全波場映像技術以及其在高速公路路基缺陷檢測中的研究應用

徐天檄

摘 要：為研究高速公路運營中路基長期穩定性的問題，研發了一種用于檢測高速公路路基缺陷的無損檢測技術，稱之為全波場映像技術。這種技術的組成是由三維全波場成像系統以及數據收集系統（單點激發——單點接收）共同組成的。我們用有限元動力分析法對這項技術用于高速公路路基缺陷檢測的準確性進行研究，同時進行三維數值模擬。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行實驗驗證，結果發現，該項技術具有極高的準確性，能夠精準地檢測出高速公路路基缺陷的區域及大小。

關鍵詞：全波場映像技術；高速公路；路基缺陷檢測；研究應用

1 高速公路路基缺陷主要類型

由于負荷超標、施工材料或土質松軟等因素，往往會使得高速公路路基出現裂縫、空洞和不均勻沉降等缺陷與病害，導致公路路面損壞。在特殊氣候、軟土路基等特殊路基工程的情況下，給高速公路路基結構的損害會更加嚴重，不利于高速公路的長期穩定、安全運營以及正常使用，并且嚴重影響到了抗震的穩定性。

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節之一，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、探底雷達技術（GPR）、及數字鉆孔成像技術應用較為廣泛[3]。其中，地震映像檢測是通過對比反射波走時和振幅來區分所探測的路基結構中不良地質的一種淺層地球物理方式。其缺點是精確度不高，所以僅適用于如米級等尺度較大的路基結構，不用于對小范圍的精確檢測。探底雷達技術由于會受到地下水、鋼筋網等影響，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字鉆孔成像技術，僅作為單證驗證。

近年來，彈性波成像技術不斷發展，逐漸受到了無損檢測（NDT）領域中的關注。這種技術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表面的方式，使得應力波在介質內部傳播，當遇到缺陷在形成反射的原理來檢測地下結構缺陷及危害。當應力波反射所引起的位移差波會被接收器所記錄，再根據應力波的振幅-頻率關系圖，卓越頻譜與波形振幅兩者之間的變化進行分析，以得到出有關地下內部結構中介質內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，那么當其遇到邊界反射等影響時，其圖像結果的精準度就會下降。為了能克服這些缺點，全波場映像技術也應運而生。與彈性波檢測方法不同，全波場映像技術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用于高速公路路基缺陷檢測的準確性，并與之前所建立的，帶有缺陷三維數值模擬共同研究。發現其波形與三維缺陷模型成像圖中所顯示的缺陷區域及大小位置，以及在現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應用在高速公路路基缺陷病害檢測中具有極高的準確性。

3 全波場映像技術原理

在波動理論中，形成波動主要是在半無限空間層的介質中，因介質表面在受到瞬時的沖擊作用時，其作用點則會產生瞬時振動而向遠處傳播。波動在介質傳播中又分為體波、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。以層狀介質為例，在介質傳播時，如果彈性波遇到不連續的介質界面，則有可能會導致反射產生。為了將地下構造情況能夠反映出來，可以通過分析反射波的強弱進行。通過以上的論述，可以明確全波映像技術的組成，主要是通過單點激發——單點接收的數據采集系統、三維全波場成像系統，并且，單點激發——單點接收的數據采集系統在介質表面布置的過程與實際檢測的過程極為相似，均是在模型上進行一系列激發與接收數據，如圖1中第一次檢驗發熱一組激發點與接收點主要是Sz和Rz所代表。

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

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構建立，且還需將路基缺陷設置在其中。整個模型的組成主要是通過路面、路基、路基的缺陷區域三部分組成。將整個模型的單元劃分為125168個、節點為141948個，正六面體，0.1m×0.1m×0.1m為有限元網格尺寸。采用無限無邊界構成模型底部的邊界，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 模型參數及荷載

根據實際情況選取模型材料參數，采用軟淤泥質土對缺陷部分進行填充。介質密度為ρ，彈性模量為E，泊松比為μ。2.5×10-5s為波的采樣間隔，持續時間為0.0512s，將固有頻率設定在1500Hz、采樣頻率設定在0至4000Hz。作用點位于網格節點處，而荷載方式則選用垂直集中加載方式。

4.3 全波場響應波形特性

通過模型表面，將模擬檢測過程中一系列的激發與接收數據均在其進行，圖2為測線布置圖。

采用測線1作為例子，與三個接收點上獲得各個接收點的平行響應后，為使頻譜特征接收點坐標能夠羅列在一起，可以通過FFT進行分析。

通過以上分析圖，能夠看出響應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的不同位置上均不同。并且，越接近缺陷區域附近越能夠看出卓越振幅的效應有顯著放大的現象，所以，可以認為該反應是因混凝土之間的界面處與彈性波在缺陷區域中產生反射的。因此，采用測線1和測線4作為例子，研究激發與接收位置對波形的影響，以及定量化顯示強反射所造成的相應波形頻譜放大倍率。

通過結果能夠看出，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。通過查看檢測區域內的平面分布圖，明確看到所有區域位置與所缺陷的位置吻合。因此，說明了最為明顯和準確的結果是z方向上的響應波形。

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準。因此，實際性的現場模型試驗是有效檢驗理論正確與否以及將理論指導應用至實踐的最重要措施之一。為能夠進一步科學評估和體現出全波場映像技術的準確性與可行性，本文在某高速公路模型中預設路基缺陷，并就此進行了模型試驗。

5.1 等比例模型的現場試驗

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置一個尺寸為0.50m×0.50m×0.15m左右的缺陷區域，而后對混凝土路面面板進行吊裝覆蓋。參考數值模擬形式，本次試驗在混凝土路面板表面進行（主要包括激發和接收）。數據采集儀器以及三分量檢波器是全波場映像法檢測系統的主要構成部分。由專業檢測人員利用常規橡膠錘（0.454kg）激發震源，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行采集。值得注意的是，在著手檢測時，首先應將三分量檢波器與震源之間保持0.20m的間距，將兩者的沖擊點間距設置為0.30m，為每條測線分配8個三分量檢波器。

5.2 采集相關數據并進行全面性分析

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行深入性分析，并總結出波形的頻譜特征。以測線4為例，分析其響應波形頻譜特征，發現其三個方向上接近缺陷位置處的響應波形頻譜振幅存在明顯上升現象。由此不難看出R波與SH波在混凝土與缺陷之間產生了反射現象。本次等比例模型現場試驗所得的缺陷綜合情況（大小、位置等）在很大程度上與預設缺陷相吻合，從而在驗證了數值模擬結果的基礎上進一步證明了應用全波場映像法檢測技術對高速公路缺陷進行檢測的準確性和可靠性。

6 高速公路路基建設防護對策

6.1 三維網植草

三維網植草主要是確保及提升公路路基邊坡的穩定性，因此，在進行三維網植草的過程中應根據相關的施工流程進行施工，從而能夠使施工質量得到保證及符合建設要求。首先，在進行網墊前，應對邊坡上的雜草、碎石塊進行清理，進而讓坡面的平整能夠保持。在施工過程中，若出現坡面較為干燥的情況，則應采取澆水潤土措施。在鋪設過程中，要由上而下鋪設網墊，檢出已超出底坡的網墊，然后再進行加固處理。可采用竹木進行加固，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，以及以竹木加固網墊后再用土填埋。采用搭架的方式處理網墊相互的連接處，寬度為5cm左右，然后使用竹木進行固定。固定完成后，在網墊上鋪設一些細密的泥土，然后進行草籽播撒，再將土壤鋪設其中，最后掃平表面工程。完工后，對于植物需要進行澆筑、養護，促進成長，從而使其對邊坡能夠起到加固作用。

6.2 坡面防護

防止地表水對路基的沖刷以及防止坡面巖土風化剝落和使路基盡可能地與周邊環境相協調是進行坡面防護的主要目的。近年來，人類對生態環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，且多以花草樹木進行防護。若公路邊坡較高，則多以砌石框格種植的方式進行防護。由于各地區土壤、水分等自然條件不同，因此在選擇路基邊坡的植物防護類型時要因地制宜。目前，各地區多以草坪植生帶對高速公路路基坡面進行防護。

6.3 噴播防護

采用噴播防護技術進行路基防護，為有效確保鋪面平整，應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，選擇點狀噴漿方式進行。

進行邊坡排水處理的過程中，相關人員應對涌水、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的粗糙度。因此，在進行施工時，為預防水土流失，利于植物生長，可以在鋪面上進行一些粗糙面的修造。進行噴射工作時，應遵循施工原則，由上到下進行，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。噴射過程中，按規定的配合將基礎材料與噴射材料進行配置好，從而使噴射材料的均勻性能夠有效保持。

7 結論

（1）以彈性波在層狀介質空間的傳播機理為依據提出全波場映像技術，從而形成“單點激發——單點接收”的數據采集模式，并最終形成三維全波場成像系統。

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

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

參考文獻

[1]鐘鵬飛，車愛蘭，馮少孔.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[J].地震工程學報，2016，38（06）：943-963.

[2]袁燕芳.公路路基缺陷加固技術的應用研究[J].山西建筑，2016，42（35）：151-152.

[3]聶同祥.高壓旋噴樁技術在公路軟基加固處理中的應用[J].北方交通，2016（11）：71-73.