基于橫波傳播特性的無損檢測方法及在沉管隧道基礎(chǔ)灌砂檢測中的應(yīng)用

張騰瑜， 車愛蘭， 惠祥宇， 馮少孔

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

基于橫波傳播特性的無損檢測方法及在沉管隧道基礎(chǔ)灌砂檢測中的應(yīng)用

張騰瑜， 車愛蘭， 惠祥宇， 馮少孔

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

采用各種探測手段揭示目標介質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造一直是工程界所關(guān)心的重要課題。以三維層狀介質(zhì)中的彈性場傳播特性為基礎(chǔ)，建立基于橫波傳播特性的無損檢測方法。采用有限元數(shù)值模擬方法，針對含有低速夾層的水平層狀介質(zhì)模型，獲得下部介質(zhì)變化時橫波響應(yīng)波形數(shù)據(jù)，并對其進行波形形態(tài)、響應(yīng)能量等特性分析，揭示當?shù)退賷A層介質(zhì)的物理參數(shù)改變時，在模型表面接收到的橫波響應(yīng)特性與下部介質(zhì)的相對密實度等參數(shù)的關(guān)系，明確基于橫波傳播特性的無損檢測方法的有效性和精確性。在數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，開展沉管隧道底板灌砂全尺寸模型試驗研究，采集灌砂施工前后的橫波響應(yīng)波形數(shù)據(jù)，通過對橫波響應(yīng)波形形態(tài)及響應(yīng)能量分布進行可視化處理，實現(xiàn)對沉管隧道底板灌砂效果的評價。

橫波；傳播特性；響應(yīng)能量；相對密實度；灌砂效果

在巖土工程領(lǐng)域，利用彈性波反射技術(shù)進行地質(zhì)勘察和無損檢測一直是國內(nèi)外學者和工程人員所關(guān)注的課題。現(xiàn)階段主要的彈性波無損檢測技術(shù)主要有回彈法、超聲波法、沖擊回波法、瑞雷面波法、沖擊映像法等。回彈法的檢測設(shè)備簡單、操作方便以及檢測費用低廉，應(yīng)用在混凝土抗壓強度檢測中不破壞混凝土的正常使用[1]。超聲波法精度較高，但需要發(fā)射器及接收器對穿，在一些基礎(chǔ)檢測中有很大的局限性[2]。沖擊回波法檢測信號穩(wěn)定性差，縱向分辨率低，易受鋼筋分布和含水量影響，同時該方法作業(yè)效率低，不適合大范圍檢測[3]。瑞雷面波法利用波的傳播速度與介質(zhì)的密度、強度等物理力學參數(shù)有密切的關(guān)系，具有可以獲得下部介質(zhì)的物理參數(shù)的優(yōu)點[4]。沖擊映像法在工程檢測中檢測厚度可達到數(shù)米，由于接收的直達波、反射波等各種波形成分混合在一起，無法憑波形觀察直接區(qū)分開來，目前仍然存在評價方法不一致，主觀性強，難以進行定量化評價的問題[5]。

對于類似于工程灌砂效果檢測的問題，現(xiàn)有的方法基本上采用間接法，即根據(jù)相關(guān)指標估算灌砂效果。例如，沉管隧道基礎(chǔ)灌砂時，通過灌砂量的控制、沉降量及抬升量的觀測[6]；壓力計和壓力管觀測、潛水員探摸等手段[7]來間接評價整個沉管隧道灌砂基礎(chǔ)的平均密實程度，對于局部部位的不密實、脫空情況無法獲知，由此會產(chǎn)生較大的偏差。

以往的研究表明，橫波由剪切作用產(chǎn)生，由于氣體和液體中的介質(zhì)剪切模量為零，因此橫波只能在固體介質(zhì)中傳播；縱波及橫波在相近頻率的情況下,橫波分辨率要比縱波高數(shù)倍[8]；縱波速度對介質(zhì)的飽水度比較敏感,而橫波速度則不受此影響[9]。基于以上橫波的特點,以及現(xiàn)有的彈性波檢測方法的特點，在類似于基底灌砂檢測中應(yīng)用橫波傳播特性進行灌砂(灌漿)檢測更具優(yōu)勢。

本文基于彈性波在半無限三維層狀均勻介質(zhì)中的傳播特性，提出了基于橫波傳播特性的無損檢測方法。首先采用有限元數(shù)值模擬方法計算橫波波形響應(yīng)特性，揭示橫波響應(yīng)特性隨下部介質(zhì)的物性參數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)響應(yīng)波形的能量特性與介質(zhì)相對密實度的關(guān)系，提出了定量的評價指標體系。在此基礎(chǔ)上，開展了沉管隧道底板灌砂全尺寸模型試驗研究。對檢測方法的數(shù)據(jù)采集方式，包括測點布置、激發(fā)方式、設(shè)備及參數(shù)選取、數(shù)據(jù)的質(zhì)量保證和預判措施等，以及數(shù)據(jù)分析方法進行了詳細的研究。最后比較實測結(jié)果與實際取芯獲取的相對密實度分布，評價了該方法的適應(yīng)性。

1 基于橫波傳播特性的無損檢測方法

1.1 基本工作原理

基于橫波傳播特性的無損檢測方法類似于沖擊映像法，沖擊映像法采用P波激發(fā)，接受包括P波、SV波以及瑞雷波在內(nèi)的波形信號[10]。而基于橫波傳播特性的無損檢測方法采用剪切方式激發(fā)橫波，并接收與測線垂直方向的橫波波形。橫波(S波)是質(zhì)點振動方向與測線垂直的波。橫波(S波)又分為兩類：質(zhì)點垂直于測線而且在鉛垂面內(nèi)振動的波叫垂直偏振橫波或SV波；質(zhì)點垂直于測線且在水平面內(nèi)振動的叫水平偏振橫波或SH波。SV波入射到固體水平界面上，可產(chǎn)生同類及轉(zhuǎn)換的反射波及透射波，而SH波入射到固體水平界面上只產(chǎn)生同類反射和透射波,而且反射波與透射波只與入射點處的上下介質(zhì)有關(guān)[11]。為了避免轉(zhuǎn)換波的干擾，該方法主要利用SH波的性質(zhì)來進行檢測。

圖1為基于橫波傳播特性的無損檢測方法的工作原理示意圖。在檢測區(qū)域內(nèi)按照測線布設(shè)三分量檢波器(水平2方向，垂直1方向)，檢測點間距設(shè)置為Ri，激發(fā)偏移距設(shè)置為Si。在介質(zhì)表面設(shè)置一系列的激發(fā)—接收系統(tǒng)，激發(fā)方向和接收方向與測線前進方向垂直，記錄介質(zhì)表面的橫波波動場。對于記錄的信號按檢波器坐標的依次排列，通過對采集波形進行數(shù)據(jù)處理以及可視化處理，評價下部介質(zhì)的變化。

圖1 工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle

1.2 數(shù)據(jù)分析及成像方法

數(shù)據(jù)分析采用波形分析法。分析沿一條(多條)測線或整個檢測區(qū)域內(nèi)的波形特征(振幅、豐度、持續(xù)時間等)的變化。數(shù)據(jù)分析和成像處理主要有波形處理、響應(yīng)能量分布、可視化成像三個部分。

(1)波形處理

對采集到的波形數(shù)據(jù)進行有效數(shù)據(jù)提取與重新排列，格式變換并且加入位置信息。對同一采集條件的數(shù)據(jù)進行降噪、濾波等處理。

(2)響應(yīng)能量分布

波形響應(yīng)能量定義為波形振幅絕對值的平均值，亦稱為響應(yīng)強度，Pi(i=1,...,n)表示各點響應(yīng)能量值。對每個測點的采集波形進行響應(yīng)能量分析，然后按照各測點的位置信息，將所有測點的響應(yīng)能量值在檢測區(qū)域內(nèi)展開。通過均值化、插值、平滑等處理后，得到檢測區(qū)域的響應(yīng)能量分布圖。可以直觀、定性的判斷檢測區(qū)域內(nèi)的下部介質(zhì)相對變化。

(3)成像處理

采用響應(yīng)能量減小倍率，Mi=Pbi/Pai(1,...,n)，為評價指標。即灌砂前測點的響應(yīng)能量(Pbi)除灌砂后對應(yīng)點的響應(yīng)能量(Pai)。根據(jù)有限元數(shù)值模擬中獲得的響應(yīng)能量減小倍率與灌砂基礎(chǔ)相對密實度之間的定量關(guān)系，評價監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的灌砂密實度分布狀況。通過可視化成像處理，基于橫波傳播特性的檢測方法可實現(xiàn)直觀、快速、定量化、標準化的評價效果。

2 三維軟夾層模型中橫波傳播特性

以全尺寸沉管隧道灌砂基礎(chǔ)為原型建立三維有限元模型。通過動力響應(yīng)計算，研究橫波在三維軟夾層模型中的傳播特性。通過改變中間夾層的相對密實度，得到波形響應(yīng)能量與中間夾層的相對密實之間的定量關(guān)系。

2.1 三維軟夾層模型

三維軟夾層模型由上至下分別為：0.3 m厚的混凝土板，0.6 m厚的變化層和0.3 m厚的碎石墊層。模型幾何尺寸為3 m×3 m×1.2 m，如圖2所示。模型網(wǎng)格采用六面體單元，考慮模型各層參數(shù)物理性質(zhì)和彈性波波長等因素，網(wǎng)格尺寸設(shè)定為5 cm×5 cm×5 cm，模型共劃分為95 760個單元。為避免彈性波在模型邊界處產(chǎn)生反射，邊界采用無限元邊界。模型中混凝土層參數(shù)設(shè)置為[12]：密度2 400 kg·m3，彈性模量30 GPa，泊松比0.2。碎石墊層參數(shù)與混凝土層參數(shù)相同。中間變化層參數(shù)設(shè)置如表1所示。由于反射波與透射波只與入射點處的上下介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，所以為了建模方便可以用半無限的模型進行有限元計算。

數(shù)值模擬中采用雷克波作為激發(fā)震源。根據(jù)現(xiàn)場采集波形的頻率特征，雷克波的主頻設(shè)定為1 000 Hz。

圖2 有限元模型(m)Fig.2 Finite element model(m)

基于Courant條件，采樣間隔應(yīng)滿足Δt/2﹤l/vs, 其中l(wèi)為網(wǎng)格尺寸，vs為介質(zhì)剪切波速度。確定采樣間隔Δt=1×10-5s，持續(xù)時間t=0.02 s。荷載加載方式為水平施加集中力，作用于節(jié)點處，方向為x向。距離輸入點0.6 m為輸出點，輸出響應(yīng)速度，輸出方向也為x方向。如圖2所示。

2.2 橫波在軟夾層中的傳播特性

為了研究橫波在軟夾層模型中的傳播特性以及獲取響應(yīng)能量與中間墊層相對密實度的關(guān)系，根據(jù)文獻[13]中的灌砂材料參數(shù)，設(shè)定7種不同工況下的中間軟夾層材料參數(shù)。其中工況1中夾層為混凝土，工況2～5變化層為不同相對密實度(Dr)的墊層，工況7變化層模擬水，采用飽和土參數(shù)，相對密實度相當于0。如表1所示。

表1 七種工況下夾層材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of interlayerin the 7 numerical cases

相同震源激勵下分別計算七種工況時橫波的傳播特性。圖3(a)～3(c)分別為工況1、4、7，在模型中心點水平激發(fā)，時刻t=0.002 26 s時的水平x向(v1)速度分布。分布圖范圍取模型中心部1 m×1 m區(qū)域，其中四分之一部分切至模型軟夾層中間。可以明顯看到，SH波在水平面內(nèi)以橢圓方式振動。在同一時刻時，工況1的橫波速度最大，隨著下部介質(zhì)的變軟(相對密實度的減小)，橫波在變化層界面處發(fā)生反射，能量被軟弱層吸收。

(a)工況1

(b)工況4

(c)工況7圖3 工況1、4、7時的速度場分布(t=0.002 26 s)Fig.3 Distribution of velocity response in case1，case4 and case7

圖4為工況1、4、7時的輸出速度波形。可以看到，SH波形形式單一，各工況波形形態(tài)基本一致。但是響應(yīng)波形的振幅有著明顯的變化，隨著中間夾層相對密實度的減小，波形的振幅逐漸增大，這也說明更少的能量可以傳遞到中間層內(nèi)及以下。

圖4 工況1、4、7時的速度響應(yīng)波形Fig.4 Waveform of velocity response in case1, case4 and case7

2.3 響應(yīng)能量與夾層相對密實度的相關(guān)性

圖5為七種工況下的響應(yīng)能量Pi分布。由工況1～工況7，響應(yīng)能量逐漸增大。特別是工況2～工況6，隨著軟夾層相對密實度的減小，響應(yīng)能量呈明顯放大趨勢。可見基于橫波傳播特性的無損檢測方法對軟夾層的相對密實度的變化是敏感的。

圖5 七種工況下的響應(yīng)能量Fig.5 Energy of velocity response in the 7 numerical cases

以工況7為灌砂前的狀態(tài)(Mi=1)，計算響應(yīng)能量減小的倍率Mi(i=1，…，5)，獲得Mi與夾層相對密實度(Dr)的關(guān)系，如圖6所示。隨著軟夾層相對密實度的增高，響應(yīng)能量減小的倍率也逐漸變大。將中間變化層相對密實度與響應(yīng)能量減小的倍率的關(guān)系擬合成多項式，得到式(1)。

(1)

3 全尺寸沉管隧道灌砂基礎(chǔ)模型試驗研究

3.1 模型概況

南昌紅谷隧道為目前國內(nèi)內(nèi)河沉管隧道建設(shè)中規(guī)模最大的一條隧道，共有12節(jié)管段，全長1 329 m。為確保隧道基底灌砂施工的工程質(zhì)量，開展了基礎(chǔ)灌砂模型試驗研究。灌砂模擬試驗平臺包括1個大型水池及其內(nèi)架設(shè)1個平面尺寸為25 m×24 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)四周封閉的平臺。底板按矩形布置A、B、C、D共4個灌砂孔。圖7為模擬實驗平臺示意圖。

圖6 軟夾層相對密實度與響應(yīng)能量減小倍率關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between reduced ratio of responseenergy and relative compactness of interlayer

(a)平面圖

(b)1-1′剖面圖圖7 模型實驗平臺示意圖(m)Fig.7 Schematic diagram of model tests(m)

現(xiàn)場灌砂順序為A—D—C—B，使用細度模數(shù)為2.3的中砂，灌砂中砂水比為1∶9。灌砂前對管段底部沉積淤泥進行排淤處理，在整個管段灌砂完畢后，通過拉環(huán)繩索將模型移至模型制作區(qū)并進行抽水。抽水完成后，對整個灌砂效果進行測量及描述，如圖8所示。并按照以灌砂孔為中心，橫向、縱向均每隔2 m進行原位取樣，共取樣40組，每組取樣深度20 cm，分別測試砂盤試樣的相對密實度，得到相對密實度分布如圖9所示。

(a)效果照片

(b)描述圖圖8 灌砂效果描述Fig.8 Description of sand filling effect

圖9 相對密實度分布Fig.9 Distribution of relative compactness

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及測線布置

檢測系統(tǒng)由數(shù)字地震記錄儀、三分量速度型檢波器(固有頻率200 Hz)、筆記本電腦、連接電纜、激發(fā)裝置(250 g鋼錘及激發(fā)鋼錠)、電源等組成，如圖10所示。激振板應(yīng)選擇大小和重量合適的鋼錠,以保證其和地面的良好接觸。用250 g鋼錘側(cè)向敲擊鋼錠作為觸發(fā)，測試過程中垂直于測線方向左右兩側(cè)進行敲擊。可以驗證接收信號是否為SH波，亦可以進行疊加增大橫波響應(yīng)，獲得更為顯著的檢測效果。

根據(jù)灌砂孔的分布，測線布置以灌砂孔為中心，散射狀分布，共布設(shè)31條測線，測線長為2.1 ～ 13.9 m，如圖11所示。每條測線檢波器間隔0.25 m，激發(fā)偏移距0.25 m。采樣間隔為50 μs，記錄長度為0.256 s。

圖12為灌砂前測線A7中選取的四組左右敲擊的波形圖。可以明顯看到，在左、右激發(fā)時接收波形形態(tài)相反，大小基本一致，呈現(xiàn)明顯的SH波特征。

(a)檢測系統(tǒng)

(b)現(xiàn)場檢測圖10 采集設(shè)備及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集Fig.10 Collection equipment and on-site data collection

圖11 施工前、后測線布置(dm)Fig.11 Arrangement of measurement line (dm)

圖12 左、右激發(fā)時接收波形(測線A7)Fig.12 Acquired waveform when exciting on left and right (Line-A7)

3.3 數(shù)據(jù)分析

圖13為灌砂前、后波形響應(yīng)能量Pi分布。A孔西北方向和正西以及C孔西南方向區(qū)域能量明顯減小。其他區(qū)域并未出現(xiàn)明顯的能量減小，局部區(qū)域存在放大的現(xiàn)象。

(b)灌砂后圖13 灌砂前后響應(yīng)能量分布Fig.13 Distribution of response energybefore/after grouting construction

比較現(xiàn)場取樣獲得的相對密實度與該位置采集的響應(yīng)能量減小倍率與數(shù)值計算結(jié)果的擬合曲線，如圖14所示。在現(xiàn)場灌砂相對密實度0.4～0.8范圍內(nèi)，模型試驗的結(jié)果與數(shù)值模擬曲線趨勢基本一致，可以認為相對密實度與響應(yīng)能量減小的倍率的多項式(1)可用于指導今后的灌砂施工工程。

圖14 模型試驗結(jié)果與數(shù)值模擬曲線的比較Fig.14 Comparison of relationship results betweenmodel tests and numerical simulation

采用式(1)中響應(yīng)能量減小倍率與相對密實度的關(guān)系，繪制模型試驗灌砂后相對密實度分布圖，如圖15所示。在灌砂基礎(chǔ)砂積盤擴散半徑7.5 m范圍內(nèi)，灌砂基礎(chǔ)相對密實，在砂積盤交接處密實度有所降低，分布復雜。相對密實度分布與圖9取樣試驗結(jié)果進行比較，具有較好的一致性。模型試驗中基礎(chǔ)灌砂效果較好，相對密實度在0.46～0.79。在砂積盤擴散半徑外，檢測區(qū)域北側(cè)0～16 m范圍與西側(cè)0～17 m范圍的砂積盤相對密實度較小，局部地方存在不密實情況。與圖8灌砂效果照片及描述情況進行比較，取得了較好的一致性。可以認為，該方法對基礎(chǔ)灌砂密實度檢測具有良好的應(yīng)用前景。

圖15 灌砂后相對密實度分布圖Fig.15 Distribution of relative compactnessafter grouting construction

4 結(jié) 論

(1)基于層狀介質(zhì)中橫波的傳播特性，提出了一種有效的檢測工程灌砂效果的方法，明確了該方法的工作原理和數(shù)據(jù)分析的流程。

(2)采用有限元數(shù)值分析方法，模擬計算橫波在三維軟夾層介質(zhì)中的傳播特性。獲得了橫波響應(yīng)能量減小倍率與軟夾層相對密實度之間的關(guān)系。

(3)針對南昌紅谷隧道灌砂基礎(chǔ)工程，開展了全尺寸模型試驗研究。通過對比取樣室內(nèi)試驗以及抽水驗證結(jié)果，相對密實度與響應(yīng)能量減小的倍率的多項式可用于指導今后的灌砂施工工程。基于橫波的檢測方法對基礎(chǔ)灌砂密實度檢測具有良好的應(yīng)用前景。

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Annon-destructivedetectingmethodbasedontheshearwavepropagationcharacteristicsanditsapplicationongroutingqualityofanimmersedtubetunnelfoundationbase

ZHANG Tengyu, CHE Ailan, HUI Xiangyu, FENG Shaokong

(School of Naval Architecture， Ocean & Civil Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240，China)

Using a variety of detection means to reveal the internal structure of underground medium has always been an important issue in geotechnical engineering. A non-destructive detecting method based on the propagation characteristics of shear wave in three-dimensional layered media was presented. To verify the method, it was applied into a numerical three-dimensional stratified model and a series of dynamic responses were obtained when the physical parameters of interlayer were changed. With a series of waveform treatments including filter process, waveform energy normalization and waveforms mitigation based on correlation analysis, the relationship between shear wave response characteristics and relative compactness of interlayer was established. And its feasibility and accuracy for recovering the unknown parameters of low-velocity layer were certified. Based on the results of numerical cases, this method was used for the grouting quality detection in full-scaled model tests of an immersed tube tunnel. The relative compactness of interlayer under the tunnel floor was obtained using visual processing. As a result, the grouting quality was effectively evaluated.

shear wave；propagation characteristics； response energy； relative compactness；effect of sand filling

國家自然科學基金(11372180)

2016-05-30 修改稿收到日期： 2016-07-22

張騰瑜 男，碩士，1991年生

車愛蘭 女，教授，1969年生

E-mail:alche@sjtu.edu.cn.

TU435

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.20.006