基于縱波和橫波檢測(cè)機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)脫空數(shù)值分析★

張獻(xiàn)民 王國良 聶鵬飛

(中國民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院,天津 300300)

0 引言

水泥混凝土道面是機(jī)場(chǎng)跑道的常見類型。由于水泥混凝土道面長期受飛機(jī)荷載的重復(fù)作用和道面板間嵌縫失效唧泥等因素的影響，可能導(dǎo)致道面板局部范圍出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。脫空對(duì)混凝土道面板的受力極為不利，將會(huì)導(dǎo)致道面板斷裂、破碎，給飛機(jī)起降帶來不安全因素。因此，簡便高效地檢測(cè)識(shí)別道面板的脫空狀態(tài)并及時(shí)進(jìn)行科學(xué)維護(hù)，在延長道面壽命、確保飛機(jī)運(yùn)行安全等方面具有重要意義。

多年來，混凝土無損檢測(cè)方法因其檢測(cè)方法簡單、高效且對(duì)結(jié)構(gòu)本身不產(chǎn)生損害而被國內(nèi)外學(xué)者和工程界廣泛研究和應(yīng)用。目前用于機(jī)場(chǎng)混凝土道面常見的無損檢測(cè)方法主要有探地雷達(dá)法(GPR)和落錘式彎沉儀法(FWD)[1]。GPR法是一種基于電磁波理論的檢測(cè)方法，通常用于道面結(jié)構(gòu)層厚度的評(píng)估[2-5]，但其方法的距離分辨率有限[6]，且因電磁波傳播速度極快，較難識(shí)別道面面層下的脫空狀態(tài)。FWD法可以通過測(cè)定道面的動(dòng)態(tài)彎沉、傳荷系數(shù)，評(píng)價(jià)脫空狀況[7,8]，但其設(shè)備沉重，運(yùn)輸不便，檢測(cè)效果不明顯，效率低，且彎沉測(cè)試結(jié)果受溫度梯度影響大[9]。

地震映像法是一種基于彈性波傳播特性檢測(cè)的工程地球物理方法[10]，已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究并應(yīng)用于工程地質(zhì)勘探。劉振明等[11]在鐵路勘察中利用該方法與地震CT法結(jié)合應(yīng)用識(shí)別采空區(qū)，但該方法深度范圍誤差較大；蔡靖等[12]通過反射縱波波至?xí)r間和主頻值大小快速對(duì)堤壩防滲墻的施工質(zhì)量做出判斷；Chang等[13]運(yùn)用該方法進(jìn)行了混凝土預(yù)埋裂縫的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)淺層、水平層和大裂縫比深層、傾斜層和小裂縫更容易被檢測(cè)到，但僅選取縱波作為有效波；張宇輝等[14]運(yùn)用該方法識(shí)別地基沉陷和地基脫空，為沉降區(qū)后期加固提供依據(jù)。針對(duì)機(jī)場(chǎng)道面板的脫空識(shí)別問題，利用彈性波的傳播速度慢、分辨率高、與機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)聯(lián)系更加緊密等特點(diǎn)，結(jié)合地震映像法用于識(shí)別道面板脫空可能是一種行之有效的檢測(cè)手段，但目前尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文分別采用縱波和橫波作為有效波，結(jié)合地震映像法實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)場(chǎng)道面板的脫空檢測(cè)識(shí)別。利用ABAQUS有限元軟件，建立了機(jī)場(chǎng)道面的二維數(shù)值模型，對(duì)比分析了縱、橫波地震映像在機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)以及存在脫空情況下的響應(yīng)規(guī)律與特征，旨在探討適用于機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)與脫空隱患檢測(cè)的快速、便捷、準(zhǔn)確率高的檢測(cè)方法。

1 地震映像法檢測(cè)脫空原理

通過人工手段激振彈性介質(zhì)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生橫波、縱波和瑞雷波。在同一種彈性介質(zhì)中縱波和橫波的傳播速度不同。同時(shí)，不同的彈性介質(zhì)參數(shù)也會(huì)影響縱波和橫波的傳播速度。其縱波和橫波波速與介質(zhì)彈性模量、介質(zhì)密度和介質(zhì)泊松比相關(guān)。其中，縱波速度表達(dá)式為：

(1)

橫波速度表達(dá)式為：

(2)

其中，E為介質(zhì)彈性模量；ρ為介質(zhì)密度；σ為介質(zhì)泊松比。

波在傳播過程中，遇到彈性分界面時(shí)，部分能量會(huì)反射回激振表面，即為反射波。反射波的強(qiáng)度取決于反射系數(shù)R的大小，反射系數(shù)表征著界面上能量的分配，其表達(dá)式為：

(3)

其中,AR為反射波振幅；Ai為入射波振幅；ρn-1,vn-1,ρn,vn分別為分界面上下兩種介質(zhì)的密度和波在介質(zhì)中的傳播速度。R的絕對(duì)值越大則表示反射波能量越強(qiáng)，同時(shí)R有正負(fù)值之分，當(dāng)R>0時(shí)，反射波與入射波的相位相同，當(dāng)R<0時(shí)，反射波與入射波的相位相反。

地震映像法是通過在地面上預(yù)設(shè)等間距固定測(cè)點(diǎn)，單點(diǎn)激發(fā)，單點(diǎn)接收，按照測(cè)點(diǎn)順序逐一進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)平移激振點(diǎn)和檢波器位置，最后對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到地震映像圖。

機(jī)場(chǎng)道面的脫空在道面板和基層之間，由于脫空區(qū)域內(nèi)一般填充著空氣或泥漿，其與面層之間的反射系數(shù)大，因此反射波振幅大，反射能量強(qiáng)，容易被檢波器接收。本文基于地震映像法，分別對(duì)反射波中的縱波和橫波作為有效波進(jìn)行道面脫空檢測(cè)識(shí)別分析。

2 機(jī)場(chǎng)道面模型及參數(shù)

2.1 幾何模型

以典型的機(jī)場(chǎng)道面二維層狀結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，其幾何模型如圖1所示，自上而下依次為面層、基層、土基。結(jié)構(gòu)各部分尺寸如下：面層、基層、土基的長度為1 000 cm，厚度分別為40 cm，40 cm，200 cm。其中A和B為在基層頂部預(yù)設(shè)的脫空位置，A位于板中部，B位于板邊部。

2.2 數(shù)值模型

采用ABAQUS有限元計(jì)算軟件建立機(jī)場(chǎng)道面二維結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。模型的單元類型為CPS4R網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.01 m×0.01 m。

模型面層為水泥混凝土，基層為水泥穩(wěn)定碎石，對(duì)于脫空區(qū)域，采用淤泥質(zhì)土材料作為填充。模型材料參數(shù)根據(jù)MH/T 5004—2010民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范及MH/T 5110—2015民用機(jī)場(chǎng)道面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程選取，具體參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

2.3 激振震源

雷克子波因具有延續(xù)時(shí)間很短、收斂快、反射波波形分辨率高的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于無損檢測(cè)數(shù)值模擬中的激振震源[15]，因此本文采用雷克子波作為激振震源，頻率為10 000 Hz和2 000 Hz，其波形如圖3所示。

本文中橫波地震映像法激振方式為橫向激振，檢波器采集橫向加速度；縱波地震映像激振方式為豎向激振，檢波器采集豎向加速度。

2.4 數(shù)值分析工況

為了對(duì)比分析縱波地震映像法和橫波地震映像法對(duì)道面結(jié)構(gòu)脫空檢測(cè)識(shí)別中的特征和規(guī)律。根據(jù)脫空高度、脫空長度、基層材料參數(shù)、脫空位置、激振主頻等參數(shù)變量分析以下七種工況，如表2所示。

表2 數(shù)值分析工況

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 縱波和橫波在道面結(jié)構(gòu)無脫空狀態(tài)下的傳播規(guī)律

工況一為道面結(jié)構(gòu)無脫空狀態(tài)。在面層頂部分別施加一次縱向激振和橫向激振，多道同時(shí)采集時(shí)間—加速度關(guān)系曲線，生成縱波和橫波的多道接收地震時(shí)間剖面圖，如圖4所示。從圖4a)可以看出，“R”為沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ娜鹄撞ǎ湔穹螅掷m(xù)時(shí)間長，衰減不明顯；“P”為傳播到土基層上表面而被反射回來的縱波，在大約0.53 ms時(shí)最先被接收到；由于面層與基層間的反射系數(shù)小，反射能量小，所以在圖中并未能發(fā)現(xiàn)基層上表面反射回來的縱波。從圖4b)可以看出，“D”是由于橫向激振產(chǎn)生且沿表面?zhèn)鞑サ闹边_(dá)縱波，“R”是瑞雷波；“S1”是被基層上表面反射回來的橫波，最初發(fā)生在約0.3 ms；“S2”是被土基層上表面反射回來的橫波，最初發(fā)生在約0.79 ms。其中，“S1”雖然迅速衰減消失，但圖4a)顯示并未發(fā)現(xiàn)基層上表面反射回來的縱波。由此可知，與反射縱波相比，反射橫波信號(hào)的可識(shí)別性能更好。

分別對(duì)縱波和橫波激振獲取的數(shù)據(jù)繪制地震映像圖，如圖5所示。從圖5a)可以看出，“R”代表瑞雷波，“P”代表土基層反射縱波，其振幅很小，同時(shí)無法看到基層反射縱波；圖5b)波形呈層狀分布，“D&R”代表相互重疊的直達(dá)縱波和瑞雷波，“S1”與“S2”分別代表基層反射橫波與土基層反射橫波，可清晰的分辨出面層與基層、基層與土基層的分界面。由此可知，反射橫波比反射縱波振幅更大，垂直分辨率更高。

3.2 縱波和橫波地震映像對(duì)道面結(jié)構(gòu)脫空的識(shí)別特征

通過對(duì)工況二進(jìn)行數(shù)值模擬，分析縱波和橫波地震映像法對(duì)脫空的識(shí)別特征，其獲得的地震映像如圖6所示。從縱波地震映像圖6a)可以看出，被脫空區(qū)域反射回來的縱波“C”可以清楚地被識(shí)別，其從通道15持續(xù)到通道27，脫空響應(yīng)長度為120 cm；實(shí)際脫空長度100 cm，脫空響應(yīng)長度大于實(shí)際情況20 cm。從橫波地震映像圖6b)可以看出，基層反射橫波“S1”與被脫空區(qū)域反射回來的橫波“C1”同時(shí)到達(dá)，但“C1”的振幅明顯大于“S1”；“C2”“C3”是面層上表面與脫空區(qū)域間的多次反射橫波；“C1”“C2”“C3”從通道15持續(xù)到通道27，脫空響應(yīng)長度均為120 cm；實(shí)際脫空長度為100 cm，脫空響應(yīng)長度大于實(shí)際情況20 cm。以此判斷“C1”“C2”“C3”均可作為脫空區(qū)的識(shí)別特征。且“C”的振幅約為2×10-6m/s2，“C1”的振幅約為4.8×10-6m/s2，“C1”的振幅約是“C”的2.4倍。通過以上對(duì)比可知在同一主頻激振下，反射橫波的振幅大于反射縱波，橫波地震映像脫空識(shí)別特征信號(hào)更加明顯，但二者的脫空響應(yīng)長度均大于實(shí)際情況。

3.3 脫空高度和長度對(duì)地震映像檢測(cè)識(shí)別的影響

通過對(duì)工況三和工況四進(jìn)行數(shù)值模擬，分析對(duì)應(yīng)的脫空高度和長度對(duì)縱波和橫波地震映像法檢測(cè)識(shí)別的影響。脫空高度影響分析(工況三)的地震映像圖如圖7所示。對(duì)比圖7與圖6可以看出，隨著脫空區(qū)域高度的增大，縱波和橫波地震映像法識(shí)別脫空區(qū)域的特征信號(hào)“C”“C1”“C2”“C3”完全一致。因此縱波和橫波地震映像法無法識(shí)別脫空高度。

脫空長度影響分析(工況四)的地震映像如圖8所示。“C”“C1”“C2”“C3”四種識(shí)別脫空區(qū)域的反射波信號(hào)都從通道13持續(xù)到通道29，脫空響應(yīng)長度為160 cm；實(shí)際脫空長度140 cm，脫空響應(yīng)長度大于實(shí)際情況20 cm。對(duì)比工況二可知，隨著脫空長度的變化，脫空響應(yīng)長度與實(shí)際情況相差一致，均為20 cm。這是由于相鄰地震道的反射波提前或滯后的到達(dá)，使脫空響應(yīng)長度大于實(shí)際情況。

3.4 基層材料參數(shù)對(duì)地震映像檢測(cè)識(shí)別的影響

由第2節(jié)可知，縱波和橫波傳播速度受到介質(zhì)彈性模量、密度、泊松比的影響，反射系數(shù)又受到上下界面波速和介質(zhì)密度的影響，故地震映像一定會(huì)受到彈性模量、密度和泊松比等介質(zhì)材料參數(shù)的影響。實(shí)際工程中，面層混凝土材料參數(shù)基本穩(wěn)定，基層材料種類多，材料參數(shù)差異大。本文選取基層彈性模量來表征基層材料參數(shù)變化對(duì)地震映像的影響(工況五)。工況五中基層彈性模量為20 GPa，地震映像圖如圖9所示。對(duì)比工況二中基層彈性模量14 GPa，從圖9a)與圖6a)可以看出，脫空特征信號(hào)“C”無變化；而由于基層彈性模量的增加，基層中縱波波速增加，導(dǎo)致“P”提前了0.05 ms。從圖9b)與圖6b)可以看出，“S1”振幅變小；“S2”提前了0.08 ms；脫空特征信號(hào)“C1”“C2”“C3”無變化。由此可知，雖然基層材料參數(shù)在一定范圍內(nèi)的變化會(huì)造成“P”“S1”“S2”等反射波的振幅及初至?xí)r間的變化，但均不影響脫空特性信號(hào)“C”“C1”“C2”“C3”的表現(xiàn)，仍然可以清晰地識(shí)別脫空長度和脫空位置。

3.5 脫空位置對(duì)地震映像檢測(cè)識(shí)別的影響

由于道面板脫空多發(fā)生在板邊，為了分析縱波和橫波地震映像法對(duì)板邊脫空的識(shí)別效果，工況六將脫空位置設(shè)置在板邊。從圖10的“N”可以看出縱波和橫波會(huì)在板邊處發(fā)生邊界反射，形成干擾波對(duì)檢測(cè)效果造成影響。從圖10a)可以看出，“C”從通道30持續(xù)到通道38，接近邊界的0.3 m脫空區(qū)域由于受到干擾波“N”的影響，部分信號(hào)被淹沒，無法被識(shí)別。從圖10b)可以看出，“C1”從通道29持續(xù)到40；“C2”從通道30持續(xù)到通道40；“C3”受干擾嚴(yán)重，接近邊界的0.1 m脫空區(qū)域由于受到干擾波“N”的影響，無法被識(shí)別。

3.6 震源主頻對(duì)地震映像檢測(cè)識(shí)別的影響

工況七中以激振震源主頻2 000 Hz進(jìn)行激勵(lì)，獲得如圖11所示的地震映像圖。雖然仍可以通過觀察脫空響應(yīng)區(qū)來識(shí)別脫空位置，但是脫空識(shí)別效果下降，且不能識(shí)別道面結(jié)構(gòu)分界面。這是由于波長隨著激振主頻的降低而增加，面波還未結(jié)束時(shí)反射波已經(jīng)到達(dá)，面波與反射波相互疊加。

激振主頻的選擇同時(shí)受波速、偏移距、面層厚度影響。激振震源主頻決定著信號(hào)頻帶寬度，不同的頻帶寬度適用于不同的檢測(cè)情況。低頻信號(hào)檢測(cè)距離遠(yuǎn)，分辨率低；高頻信號(hào)分辨率高，易衰減。因此選擇合適的震源主頻有利于提高檢測(cè)效果。

4 結(jié)論

本文基于地震影響法，采用縱波和橫波作為有效波，對(duì)典型機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)進(jìn)行脫空識(shí)別數(shù)值分析，得到如下結(jié)論：

1)縱波地震映像法和橫波地震映像法均能較好地識(shí)別道面中存在的脫空，但脫空響應(yīng)長度大于實(shí)際脫空長度，且不能識(shí)別脫空高度。

2)道面結(jié)構(gòu)基層的材料參數(shù)在一定范圍內(nèi)的變化，會(huì)帶來反射波的振幅和反射波初至?xí)r間的變化，但不會(huì)影響縱波和橫波地震映像脫空檢測(cè)效果。

3)選擇合適的震源主頻有利于提高檢測(cè)效果。如果震源主頻過小，雖然可以識(shí)別脫空位置，但識(shí)別效果下降，且不能識(shí)別道面結(jié)構(gòu)分界面。

4)在同一激振主頻下，反射橫波的振幅大于反射縱波，且橫波地震映像可以識(shí)別道面結(jié)構(gòu)分界面，脫空識(shí)別特征信號(hào)更加明顯；對(duì)道面板板邊進(jìn)行脫空檢測(cè)時(shí)，由于受到邊界干擾波的影響，橫波地震映像法存在0.1 m的檢測(cè)盲區(qū)，縱波地震映像法存在0.3 m的檢測(cè)盲區(qū)。因此，在道面板脫空檢測(cè)中，橫波地震映像法優(yōu)于縱波地震映像法。