基于橫波傳播特性的無損檢測方法及在沉管隧道基礎灌砂檢測中的應用

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灌砂檢測中的應用

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內部構造一直是工程界所關心的重要課題。以三維層狀介質中的彈性場傳播特性為基礎，建立基于橫波傳播特性的無損檢測方法。采用有限元數值模擬方法，針對含有低速夾層的水平層狀介質模型，獲得下部介質變化時橫波響應波形數據，并對其進行波形形態、響應能量等特性分析，揭示當低速夾層介質的物理參數改變時，在模型表面接收到的橫波響應特性與下部介質的相對密實度等參數的關系，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。在數值計算的基礎上，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波形數據，通過對橫波響應波形形態及響應能量分布進行可視化處理，實現對沉管隧道底板灌砂效果的評價。

橫波；傳播特性；響應能量；相對密實度；灌砂效果

在巖土工程領域，利用彈性波反射技術進行地質勘察和無損檢測一直是國內外學者和工程人員所關注的課題。現階段主要的彈性波無損檢測技術主要有回彈法、超聲波法、沖擊回波法、瑞雷面波法、沖擊映像法等。回彈法的檢測設備簡單、操作方便以及檢測費用低廉，應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，但需要發射器及接收器對穿，在一些基礎檢測中有很大的局限性[2]。沖擊回波法檢測信號穩定性差，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的密度、強度等物理力學參數有密切的關系，具有可以獲得下部介質的物理參數的優點[4]。沖擊映像法在工程檢測中檢測厚度可達到數米，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，現有的方法基本上采用間接法，即根據相關指標估算灌砂效果。例如，沉管隧道基礎灌砂時，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，由此會產生較大的偏差。

以往的研究表明，橫波由剪切作用產生，由于氣體和液體中的介質剪切模量為零，因此橫波只能在固體介質中傳播；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倍[8]；縱波速度對介質的飽水度比較敏感,而橫波速度則不受此影響[9]。基于以上橫波的特點,以及現有的彈性波檢測方法的特點，在類似于基底灌砂檢測中應用橫波傳播特性進行灌砂(灌漿)檢測更具優勢。

本文基于彈性波在半無限三維層狀均勻介質中的傳播特性，提出了基于橫波傳播特性的無損檢測方法。首先采用有限元數值模擬方法計算橫波波形響應特性，揭示橫波響應特性隨下部介質的物性參數的變化規律。根據響應波形的能量特性與介質相對密實度的關系，提出了定量的評價指標體系。在此基礎上，開展了沉管隧道底板灌砂全尺寸模型試驗研究。對檢測方法的數據采集方式，包括測點布置、激發方式、設備及參數選取、數據的質量保證和預判措施等，以及數據分析方法進行了詳細的研究。最后比較實測結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，接受包括P波、SV波以及瑞雷波在內的波形信號[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橫波，并接收與測線垂直方向的橫波波形。橫波(S波)是質點振動方向與測線垂直的波。橫波(S波)又分為兩類：質點垂直于測線而且在鉛垂面內振動的波叫垂直偏振橫波或SV波；質點垂直于測線且在水平面內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，可產生同類及轉換的反射波及透射波，而SH波入射到固體水平界面上只產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有關[11]。為了避免轉換波的干擾，該方法主要利用SH波的性質來進行檢測。

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。在檢測區域內按照測線布設三分量檢波器(水平2方向，垂直1方向)，檢測點間距設置為Ri，激發偏移距設置為Si。在介質表面設置一系列的激發—接收系統，激發方向和接收方向與測線前進方向垂直，記錄介質表面的橫波波動場。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據處理以及可視化處理，評價下部介質的變化。

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

1.2 數據分析及成像方法

數據分析采用波形分析法。分析沿一條(多條)測線或整個檢測區域內的波形特征(振幅、豐度、持續時間等)的變化。數據分析和成像處理主要有波形處理、響應能量分布、可視化成像三個部分。

(1)波形處理

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

(2)響應能量分布

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

(3)成像處理

采用響應能量減小倍率，Mi=Pbi/Pai(1,...,n)，為評價指標。即灌砂前測點的響應能量(Pbi)除灌砂后對應點的響應能量(Pai)。根據有限元數值模擬中獲得的響應能量減小倍率與灌砂基礎相對密實度之間的定量關系，評價監測區域內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為原型建立三維有限元模型。通過動力響應計算，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，得到波形響應能量與中間夾層的相對密實之間的定量關系。

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。模型網格采用六面體單元，考慮模型各層參數物理性質和彈性波波長等因素，網格尺寸設定為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生反射，邊界采用無限元邊界。模型中混凝土層參數設置為[12]：密度2 400 kg·m3，彈性模量30 GPa，泊松比0.2。碎石墊層參數與混凝土層參數相同。中間變化層參數設置如表1所示。由于反射波與透射波只與入射點處的上下介質性質有關，所以為了建模方便可以用半無限的模型進行有限元計算。

數值模擬中采用雷克波作為激發震源。根據現場采集波形的頻率特征，雷克波的主頻設定為1 000 Hz。

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

基于Courant條件，采樣間隔應滿足Δt/2﹤l/vs, 其中l為網格尺寸，vs為介質剪切波速度。確定采樣間隔Δt=1×10-5s，持續時間t=0.02 s。荷載加載方式為水平施加集中力，作用于節點處，方向為x向。距離輸入點0.6 m為輸出點，輸出響應速度，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能量與中間墊層相對密實度的關系，根據文獻[13]中的灌砂材料參數，設定7種不同工況下的中間軟夾層材料參數。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，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，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，隨著下部介質的變軟(相對密實度的減小)，橫波在變化層界面處發生反射，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，各工況波形形態基本一致。但是響應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及以下。

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

2.3 響應能量與夾層相對密實度的相關性

圖5為七種工況下的響應能量Pi分布。由工況1～工況7，響應能量逐漸增大。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 七種工況下的響應能量Fig.5 Energy of velocity response in the 7 numerical cases

以工況7為灌砂前的狀態(Mi=1)，計算響應能量減小的倍率Mi(i=1，…，5)，獲得Mi與夾層相對密實度(Dr)的關系，如圖6所示。隨著軟夾層相對密實度的增高，響應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能量減小的倍率的關系擬合成多項式，得到式(1)。

(1)

3 全尺寸沉管隧道灌砂基礎模型試驗研究

3.1 模型概況

南昌紅谷隧道為目前國內內河沉管隧道建設中規模最大的一條隧道，共有12節管段，全長1 329 m。為確保隧道基底灌砂施工的工程質量，開展了基礎灌砂模型試驗研究。灌砂模擬試驗平臺包括1個大型水池及其內架設1個平面尺寸為25 m×24 m的鋼筋混凝土結構四周封閉的平臺。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能量減小倍率關系曲線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)

現場灌砂順序為A—D—C—B，使用細度模數為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，通過拉環繩索將模型移至模型制作區并進行抽水。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 現場數據采集及測線布置

檢測系統由數字地震記錄儀、三分量速度型檢波器(固有頻率200 Hz)、筆記本電腦、連接電纜、激發裝置(250 g鋼錘及激發鋼錠)、電源等組成，如圖10所示。激振板應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鋼錘側向敲擊鋼錠作為觸發，測試過程中垂直于測線方向左右兩側進行敲擊。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，獲得更為顯著的檢測效果。

根據灌砂孔的分布，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、右激發時接收波形形態相反，大小基本一致，呈現明顯的SH波特征。

(a)檢測系統

(b)現場檢測圖10 采集設備及現場數據采集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、右激發時接收波形(測線A7)Fig.12 Acquired waveform when exciting on left and right (Line-A7)

3.3 數據分析

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

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

比較現場取樣獲得的相對密實度與該位置采集的響應能量減小倍率與數值計算結果的擬合曲線，如圖14所示。在現場灌砂相對密實度0.4～0.8范圍內，模型試驗的結果與數值模擬曲線趨勢基本一致，可以認為相對密實度與響應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 模型試驗結果與數值模擬曲線的比較Fig.14 Comparison of relationship results betweenmodel tests and numerical simulation

采用式(1)中響應能量減小倍率與相對密實度的關系，繪制模型試驗灌砂后相對密實度分布圖，如圖15所示。在灌砂基礎砂積盤擴散半徑7.5 m范圍內，灌砂基礎相對密實，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取樣試驗結果進行比較，具有較好的一致性。模型試驗中基礎灌砂效果較好，相對密實度在0.46～0.79。在砂積盤擴散半徑外，檢測區域北側0～16 m范圍與西側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，該方法對基礎灌砂密實度檢測具有良好的應用前景。

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

4 結 論

(1)基于層狀介質中橫波的傳播特性，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據分析的流程。

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

(3)針對南昌紅谷隧道灌砂基礎工程，開展了全尺寸模型試驗研究。通過對比取樣室內試驗以及抽水驗證結果，相對密實度與響應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灌砂密實度檢測具有良好的應用前景。

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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