徐天檄

摘 要：為研究高速公路運(yùn)營中路基長期穩(wěn)定性的問題，研發(fā)了一種用于檢測高速公路路基缺陷的無損檢測技術(shù)，稱之為全波場映像技術(shù)。這種技術(shù)的組成是由三維全波場成像系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（單點(diǎn)激發(fā)——單點(diǎn)接收）共同組成的。我們用有限元?jiǎng)恿Ψ治龇▽?duì)這項(xiàng)技術(shù)用于高速公路路基缺陷檢測的準(zhǔn)確性進(jìn)行研究，同時(shí)進(jìn)行三維數(shù)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(qū)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)技術(shù)具有極高的準(zhǔn)確性，能夠精準(zhǔn)地檢測出高速公路路基缺陷的區(qū)域及大小。

關(guān)鍵詞：全波場映像技術(shù)；高速公路；路基缺陷檢測；研究應(yīng)用

1 高速公路路基缺陷主要類型

由于負(fù)荷超標(biāo)、施工材料或土質(zhì)松軟等因素，往往會(huì)使得高速公路路基出現(xiàn)裂縫、空洞和不均勻沉降等缺陷與病害，導(dǎo)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(jié)構(gòu)的損害會(huì)更加嚴(yán)重，不利于高速公路的長期穩(wěn)定、安全運(yùn)營以及正常使用，并且嚴(yán)重影響到了抗震的穩(wěn)定性。

2 檢測高速公路路基缺陷的主要方法

對(duì)高速公路的檢測是公路工程中最重要的環(huán)節(jié)之一，而目前對(duì)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(dá)技術(shù)（GPR）、及數(shù)字鉆孔成像技術(shù)應(yīng)用較為廣泛[3]。其中，地震映像檢測是通過對(duì)比反射波走時(shí)和振幅來區(qū)分所探測的路基結(jié)構(gòu)中不良地質(zhì)的一種淺層地球物理方式。其缺點(diǎn)是精確度不高，所以僅適用于如米級(jí)等尺度較大的路基結(jié)構(gòu)，不用于對(duì)小范圍的精確檢測。探底雷達(dá)技術(shù)由于會(huì)受到地下水、鋼筋網(wǎng)等影響，僅適用于對(duì)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(duì)于有損檢測手段的數(shù)字鉆孔成像技術(shù)，僅作為單證驗(yàn)證。

近年來，彈性波成像技術(shù)不斷發(fā)展，逐漸受到了無損檢測（NDT）領(lǐng)域中的關(guān)注。這種技術(shù)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(zhì)表面的方式，使得應(yīng)力波在介質(zhì)內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到缺陷在形成反射的原理來檢測地下結(jié)構(gòu)缺陷及危害。當(dāng)應(yīng)力波反射所引起的位移差波會(huì)被接收器所記錄，再根據(jù)應(yīng)力波的振幅-頻率關(guān)系圖，卓越頻譜與波形振幅兩者之間的變化進(jìn)行分析，以得到出有關(guān)地下內(nèi)部結(jié)構(gòu)中介質(zhì)內(nèi)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(hào)，那么當(dāng)其遇到邊界反射等影響時(shí)，其圖像結(jié)果的精準(zhǔn)度就會(huì)下降。為了能克服這些缺點(diǎn)，全波場映像技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。與彈性波檢測方法不同，全波場映像技術(shù)是使用多方向的彈性波信號(hào)來獲取更多的檢測信息。本文采用有限元?jiǎng)恿Ψ治龇ǖ娜珗鰝鞑ヌ匦詰?yīng)用于高速公路路基缺陷檢測的準(zhǔn)確性，并與之前所建立的，帶有缺陷三維數(shù)值模擬共同研究。發(fā)現(xiàn)其波形與三維缺陷模型成像圖中所顯示的缺陷區(qū)域及大小位置，以及在現(xiàn)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(shù)應(yīng)用在高速公路路基缺陷病害檢測中具有極高的準(zhǔn)確性。

3 全波場映像技術(shù)原理

在波動(dòng)理論中，形成波動(dòng)主要是在半無限空間層的介質(zhì)中，因介質(zhì)表面在受到瞬時(shí)的沖擊作用時(shí)，其作用點(diǎn)則會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)振動(dòng)而向遠(yuǎn)處傳播。波動(dòng)在介質(zhì)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(zhì)為例，在介質(zhì)傳播時(shí)，如果彈性波遇到不連續(xù)的介質(zhì)界面，則有可能會(huì)導(dǎo)致反射產(chǎn)生。為了將地下構(gòu)造情況能夠反映出來，可以通過分析反射波的強(qiáng)弱進(jìn)行。通過以上的論述，可以明確全波映像技術(shù)的組成，主要是通過單點(diǎn)激發(fā)——單點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、三維全波場成像系統(tǒng)，并且，單點(diǎn)激發(fā)——單點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在介質(zhì)表面布置的過程與實(shí)際檢測的過程極為相似，均是在模型上進(jìn)行一系列激發(fā)與接收數(shù)據(jù)，如圖1中第一次檢驗(yàn)發(fā)熱一組激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)主要是Sz和Rz所代表。

將所需要接收的各個(gè)方向的響應(yīng)信號(hào)通過計(jì)算機(jī)上各個(gè)接收點(diǎn)R來表示，并進(jìn)行記錄。在通常情況下，主要采用x、y、z三個(gè)方向的響應(yīng)信號(hào)。

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(jié)構(gòu)建立，且還需將路基缺陷設(shè)置在其中。整個(gè)模型的組成主要是通過路面、路基、路基的缺陷區(qū)域三部分組成。將整個(gè)模型的單元?jiǎng)澐譃?25168個(gè)、節(jié)點(diǎn)為141948個(gè)，正六面體，0.1m×0.1m×0.1m為有限元網(wǎng)格尺寸。采用無限無邊界構(gòu)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(shù)及荷載

根據(jù)實(shí)際情況選取模型材料參數(shù)，采用軟淤泥質(zhì)土對(duì)缺陷部分進(jìn)行填充。介質(zhì)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(xù)時(shí)間為0.0512s，將固有頻率設(shè)定在1500Hz、采樣頻率設(shè)定在0至4000Hz。作用點(diǎn)位于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處，而荷載方式則選用垂直集中加載方式。

4.3 全波場響應(yīng)波形特性

通過模型表面，將模擬檢測過程中一系列的激發(fā)與接收數(shù)據(jù)均在其進(jìn)行，圖2為測線布置圖。

采用測線1作為例子，與三個(gè)接收點(diǎn)上獲得各個(gè)接收點(diǎn)的平行響應(yīng)后，為使頻譜特征接收點(diǎn)坐標(biāo)能夠羅列在一起，可以通過FFT進(jìn)行分析。

通過以上分析圖，能夠看出響應(yīng)波形頻譜在各個(gè)方向上均卓越在1600Hz上，但是，其中卓越振幅所對(duì)應(yīng)的不同位置上均不同。并且，越接近缺陷區(qū)域附近越能夠看出卓越振幅的效應(yīng)有顯著放大的現(xiàn)象，所以，可以認(rèn)為該反應(yīng)是因混凝土之間的界面處與彈性波在缺陷區(qū)域中產(chǎn)生反射的。因此，采用測線1和測線4作為例子，研究激發(fā)與接收位置對(duì)波形的影響，以及定量化顯示強(qiáng)反射所造成的相應(yīng)波形頻譜放大倍率。

通過結(jié)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(duì)橫向進(jìn)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(qū)域內(nèi)的平面分布圖，明確看到所有區(qū)域位置與所缺陷的位置吻合。因此，說明了最為明顯和準(zhǔn)確的結(jié)果是z方向上的響應(yīng)波形。

5 針對(duì)高速公路路基缺陷的模型試驗(yàn)

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。因此，實(shí)際性的現(xiàn)場模型試驗(yàn)是有效檢驗(yàn)理論正確與否以及將理論指導(dǎo)應(yīng)用至實(shí)踐的最重要措施之一。為能夠進(jìn)一步科學(xué)評(píng)估和體現(xiàn)出全波場映像技術(shù)的準(zhǔn)確性與可行性，本文在某高速公路模型中預(yù)設(shè)路基缺陷，并就此進(jìn)行了模型試驗(yàn)。

5.1 等比例模型的現(xiàn)場試驗(yàn)

圖3為某試驗(yàn)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(gè)深度約為2cm的耦合層（由黏土構(gòu)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(shè)置一個(gè)尺寸為0.50m×0.50m×0.15m左右的缺陷區(qū)域，而后對(duì)混凝土路面面板進(jìn)行吊裝覆蓋。參考數(shù)值模擬形式，本次試驗(yàn)在混凝土路面板表面進(jìn)行（主要包括激發(fā)和接收）。數(shù)據(jù)采集儀器以及三分量檢波器是全波場映像法檢測系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分。由專業(yè)檢測人員利用常規(guī)橡膠錘（0.454kg）激發(fā)震源，并利用三分量檢波器對(duì)一個(gè)垂直方向彈性波信號(hào)和兩個(gè)水平方向信號(hào)進(jìn)行采集。值得注意的是，在著手檢測時(shí)，首先應(yīng)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(diǎn)間距設(shè)置為0.30m，為每條測線分配8個(gè)三分量檢波器。

5.2 采集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)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(hào)進(jìn)行深入性分析，并總結(jié)出波形的頻譜特征。以測線4為例，分析其響應(yīng)波形頻譜特征，發(fā)現(xiàn)其三個(gè)方向上接近缺陷位置處的響應(yīng)波形頻譜振幅存在明顯上升現(xiàn)象。由此不難看出R波與SH波在混凝土與缺陷之間產(chǎn)生了反射現(xiàn)象。本次等比例模型現(xiàn)場試驗(yàn)所得的缺陷綜合情況（大小、位置等）在很大程度上與預(yù)設(shè)缺陷相吻合，從而在驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步證明了應(yīng)用全波場映像法檢測技術(shù)對(duì)高速公路缺陷進(jìn)行檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。

6 高速公路路基建設(shè)防護(hù)對(duì)策

6.1 三維網(wǎng)植草

三維網(wǎng)植草主要是確保及提升公路路基邊坡的穩(wěn)定性，因此，在進(jìn)行三維網(wǎng)植草的過程中應(yīng)根據(jù)相關(guān)的施工流程進(jìn)行施工，從而能夠使施工質(zhì)量得到保證及符合建設(shè)要求。首先，在進(jìn)行網(wǎng)墊前，應(yīng)對(duì)邊坡上的雜草、碎石塊進(jìn)行清理，進(jìn)而讓坡面的平整能夠保持。在施工過程中，若出現(xiàn)坡面較為干燥的情況，則應(yīng)采取澆水潤土措施。在鋪設(shè)過程中，要由上而下鋪設(shè)網(wǎng)墊，檢出已超出底坡的網(wǎng)墊，然后再進(jìn)行加固處理?？刹捎弥衲具M(jìn)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(nèi)15cm左右的范圍向下開挖一個(gè)溝槽，深度為10cm，以及以竹木加固網(wǎng)墊后再用土填埋。采用搭架的方式處理網(wǎng)墊相互的連接處，寬度為5cm左右，然后使用竹木進(jìn)行固定。固定完成后，在網(wǎng)墊上鋪設(shè)一些細(xì)密的泥土，然后進(jìn)行草籽播撒，再將土壤鋪設(shè)其中，最后掃平表面工程。完工后，對(duì)于植物需要進(jìn)行澆筑、養(yǎng)護(hù)，促進(jìn)成長，從而使其對(duì)邊坡能夠起到加固作用。

6.2 坡面防護(hù)

防止地表水對(duì)路基的沖刷以及防止坡面巖土風(fēng)化剝落和使路基盡可能地與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)是進(jìn)行坡面防護(hù)的主要目的。近年來，人類對(duì)生態(tài)環(huán)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(jìn)行防護(hù)。若公路邊坡較高，則多以砌石框格種植的方式進(jìn)行防護(hù)。由于各地區(qū)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(hù)類型時(shí)要因地制宜。目前，各地區(qū)多以草坪植生帶對(duì)高速公路路基坡面進(jìn)行防護(hù)。

6.3 噴播防護(hù)

采用噴播防護(hù)技術(shù)進(jìn)行路基防護(hù)，為有效確保鋪面平整，應(yīng)處理好邊坡上的平整度、邊鋪上的雜物，并且，還要對(duì)加固處理松動(dòng)不平整的坡面，選擇點(diǎn)狀噴漿方式進(jìn)行。

進(jìn)行邊坡排水處理的過程中，相關(guān)人員應(yīng)對(duì)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(yīng)的粗糙度。因此，在進(jìn)行施工時(shí)，為預(yù)防水土流失，利于植物生長，可以在鋪面上進(jìn)行一些粗糙面的修造。進(jìn)行噴射工作時(shí)，應(yīng)遵循施工原則，由上到下進(jìn)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(dāng)。噴射過程中，按規(guī)定的配合將基礎(chǔ)材料與噴射材料進(jìn)行配置好，從而使噴射材料的均勻性能夠有效保持。

7 結(jié)論

（1）以彈性波在層狀介質(zhì)空間的傳播機(jī)理為依據(jù)提出全波場映像技術(shù)，從而形成“單點(diǎn)激發(fā)——單點(diǎn)接收”的數(shù)據(jù)采集模式，并最終形成三維全波場成像系統(tǒng)。

（2）就三維有限元數(shù)值的模擬結(jié)果進(jìn)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(gè)方向產(chǎn)生了卓越頻譜不斷放大的效應(yīng)。

（3）在高速公路等比例模型的預(yù)設(shè)缺陷中使用全波場映像法檢測技術(shù)，試驗(yàn)結(jié)果所體現(xiàn)的缺陷綜合情況與實(shí)際模型中的缺陷基本吻合，這就體現(xiàn)了全波場映像法檢測技術(shù)的準(zhǔn)確性和安全可靠性。同時(shí)，作為一種無損檢測方法，采用全波場映像法檢測技術(shù)對(duì)高速公路路基缺陷進(jìn)行檢測有著極為重要的作用和意義。

參考文獻(xiàn)

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