全波場映像技術以及其在高速公路路基缺陷檢測中的應用

鐘鵬飛， 車愛蘭， 馮少孔

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

全波場映像技術以及其在高速公路路基缺陷檢測中的應用

鐘鵬飛， 車愛蘭， 馮少孔

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

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

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。但高速公路在建設及運營過程中會不斷發生工程質量及病害問題，這直接關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功能。針對高速公路路基缺陷病害的檢測一直是學者們所關心的問題, 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致路面損壞。而在一些擁有高路基、軟土路基以及季節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致嚴重的路基結構損害，對其安全運營及長期穩定性，尤其是抗震穩定性造成嚴重影響[2]。

目前高速公路路基缺陷病害檢測方法主要有探底雷達技術(GPR)[3]、地震映像檢測[4]及數字鉆孔成像技術[5]等。其中探底雷達技術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，它根據反射波走時和振幅的對比分析來區分探測路基結構中的不良地質現場。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]。數字鉆孔成像技術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在無損檢測(NDT)領域的應用日益受到關注，其中沖擊映像法常用于地下結構缺陷或病害檢測[8]。其原理為人工(小鋼球或小鐵錘)輕敲介質表面產生的應力波在介質內部傳播，當應力波遇到界面或者缺陷時會發生反射；波形反射引起的位移差波形特性會被激發點附近的接收器記錄到，通過快速傅里葉變化得到應力波的振幅-頻率關系圖；再通過分析卓越頻譜與波形振幅變化來評價介質內部缺陷病害狀況[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構內部構造的圖像，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更多的信息[10-11]。本文首先根據路基結構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，并對響應波形的頻譜特征進行詳細的分析，獲得合成成像圖。該成像圖可清晰表明缺陷區域所在位置及大小，并與模型中預設的缺陷病害相吻合。然后將全波場映像技術應用于等比例高速公路路基模型，實際模型試驗結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在高速公路路基缺陷病害檢測中的準確性。

1 全波場映像技術原理

由波動理論，在均勻的彈性半無限空間層狀介質中，當介質的表面受到瞬時沖擊作用時，作用點將會產生瞬時振動,振動向遠處傳播就形成了波動。在介質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]。以層狀介質為例(圖1)，彈性波在介質中傳播時遇到不連續的介質界面就會產生反射。通過分析反射波的強弱可以反映地下構造情況。

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

根據上述理論，全波場映像技術主要由單點激發-單點接收的數據采集系統及三維全波場成像系統組成。其中單點激發-單點接收的數據采集系統在介質表面布置，與實際檢測過程相似，一系列激發和接收都是在模型表面上進行，如圖2所示。圖中，Si和Ri代表第i次檢測的一組激發點和接收點。

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

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

2 三維有限元缺陷模型

2.1 三維有限元模型

根據常見的公路結構建立三維有限元模型，并在其中設置路基缺陷，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域。基本尺寸如圖所示，路基坡度為1:1。

有限元網格尺寸大小為0.1m×0.1m×0.1m,正六面體。整個模型劃分125 168個單元，141 948個節點。模型的底部邊界由無限元邊界構成，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、幾何尺寸和網格劃分Fig.3 FEM model and its geometric size and mesh division

2.2 模型參數及荷載

模型材料參數按實際狀況選取，缺陷部分用軟淤泥質土充填。材料具體參數見表1，ρ為介質密度，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，作用點位于網格節點處。

表 1 材料參數

圖4 震源曲線Fig.4 Waveform of the source

2.3 全波場響應波形特性

模擬檢測過程中一系列的激發和接收都在模型的表面上進行。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波形后，通過FFT分析得到它們的頻譜特征，并根據接收點坐標將其羅列在一起(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波形頻譜均在1 600 Hz上卓越，但不同位置所對應的卓越振幅不同。在缺陷區域附近，卓越振幅有顯著的放大效應，可以認為這是由于彈性波在缺陷和混凝土之間的界面處發生了強反射所造成的。

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

結果表明，沖擊位置缺陷敏感度比接收位置要大得多。更進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

將檢測區域內所有測線的卓越頻譜振幅提取出來，展開在檢測區域平面內，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方向上的響應波形可獲得相對最為明顯和準確的結果。

圖8 數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用的重要手段。為了評估全波場映像法檢測技術的可行性和準確性，在某預設路基缺陷的1:1高速公路模型下進行模型試驗。

3.1 等比例模型和現場試驗

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。在路基頂部位置預設一個0.5 m×0.5 m×0.15 m的缺陷區域，隨后將路面混凝土路面板吊裝覆蓋，如圖10所示。與數值模擬類似，一系列的激發和接收均在混凝土路面板表面進行。

圖9 高速公路結構模型Fig.9 Structural model of highway

全波場映像法檢測系統主要由一系列三分量檢波器和數據采集儀器組成。震源采用普通的0.454 kg橡膠錘激發。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表面0.1 m處。每條測線共設置8個三分量檢波器。

圖10 現場試驗測線分布Fig.10 Layout of survey lines in field test

3.2 數據采集和分析

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，其三個方向的響應波形頻譜特征如圖12所示。三個方向上缺陷位置處響應波形的卓越頻譜振幅均明顯增大,可以認為，激發所產生的SH波和R波在缺陷和混凝土之間的界面處發生了反射。

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方向上的缺陷區域會顯示紅色亮區。現場實驗結果顯示的缺陷大小及位置與預設缺陷基本吻合，驗證了數值模擬的結果，同時證明全波場映像法檢測技術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確性及可行性。

圖12 現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 結論

(1) 根據彈性波在層狀介質空間傳播機理提出全波場映像技術，并設計出單點激發-單點接收的數據采集系統和三維全波場成像系統。

(2) 三維有限元數值模擬結果表明，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。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應用于實際預設缺陷的高速公路等比例模型，現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在高速公路路基缺陷檢測的準確性和可行性。

(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。

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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