全波场映像技术以及其在高速公路路基缺陷检测中的应用

钟鹏飞， 车爱兰， 冯少孔

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

全波场映像技术以及其在高速公路路基缺陷检测中的应用

钟鹏飞， 车爱兰， 冯少孔

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

针对高速公路运营中的路基长期稳定性问题，研发了检测高速公路路基缺陷的全波场映像技术，即一种无损检测技术，主要由单点激发-单点接收的数据采集系统和三维全波场成像系统组成。为评价该技术应用于高速公路路基缺陷检测的准确性，首先使用有限元动力分析方法进行三维数值模拟。在研究三维缺陷模型中全波场传播特性的基础上，对响应波形的频谱特征进行详细分析，在此基础上合成的成像图显示缺陷区域位置与其在模型中的位置及区域大小相吻合。然后在实际预先设置缺陷的等比例高速公路路基模型上开展试验验证，试验结果证明了该技术的准确性，及其在检测高速公路路基缺陷区域及位置上有良好的应用空间。

高速公路; 路基缺陷; 全波场映像法; 三分量; 无损检测

0 引言

至2013年我国已建成超过104 438 km的高速公路，位列世界第一。但高速公路在建设及运营过程中会不断发生工程质量及病害问题，这直接关系到其行车安全和舒适性,也影响到道路的使用性能和社会的服务功能。针对高速公路路基缺陷病害的检测一直是学者们所关心的问题, 快速有效地检测和评价路基缺损的方法显得非常重要[1]。

常见的高速公路路基缺陷与病害类型主要有不均匀沉降、裂缝及路基空洞等。在一般的高速公路中路基缺陷通常会导致路面损坏。而在一些拥有高路基、软土路基以及季节性冻土路基这类比较特殊路基的高速公路工程中，路基缺陷甚至可能会导致严重的路基结构损害，对其安全运营及长期稳定性，尤其是抗震稳定性造成严重影响[2]。

目前高速公路路基缺陷病害检测方法主要有探底雷达技术(GPR)[3]、地震映像检测[4]及数字钻孔成像技术[5]等。其中探底雷达技术适用于路面以下基层及填土中存在的缺陷或病害的检测(脱空、裂缝、沉陷、含水量过大等)，但其受地下水、钢筋网等的影响较大[6]。地震映像检测是一种浅层地球物理方法，它根据反射波走时和振幅的对比分析来区分探测路基结构中的不良地质现场。但因其适用尺度较大(米级)、检测精度较低，不适用于小范围精确检测[7]。数字钻孔成像技术是一种有损检测手段，往往只能作为单点验证。

近年来弹性波成像技术在无损检测(NDT)领域的应用日益受到关注，其中冲击映像法常用于地下结构缺陷或病害检测[8]。其原理为人工(小钢球或小铁锤)轻敲介质表面产生的应力波在介质内部传播，当应力波遇到界面或者缺陷时会发生反射；波形反射引起的位移差波形特性会被激发点附近的接收器记录到，通过快速傅里叶变化得到应力波的振幅-频率关系图；再通过分析卓越频谱与波形振幅变化来评价介质内部缺陷病害状况[9]。

弹性波检测方法(包括地震映像法、冲击映像法)仅以单个方向接收到的弹性波来获得结构内部构造的图像，因此往往会受到边界反射的影响，而全波场映像技术克服了上述边界反射，使用更多方向的弹性波波形信号来获得检测目标更多的信息[10-11]。本文首先根据路基结构建立带有缺陷病害的三维有限元模型，采用有限元动力分析方法研究模型中全波场传播特性，并对响应波形的频谱特征进行详细的分析，获得合成成像图。该成像图可清晰表明缺陷区域所在位置及大小，并与模型中预设的缺陷病害相吻合。然后将全波场映像技术应用于等比例高速公路路基模型，实际模型试验结果与实际缺陷位置大小基本吻合，以此证明全波场映像技术在高速公路路基缺陷病害检测中的准确性。

1 全波场映像技术原理

由波动理论，在均匀的弹性半无限空间层状介质中，当介质的表面受到瞬时冲击作用时，作用点将会产生瞬时振动,振动向远处传播就形成了波动。在介质中传播的波动主要有体波和面波。体波可以分为纵波(P)和横波(S)，面波分为瑞雷波(R)和勒夫波(L)。横波又有垂直分量SV波和水平分量SH波[12]。以层状介质为例(图1)，弹性波在介质中传播时遇到不连续的介质界面就会产生反射。通过分析反射波的强弱可以反映地下构造情况。

图1 半无限空间弹性介质波的传播Fig.1 Propagation of elastic wave in semi-infinite space

根据上述理论，全波场映像技术主要由单点激发-单点接收的数据采集系统及三维全波场成像系统组成。其中单点激发-单点接收的数据采集系统在介质表面布置，与实际检测过程相似，一系列激发和接收都是在模型表面上进行，如图2所示。图中，Si和Ri代表第i次检测的一组激发点和接收点。

图2 激发-接收系统示意图Fig.2 Data acquisition system with single point shooting and receiving

计算机记录各个接收点Ri所接收到的各个方向的响应信号以Ti(t)来表示，一般情况下Ti(t)为x、y、z三个方向的响应信号。

2 三维有限元缺陷模型

2.1 三维有限元模型

根据常见的公路结构建立三维有限元模型，并在其中设置路基缺陷，如图3所示。模型由三部分组成：路面、路基以及路基的缺陷区域。基本尺寸如图所示，路基坡度为1:1。

有限元网格尺寸大小为0.1m×0.1m×0.1m,正六面体。整个模型划分125 168个单元，141 948个节点。模型的底部边界由无限元边界构成，以吸收传到边界处的P波和S波,其他为自由边界。

图3 模型概况、几何尺寸和网格划分Fig.3 FEM model and its geometric size and mesh division

2.2 模型参数及荷载

模型材料参数按实际状况选取，缺陷部分用软淤泥质土充填。材料具体参数见表1，ρ为介质密度，E是弹性模量，μ是泊松比。

波的采样间隔为2.5×10-5s，持续时间0.051 2 s，采样频率在0～4 000 Hz，固有频率1 500 Hz，如图4所示。荷载加载方式为垂直集中加载，作用点位于网格节点处。

表 1 材料参数

图4 震源曲线Fig.4 Waveform of the source

2.3 全波场响应波形特性

模拟检测过程中一系列的激发和接收都在模型的表面上进行。测线布置如图5所示。

图5 测线分布Fig.5 Layout of survey lines

以测线1为例，获得各个接收点三方向上的响应波形后，通过FFT分析得到它们的频谱特征，并根据接收点坐标将其罗列在一起(图6)。

图6 测线1的波形频谱分析Fig.6 Waveform spectrum analysis of line 1

显然各个方向上接收点获得的响应波形频谱均在1 600 Hz上卓越，但不同位置所对应的卓越振幅不同。在缺陷区域附近，卓越振幅有显著的放大效应，可以认为这是由于弹性波在缺陷和混凝土之间的界面处发生了强反射所造成的。

为了定量化显示强反射所造成的响应波形频谱放大倍率，同时研究激发与接收位置对波形的影响，以测线1和测线4为例(测线1的激发位置在缺陷区域上，接收位置位于非缺陷区域，测线4则相反)，将测线各个接收点响应波形卓越频率值依据其位置信息汇总(图7)。

结果表明，冲击位置缺陷敏感度比接收位置要大得多。更进一步的横向比较显示：y方向上的卓越振幅最大、最明显，其次是z方向，x方向最小。

图7 卓越频谱振幅在测线1、测线4上的分布Fig.7 Distribution of predominant amplitude of spectrum in line 1 and line 4

将检测区域内所有测线的卓越频谱振幅提取出来，展开在检测区域平面内，通过均值化、插值及平滑等处理后得到平面分布图(图8)。图中红色明亮区域表示x，y和z三个方向上卓越频率处振幅放大的位置，这些区域位置与模型中的缺陷位置相吻合。横向比较表明采用y方向上的响应波形可获得相对最为明显和准确的结果。

图8 数值模拟卓越频率振幅分布云图Fig.8 Distribution of predominant amplitude of spectrum obtained by numerical simulation

3 高速公路路基缺陷模型试验

现场模型试验是检验理论是否正确、将理论成果过渡到实际应用的重要手段。为了评估全波场映像法检测技术的可行性和准确性，在某预设路基缺陷的1:1高速公路模型下进行模型试验。

3.1 等比例模型和现场试验

某试验场高速公路等比例的模型剖面如图10所示。路面和路基之间有一个2 cm深的由黏土构成的耦合层。路面为混凝土板，尺寸为5.8 m× 2.1 m×0.25 m;路基为沥青碎石，尺寸7.4 m ×3.0 m×0.4 m。在路基顶部位置预设一个0.5 m×0.5 m×0.15 m的缺陷区域，随后将路面混凝土路面板吊装覆盖，如图10所示。与数值模拟类似，一系列的激发和接收均在混凝土路面板表面进行。

图9 高速公路结构模型Fig.9 Structural model of highway

全波场映像法检测系统主要由一系列三分量检波器和数据采集仪器组成。震源采用普通的0.454 kg橡胶锤激发。三分量检波器则可以采集两个水平方向信号和一个垂直方向弹性波信号。图11为模型路面的仪器和测线布置示意图。

实际检测时震源和三分量检波器的距离为0.2 m，冲击点间距为0.3 m。第一个冲击位置位于距离板的侧表面0.1 m处。每条测线共设置8个三分量检波器。

图10 现场试验测线分布Fig.10 Layout of survey lines in field test

3.2 数据采集和分析

三分量检波器将弹性波速度信号记录下来，随后采用FFT分析得到波形的频谱特征。以靠近缺陷的测线4为例，其三个方向的响应波形频谱特征如图12所示。三个方向上缺陷位置处响应波形的卓越频谱振幅均明显增大,可以认为，激发所产生的SH波和R波在缺陷和混凝土之间的界面处发生了反射。

图11 测线4波形频谱特征Fig.11 Waveform spectrum characteristics of line 4

类似的，将每条测线的响应波形频谱整理成像，得到路面以下整体的频谱分布图(图12)。在x、y和z方向上的缺陷区域会显示红色亮区。现场实验结果显示的缺陷大小及位置与预设缺陷基本吻合，验证了数值模拟的结果，同时证明全波场映像法检测技术作为一种新型的无损检测方法在检测高速公路缺陷上具有较好的准确性及可行性。

图12 现场试验卓越频率振幅分布云图Fig.12 Distribution of predominant amplitude of spectrum obtained by field test

4 结论

(1) 根据弹性波在层状介质空间传播机理提出全波场映像技术，并设计出单点激发-单点接收的数据采集系统和三维全波场成像系统。

(2) 三维有限元数值模拟结果表明，缺陷位置处的反射波在x，y及z三个方向均有显著的振幅和卓越频谱放大效应。振幅和卓越频谱的平面分布图所揭示的缺陷位置与大小和模型相一致。

(3) 将全波场映像法检测技术应用于实际预设缺陷的高速公路等比例模型，现场实验所揭示的缺陷大小及位置与实际模型基本一致，证明了全波场映像法检测技术在高速公路路基缺陷检测的准确性和可行性。

(4) 全波场映像法检测作为一种无损检测方法在高速公路路基缺陷检测上具有巨大潜力。

References)

[1] 李武江.高速公路路基路面病害检测与养护[J].城市建筑,2013(16):237-237. LI Wu-jiang.Detection and Maintenance on Highway Roadbed Disease[J].Urban Architecture,2013(16): 237-237.(in Chinese)

[2] 陈拓,吴志坚,林碧苍,等.青藏高原多年冻土地区铁路路基工程动力稳定性分析[J].地震工程学报,2014，36(4):939-945. CHEN Tuo,WU Zhi-jian,LIN Bi-cang,et al.Dynamic Stability Analysis of Railway Embankment Engineering in Permafrost Regions of the Qinghai-Tibet Plateau[J].China Earthquake Engineering Journal,2014，36(4):939-945. (in Chinese)

[3] Xu X,Wu J,Shen J,et al.Case Study:Application of GPR to Detection of Hidden Dangers to Underwater Hydraulic Structures[J].Journal of Hydraulic Engineering,2006,132(1):12-20.

[4] 王万合,王晓柳,刘江平,等.地震映像法在某高速公路岩溶探测中的应用[J].工程地球物理学报,2007，4(2):141-145. WANG Wan-he,WANG Xiao-liu,LIU Jiang-ping,et al.The Application of Seismic Imaging Method in Exploring Karst Caves of a Superhighway[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics,2007，4(2):141-145.(in Chinese)

[5] 汪华安,左保成,戴旭明,等.数字光学成像技术在岭澳核电厂的应用[J].地下空间与工程学报,2009，5(增刊2):1757-1762. WANG Hua-an,ZUO Bao-cheng,DAI Xun-ming,et al.Application of Digital Borehole Optical Technique at Ling’ao Nuclear Power Plant[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2009，5(Supp2):1757-1762.(in Chinese)

[6] 谢昭晖,李金铭.我国探地雷达的应用现状及展望[J].工程勘察,2007(11):71-75. XIE Zhao-hui,LI Jin-ming.The Application Status and Its Prospect of Ground Penetrating Radar (GPR) in China[J].Geotechnical Investigation and Surveying,2007(11):71-75.(in Chinese)

[7] Milkereit B,Eaton D,Wu J,et al.Seismic Imaging of Massive Sulfide Deposits;Part II,Reflection Seismic Profiling[J].Economic Geology,1996,91(5):829-834.

[8] Chen M,Feng S K,Che A L.Propagation Characteristics of Elastic Wave in High-speed Railway Embankment and Its Application to Defect Detection[J].Geotechnical Special Publication,2014(240):20-28.

[9] 刘超.层状不均匀介质中弹性波的传播特性及其在岩土工程检测中的应用[D].上海：上海交通大学,2013. LIU Chao.Propagation Characteristics of Elastic Wave in Inhomogeneous Layered Media and Its Application in Geotechnical Engineering Detection[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2013.(in Chinese)

[10] 车爱兰,黄醒春,郭强,等.利用表面波勘探检测沉管隧道压浆法的充填效果[J].上海交通大学学报, 2011,45(5):648-652. CHE Ai-lan,HUANG Xing-chun,GUO Qiang,et al.Evaluation of Mud-jack Method Filling Effect of Immersed Tube Tunnel Using Surface Wave Survey Method[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2011,45(5):648-658.(in Chinese)[11] Feng S K,Che A L,Wang H,et al.Study on the Theory,Method,and Application of Impact Imaging Method for Grouting Evaluation[C]//Proceedings of the 11thSEGJ International Symposium,Yokohama, 2012.CD-Rom.

[12] 冯少孔,车爱兰,吴志坚,等.高密度面波勘探和小型台阵地脉动观测在西部地区地震防灾中的应用[J].地震工程学报,2013,35(4):780-788. FENG Shao-kong,Che Ai-lan,WU Zhi-jian,et.Application of Surface Wave Surveys and Array Microtremor Observations for Earthquake Disaster Mitigation in Western China[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(4):780-788. (in Chinese)

Full-wave Field Imaging Method and Its Application in Highway Subgrade Defect Detection

ZHONG Peng-fei, CHE Ai-lan, FENG Shao-kong

(SchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Nowadays in China, with increases in the lengths of new highways and the resultant increasing construction times, many personal injuries have occurred as a result of the structural defects such as track-plate fracture, through-cracks, layer alienation gap, and pulping. Investigating the damages of highway structures is an important and difficult subject, especially for defect diagnosis in a structure's support plate and subgrade surface layer. As various current subgrade defect detection methods are limited and ineffective, how to detect faults quickly and accurately is an important issue in civil engineering. In light of the permanent stability of the subgrade of an operational highway, a full-wave field imaging method was developed to detect defects in a highway subgrade. This detection method was a non-destructive testing method based on the characteristics of high-speed highway structures and the existing level of detects. The detection system was composed of a data acquisition system and an imaging system. The data acquisition system utilized a single-point source and a single receiver, in which three-dimensional full-waveforms were created, received, and recorded. First, to evaluate the feasibility of the method to reveal defects, a 3D numerical simulation by a finite-element dynamic method was adopted based on the theory of elastic wave propagation. Using a 3D numerical model, the characteristics of a full-wave field within some defects were studied, then the amplitude and frequency spectrum of the multi-directional response waveforms were analyzed. Based on the synthetic image, the defects were revealed and their locations and sizes agreed well with those of the numerical model. Second, a real full-scale highway subgrade model with pre-setting defects was casted, and relative tests were carried out on it. The size and location of defects revealed by the field experiments were similar to that of the actual model. The accuracy of the full-wave field imaging method proved to meet the detection requirements, such as easy maneuverability and rapid speed of detection. It is concluded that the full-wave field imaging method has high potential in providing quick and effective detection of defects in highway subgrades.

highway; subgrade defect; full-wave field imaging method; three-component; non-destructive testing (NDT)

2015-09-24 基金项目：国家自然科学基金(11372180)

钟鹏飞(1988-)，男，硕士生，主要从事弹性波场在岩土工程介质中的传播特性研究。

车爱兰(1962-)，女，博士，副教授。E-mail: alche@sjtu.edu.cn。

P315.9

A

1000-0844(2016)06-0942-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0942