頻率是指聲波振動(dòng)的周期性特征，描述的是波列中質(zhì)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)。當(dāng)超聲波在性質(zhì)不均勻的材料中傳播時(shí)，由于超聲脈沖波具有復(fù)頻性，其包含多種不同頻率成分的聲波，且不同頻率成分聲波在傳播過(guò)程中吸收、衰減也不同，以及超聲波在不均質(zhì)材料中具有不同的振動(dòng)特性，導(dǎo)致?lián)Q能器接收到的信號(hào)頻譜非常復(fù)雜[13]。當(dāng)被檢測(cè)物體內(nèi)部存在缺陷或障礙物時(shí)，超聲波的傳播路徑變長(zhǎng)，同時(shí)，由于頻散現(xiàn)象使得到達(dá)接收換能器的波形是多種不同頻率波的疊加，因此缺陷或障礙物會(huì)對(duì)接收信號(hào)的頻率成分產(chǎn)生影響，研究接收信號(hào)的頻率成分可以反映出被檢測(cè)物體的內(nèi)部情況。

圖1 聲波透射法原理示意圖

2 室內(nèi)試驗(yàn)方案

為了探究土體中超聲波的傳播特性，以及在不同情況下對(duì)障礙物的探測(cè)能力，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法，以上海市某地區(qū)的黏性土為研究介質(zhì)。試驗(yàn)采用的模型箱長(zhǎng)2.5 m，寬和高均為2.0 m。為了模擬土中障礙物的探測(cè)情況，選擇了混凝土試塊作為障礙物，混凝土試塊的大小為40×40×40 cm。試驗(yàn)采用的探測(cè)設(shè)備是北京智博聯(lián)生產(chǎn)的ZBL-U5600 非金屬超聲檢測(cè)儀，其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 非金屬超聲檢測(cè)儀主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)流程如下，先在模型箱內(nèi)鋪塑料膜進(jìn)行防水處理。將過(guò)篩后的土裝入模型箱，每15 cm 壓實(shí)一層土體，避免拱起并刮毛表面，保證粘合。布置直徑50 mm 的PVC 管和直徑32 mm 的PVC 管，其中50 mm的PVC 管加水作為超聲探測(cè)通道，32 mm 的PVC 管加密封膠作密封處理，作為加水通道，同時(shí)混凝土試塊放置在箱內(nèi)，位置如圖2 所示。不斷填土至模型箱內(nèi)土體高度達(dá)到130 cm，之后在不同位置和深度處取土測(cè)定含水率。在四種距離下使用超聲波設(shè)備進(jìn)行探測(cè)，四種探測(cè)距離如表2 所示。超聲檢測(cè)儀參數(shù)為采樣周期0.8，記錄長(zhǎng)度1024，發(fā)射電壓1000 V，記錄間距2 cm，超聲波換能器中心頻率為45 kHz。通過(guò)預(yù)埋的PVC 管加水改變含水率，三種含水率如表3 所示，進(jìn)行超聲探測(cè)。

表2 探測(cè)距離

表3 含水率

圖2 模型箱內(nèi)P VC 管和混凝土布置（單位：mm）

3 傅里葉變換

傅里葉變換是法國(guó)數(shù)學(xué)家傅里葉所提出的，指出了任何一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)都可以表示為簡(jiǎn)單的正弦之和[14]。一個(gè)信號(hào)經(jīng)傅里葉變換之后，橫坐標(biāo)為分離出的正弦信號(hào)的頻率，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的加權(quán)密度。傅里葉變換是一種信號(hào)分析方法，不僅能分析一個(gè)信號(hào)所包含的成分，而且能用不同的成分合成信號(hào)。通過(guò)傅里葉變換可以將時(shí)域形式表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成為頻域形式表達(dá)的信號(hào)，可以從頻域的角度對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理[15]。

連續(xù)函數(shù)f（t）的傅里葉變換公式為：

式中：t 為時(shí)域變量，μ 為頻域變量。

4 頻譜變化特征分析

頻譜是頻率譜密度的簡(jiǎn)稱(chēng)，是表示信號(hào)頻率分布的曲線[13]。在信號(hào)分析中，通常使用傅里葉變換來(lái)將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域，得到信號(hào)的頻譜。頻譜將對(duì)信號(hào)的研究從時(shí)域引入到頻域，從而帶來(lái)信號(hào)更為直觀的理解和認(rèn)識(shí)。信號(hào)的頻譜可以提供信號(hào)在頻域上的信息，對(duì)于信號(hào)的分析具有十分重要的作用[16]。

4.1 含水率對(duì)超聲探測(cè)信號(hào)頻譜的影響

為了探究含水率對(duì)超聲探測(cè)信號(hào)的頻譜影響，以③至④管間超聲探測(cè)信號(hào)為例，分析不同含水率下超聲探測(cè)信號(hào)的頻譜特征變化。圖3 是三種含水率下180 cm 深度處信號(hào)的頻譜，此位置不存在障礙物，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，含水率①下信號(hào)的頻率成分主要位于0～200 kHz 范圍內(nèi)，且在低頻10.99 kHz 處存在一個(gè)極值點(diǎn)，整個(gè)信號(hào)頻譜畸變嚴(yán)重，存在許多毛刺；含水率②下信號(hào)的頻率成分主要位于0～150 kHz范圍內(nèi)，且在低頻7.324 kHz 處存在一個(gè)極值點(diǎn)，整個(gè)信號(hào)頻譜在0～100 kHz 范圍內(nèi)畸變減少，頻譜曲線毛刺減少，但其余頻率范圍內(nèi)仍存在較多毛刺；含水率③下信號(hào)的頻率成分主要位于0～150kHz 范圍內(nèi)，且在低頻6.104 kHz 處存在一個(gè)極值點(diǎn)，整個(gè)信號(hào)頻譜在0～100 kHz 范圍內(nèi)，頻譜曲線毛刺進(jìn)一步減少，曲線變得光滑，但其余頻率范圍內(nèi)仍存在許多毛刺。隨著含水率從10.4%增大至39.6%，信號(hào)的頻譜發(fā)生了明顯的變化。首先，隨著含水率的增大，信號(hào)頻譜曲線的畸變減少，曲線變得平滑，在主要頻率范圍內(nèi)毛刺減少；其次，信號(hào)頻率的主要成分幅值也與黏性土的含水率有關(guān)，隨著含水率的增加，0～100 kHz范圍內(nèi)的頻率幅值明顯增大；另外，對(duì)于低頻存在的極值點(diǎn)，隨著含水率的增大，極值點(diǎn)在逐漸向低頻偏移。

圖3 不同含水率同一位置處超聲探測(cè)信號(hào)頻譜

因?yàn)槌暶}沖在土中傳播時(shí)會(huì)受到土顆粒、孔隙、水等影響，從而發(fā)生反射、折射、散射等現(xiàn)象，導(dǎo)致頻率成分發(fā)生變化，由此可得，含水率增大會(huì)影響超聲信號(hào)的頻譜特征。此外，黏性土含水率增大會(huì)減少土體孔隙中氣體的體積，使超聲波在傳播過(guò)程中反射、折射及衰減減少，使接收信號(hào)的波形頻譜變得光滑。

4.2 探測(cè)距離對(duì)超聲探測(cè)信號(hào)頻譜的影響

以含水率③下超聲探測(cè)信號(hào)為例，分析不同探測(cè)距離下信號(hào)頻譜的變化特征。圖4 是③-④、②-④、②-⑤、①-⑤四種探測(cè)距離下180 cm 深度處的信號(hào)頻譜，該深度處不存在障礙物。從圖中可以看出，不同距離下信號(hào)頻譜曲線的整體趨勢(shì)大致相同，主要頻率范圍分布在0～90 kHz 范圍內(nèi)，在90～300 kHz范圍內(nèi)存在少量頻率成分。觀察四種探測(cè)距離下信號(hào)頻譜在低頻的極值點(diǎn)情況，③至④管間在低頻6.104 kHz 存在極值點(diǎn)，②至④管間在低頻4.883 kHz存在極值點(diǎn)，②至⑤管間在低頻4.883 kHz 和7.324 kHz 存在兩個(gè)相近的極值點(diǎn)，①至⑤管間在低頻4.883 kHz 和8.545 kHz 存在兩個(gè)相近的極值點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著探測(cè)距離的增大，信號(hào)頻譜在低頻的極值點(diǎn)會(huì)由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)，且極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值也相應(yīng)變大。觀察信號(hào)的主要頻率成分范圍0～90 kHz，可以發(fā)現(xiàn)，隨著距離的增大，這一范圍內(nèi)信號(hào)頻譜曲線上毛刺逐漸變多，畸變程度增大，且幅值逐漸減小。對(duì)于90～300 kHz 范圍內(nèi)的頻率成分，在四種探測(cè)距離下均包含大量毛刺，畸變程度較高，且隨著探測(cè)距離的增大，其曲線幅值及畸變程度未發(fā)生明顯變化，表明這一部分頻率主要是噪聲信號(hào)。

圖4 不同探測(cè)距離同一位置處超聲探測(cè)信號(hào)頻譜

上述現(xiàn)象表明發(fā)射探頭和接收探頭之間距離增大會(huì)影響接收信號(hào)的頻譜特征，因?yàn)橥馏w會(huì)對(duì)超聲波的能量產(chǎn)生吸收和散射作用，導(dǎo)致頻譜主要成分的振幅逐漸降低，衰減程度增加。同時(shí)，超聲波在傳播過(guò)程中的傳播速度和衰減程度發(fā)生變化，不同頻率的波具有不同傳播速度，導(dǎo)致波形失真、頻率成分改變。反射和折射現(xiàn)象也會(huì)越來(lái)越明顯，導(dǎo)致信號(hào)的變化和失真，表現(xiàn)為頻譜曲線畸變程度變大、突變點(diǎn)增多。超聲波在傳播過(guò)程中還會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象，使信號(hào)的高頻成分轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l成分，即信號(hào)的低頻幅值增大。

4.3 障礙物對(duì)超聲探測(cè)信號(hào)頻譜的影響

為了探究在不同含水率下障礙物對(duì)超聲探測(cè)信號(hào)的頻譜影響，以③至④管間超聲探測(cè)信號(hào)為例，分析相同含水率下180 cm 深度和140 cm 深度兩個(gè)位置處超聲探測(cè)信號(hào)的頻譜特征變化，其中180 cm 深度處不存在障礙物，140 cm 深度處存在障礙物。圖5至圖7 分別是三種含水率下存在障礙物和不存在障礙物兩個(gè)位置處信號(hào)的頻譜。從圖5 中可以看出，在含水率較低的情況下，障礙物位置處信號(hào)頻譜和無(wú)障礙物位置處信號(hào)頻譜的曲線走勢(shì)大致相同，且曲線上的突變點(diǎn)很多，畸變程度嚴(yán)重。這種情況下，障礙物的存在對(duì)超聲探測(cè)接收的信號(hào)頻譜影響不再明顯，無(wú)法從頻譜圖中看出差別。這是因?yàn)樵诤瘦^低的情況下，黏性土中孔隙率高，土體中存在大量孔隙及空氣與土顆粒界面，超聲波在傳播過(guò)程中在遇到孔隙及空氣與土顆粒界面時(shí)會(huì)發(fā)生大量反射、折射現(xiàn)象，造成接收信號(hào)頻譜存在大量突變點(diǎn)，曲線發(fā)生明顯畸變，在這種情況下，障礙物的存在對(duì)超聲波的傳播和反射影響小于土體對(duì)超聲波傳播的影響。

圖5 含水率①下③至④管間有無(wú)障礙物兩個(gè)位置處信號(hào)頻譜

從圖6 中可以看出，在含水率進(jìn)一步升高的情況下，障礙物位置處信號(hào)頻譜和無(wú)障礙物位置處信號(hào)頻譜的曲線走勢(shì)大致相同，且信號(hào)的頻率的主要成分范圍也相同。隨著含水率的進(jìn)一步提高，有、無(wú)障礙物兩個(gè)位置處信號(hào)的頻譜差異相比于含水率①會(huì)更加明顯。存在障礙物位置處信號(hào)的頻譜相比于無(wú)障礙物位置處信號(hào)頻譜在主要頻率成分方面會(huì)出現(xiàn)更多的突變點(diǎn)，即畸變程度更大。同時(shí)，由于障礙物的存在也導(dǎo)致接收信號(hào)的主要頻率成分幅值出現(xiàn)略微的降低。出現(xiàn)這一系列現(xiàn)象的原因是在含水率較高的情況下，黏性土中孔隙部分被水填滿，土體的孔隙率下降，一部分空氣與土顆粒的界面轉(zhuǎn)變成水與土顆粒的界面，這種變化導(dǎo)致接收信號(hào)頻譜的突變點(diǎn)大量減少，曲線的畸變程度也進(jìn)一步降低，在這種情況下，障礙物的存在對(duì)超聲波的傳播和反射影響逐漸變得明顯。

圖6 含水率②下③至④管間有無(wú)障礙物兩個(gè)位置處信號(hào)頻譜

從圖7 中可以看出，在含水率進(jìn)一步提高的情況下，障礙物位置處信號(hào)頻譜和無(wú)障礙物位置處信號(hào)頻譜的曲線走勢(shì)大致保持相同，且信號(hào)的頻率的主要成分范圍相同。但是，在這種情況下，障礙物的存在對(duì)超聲探測(cè)接收的信號(hào)頻譜影響變得更加明顯，從信號(hào)的頻譜圖上可以看出非常明顯的差異，即存在障礙物位置的信號(hào)頻譜相比于不存在障礙物位置的信號(hào)頻譜，在主要頻率成分范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)更多的突變點(diǎn)，二者的頻譜曲線的畸變程度明顯不同。且存在障礙物位置處信號(hào)的主要頻率成分的幅值也明顯低于不存在障礙物位置處信號(hào)對(duì)應(yīng)頻率成分的幅值。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是在含水率進(jìn)一步提高的情況下，黏性土中的孔隙大部分被水填滿，土體的孔隙率變得很小，大量的空氣與土顆粒的界面轉(zhuǎn)變成水與土顆粒的界面，且超聲波在水中的衰減小于在空氣中的衰減，這種土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致超聲波在土體的傳播路徑發(fā)生很大變化，使得接收信號(hào)頻譜的突變點(diǎn)大量減少，曲線的畸變程度也進(jìn)一步降低，在這種情況下，障礙物的存在使得超聲波在遇到障礙物時(shí)產(chǎn)生的反射、折射現(xiàn)象對(duì)接收信號(hào)的影響逐漸變得明顯。

圖7 含水率③下③至④管間有無(wú)障礙物兩個(gè)位置處信號(hào)頻譜

5 結(jié) 論

根據(jù)超聲檢測(cè)信號(hào)的頻譜分析可知，在含水率較低的情況下，不同探測(cè)距離下接收信號(hào)的頻譜呈畸變狀態(tài)，整個(gè)頻譜曲線上存在大量的突變點(diǎn)；當(dāng)含水率逐漸增大時(shí)，不同探測(cè)距離下的接收信號(hào)的頻譜曲線逐漸變得平滑，突變點(diǎn)數(shù)量減少。這表明含水率的高低對(duì)超聲波的探測(cè)效果有著一定的影響，當(dāng)含水率較低時(shí)，不同探測(cè)距離下的頻譜曲線畸變均很?chē)?yán)重，障礙物的存在在頻譜上不能表現(xiàn)出來(lái)，無(wú)法通過(guò)頻譜對(duì)障礙物進(jìn)行識(shí)別；當(dāng)含水率逐漸增大時(shí)，不同探測(cè)距離下的頻譜曲線逐漸平滑，此時(shí)障礙物的存在會(huì)導(dǎo)致頻譜曲線上出現(xiàn)一定畸變，故可以對(duì)障礙物進(jìn)行識(shí)別。