全波场映像技术以及其在高速公路路基缺陷检测中的研究应用

徐天檄

摘 要：为研究高速公路运营中路基长期稳定性的问题，研发了一种用于检测高速公路路基缺陷的无损检测技术，称之为全波场映像技术。这种技术的组成是由三维全波场成像系统以及数据收集系统（单点激发——单点接收）共同组成的。我们用有限元动力分析法对这项技术用于高速公路路基缺陷检测的准确性进行研究，同时进行三维数值模拟。在研究全波场传播特性中，首先分析其波形与三维缺陷模型成像图中所显示的缺陷区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进行实验验证，结果发现，该项技术具有极高的准确性，能够精准地检测出高速公路路基缺陷的区域及大小。

关键词：全波场映像技术；高速公路；路基缺陷检测；研究应用

1 高速公路路基缺陷主要类型

由于负荷超标、施工材料或土质松软等因素，往往会使得高速公路路基出现裂缝、空洞和不均匀沉降等缺陷与病害，导致公路路面损坏。在特殊气候、软土路基等特殊路基工程的情况下，给高速公路路基结构的损害会更加严重，不利于高速公路的长期稳定、安全运营以及正常使用，并且严重影响到了抗震的稳定性。

2 检测高速公路路基缺陷的主要方法

对高速公路的检测是公路工程中最重要的环节之一，而目前对于高速公路路基缺陷病害的检测方法中，地震映像检测、探底雷达技术（GPR）、及数字钻孔成像技术应用较为广泛[3]。其中，地震映像检测是通过对比反射波走时和振幅来区分所探测的路基结构中不良地质的一种浅层地球物理方式。其缺点是精确度不高，所以仅适用于如米级等尺度较大的路基结构，不用于对小范围的精确检测。探底雷达技术由于会受到地下水、钢筋网等影响，仅适用于对于如裂缝、沉陷、脱空、含水量过大等路面以下基层及填土路基中的缺陷检测。而对于有损检测手段的数字钻孔成像技术，仅作为单证验证。

近年来，弹性波成像技术不断发展，逐渐受到了无损检测（NDT）领域中的关注。这种技术手段中的冲击映像法，是通过小钢球或小铁捶等人工轻敲介质表面的方式，使得应力波在介质内部传播，当遇到缺陷在形成反射的原理来检测地下结构缺陷及危害。当应力波反射所引起的位移差波会被接收器所记录，再根据应力波的振幅-频率关系图，卓越频谱与波形振幅两者之间的变化进行分析，以得到出有关地下内部结构中介质内部的缺陷和危害情况。冲击映像法、地震映像法等均属于弹性波检测方法，这些方式大多仅为单方向接收弹性波信号，那么当其遇到边界反射等影响时，其图像结果的精准度就会下降。为了能克服这些缺点，全波场映像技术也应运而生。与弹性波检测方法不同，全波场映像技术是使用多方向的弹性波信号来获取更多的检测信息。本文采用有限元动力分析法的全场传播特性应用于高速公路路基缺陷检测的准确性，并与之前所建立的，带有缺陷三维数值模拟共同研究。发现其波形与三维缺陷模型成像图中所显示的缺陷区域及大小位置，以及在现场探测中的缺陷位置、大小等基本吻合，这就说明了全波场映像技术应用在高速公路路基缺陷病害检测中具有极高的准确性。

3 全波场映像技术原理

在波动理论中，形成波動主要是在半无限空间层的介质中，因介质表面在受到瞬时的冲击作用时，其作用点则会产生瞬时振动而向远处传播。波动在介质传播中又分为体波、面波，该两种又可分为多种不同形式，如体波分为横波（S）、纵波（P），面波分为勒夫波（U）、瑞雷波（R）。其中，横波还具有垂直分量SV波、水平分量3只波。以层状介质为例，在介质传播时，如果弹性波遇到不连续的介质界面，则有可能会导致反射产生。为了将地下构造情况能够反映出来，可以通过分析反射波的强弱进行。通过以上的论述，可以明确全波映像技术的组成，主要是通过单点激发——单点接收的数据采集系统、三维全波场成像系统，并且，单点激发——单点接收的数据采集系统在介质表面布置的过程与实际检测的过程极为相似，均是在模型上进行一系列激发与接收数据，如图1中第一次检验发热一组激发点与接收点主要是Sz和Rz所代表。

将所需要接收的各个方向的响应信号通过计算机上各个接收点R来表示，并进行记录。在通常情况下，主要采用x、y、z三个方向的响应信号。

4 三维有限元缺陷模型

4.1 三维有限元模型

三维有限元模型可以通过常见的公路结构建立，且还需将路基缺陷设置在其中。整个模型的组成主要是通过路面、路基、路基的缺陷区域三部分组成。将整个模型的单元划分为125168个、节点为141948个，正六面体，0.1m×0.1m×0.1m为有限元网格尺寸。采用无限无边界构成模型底部的边界，从而使边界处的P波、S波能够吸收作为其他自由边界。

4.2 模型参数及荷载

根据实际情况选取模型材料参数，采用软淤泥质土对缺陷部分进行填充。介质密度为ρ，弹性模量为E，泊松比为μ。2.5×10-5s为波的采样间隔，持续时间为0.0512s，将固有频率设定在1500Hz、采样频率设定在0至4000Hz。作用点位于网格节点处，而荷载方式则选用垂直集中加载方式。

4.3 全波场响应波形特性

通过模型表面，将模拟检测过程中一系列的激发与接收数据均在其进行，图2为测线布置图。

采用测线1作为例子，与三个接收点上获得各个接收点的平行响应后，为使频谱特征接收点坐标能够罗列在一起，可以通过FFT进行分析。

通过以上分析图，能够看出响应波形频谱在各个方向上均卓越在1600Hz上，但是，其中卓越振幅所对应的不同位置上均不同。并且，越接近缺陷区域附近越能够看出卓越振幅的效应有显著放大的现象，所以，可以认为该反应是因混凝土之间的界面处与弹性波在缺陷区域中产生反射的。因此，采用测线1和测线4作为例子，研究激发与接收位置对波形的影响，以及定量化显示强反射所造成的相应波形频谱放大倍率。

通过结果能够看出，相比于接受位置，冲击位置缺陷敏感度的位置较大。并且，对横向进一步比较，卓越振幅最大、最明显的为z方向，最小为x方向。通过查看检测区域内的平面分布图，明确看到所有区域位置与所缺陷的位置吻合。因此，说明了最为明显和准确的结果是z方向上的响应波形。

5 针对高速公路路基缺陷的模型试验

实践是检验真理的唯一标准。因此，实际性的现场模型试验是有效检验理论正确与否以及将理论指导应用至实践的最重要措施之一。为能够进一步科学评估和体现出全波场映像技术的准确性与可行性，本文在某高速公路模型中预设路基缺陷，并就此进行了模型试验。

5.1 等比例模型的现场试验

图3为某试验场高速公路的等比例模型剖面。从图中可以看出，路基与路面之间有一个深度约为2cm的耦合层（由黏土构成）；由混凝土铺成该高速公路路面，路面尺寸为5.80m×2.00m×0.25m；由沥青碎石铺成该高速公路路基，路基尺寸为7.50m×3.00m×0.50m。于该公路模型的路基顶部设置一个尺寸为0.50m×0.50m×0.15m左右的缺陷區域，而后对混凝土路面面板进行吊装覆盖。参考数值模拟形式，本次试验在混凝土路面板表面进行（主要包括激发和接收）。数据采集仪器以及三分量检波器是全波场映像法检测系统的主要构成部分。由专业检测人员利用常规橡胶锤（0.454kg）激发震源，并利用三分量检波器对一个垂直方向弹性波信号和两个水平方向信号进行采集。值得注意的是，在着手检测时，首先应将三分量检波器与震源之间保持0.20m的间距，将两者的冲击点间距设置为0.30m，为每条测线分配8个三分量检波器。

5.2 采集相关数据并进行全面性分析

利用快速傅氏变换法（FFT）就三分量检波器所记录的弹性波速度信号进行深入性分析，并总结出波形的频谱特征。以测线4为例，分析其响应波形频谱特征，发现其三个方向上接近缺陷位置处的响应波形频谱振幅存在明显上升现象。由此不难看出R波与SH波在混凝土与缺陷之间产生了反射现象。本次等比例模型现场试验所得的缺陷综合情况（大小、位置等）在很大程度上与预设缺陷相吻合，从而在验证了数值模拟结果的基础上进一步证明了应用全波场映像法检测技术对高速公路缺陷进行检测的准确性和可靠性。

6 高速公路路基建设防护对策

6.1 三维网植草

三维网植草主要是确保及提升公路路基边坡的稳定性，因此，在进行三维网植草的过程中应根据相关的施工流程进行施工，从而能够使施工质量得到保证及符合建设要求。首先，在进行网垫前，应对边坡上的杂草、碎石块进行清理，进而让坡面的平整能够保持。在施工过程中，若出现坡面较为干燥的情况，则应采取浇水润土措施。在铺设过程中，要由上而下铺设网垫，检出已超出底坡的网垫，然后再进行加固处理。可采用竹木进行加固，长度为15cm、截面直径为1cm。方式为右上到下。

此外，还需在路肩内15cm左右的范围向下开挖一个沟槽，深度为10cm，以及以竹木加固网垫后再用土填埋。采用搭架的方式处理网垫相互的连接处，宽度为5cm左右，然后使用竹木进行固定。固定完成后，在网垫上铺设一些细密的泥土，然后进行草籽播撒，再将土壤铺设其中，最后扫平表面工程。完工后，对于植物需要进行浇筑、养护，促进成长，从而使其对边坡能够起到加固作用。

6.2 坡面防护

防止地表水对路基的冲刷以及防止坡面岩土风化剥落和使路基尽可能地与周边环境相协调是进行坡面防护的主要目的。近年来，人类对生态环境的重视度越来越高，高速公路边坡上的绿化度也随之增加，且多以花草树木进行防护。若公路边坡较高，则多以砌石框格种植的方式进行防护。由于各地区土壤、水分等自然条件不同，因此在选择路基边坡的植物防护类型时要因地制宜。目前，各地区多以草坪植生带对高速公路路基坡面进行防护。

6.3 喷播防护

采用喷播防护技术进行路基防护，为有效确保铺面平整，应处理好边坡上的平整度、边铺上的杂物，并且，还要对加固处理松动不平整的坡面，选择点状喷浆方式进行。

进行边坡排水处理的过程中，相关人员应对涌水、坡面径流的问题综合各方面充分考虑。施工过程中可在坡面上安置泄水管，从而使涌水引到坡地；如果坡面上有生长植物，在其不影响施工过程的前提下，可以选择保留，并且，还要确保与坡面存在相应的粗糙度。因此，在进行施工时，为预防水土流失，利于植物生长，可以在铺面上进行一些粗糙面的修造。进行喷射工作时，应遵循施工原则，由上到下进行，使坡平面与喷射口保持平衡，距离适宜在1m左右，此外，还要将喷射厚度的均匀性控制到恰当。喷射过程中，按规定的配合将基础材料与喷射材料进行配置好，从而使喷射材料的均匀性能够有效保持。

7 结论

（1）以弹性波在层状介质空间的传播机理为依据提出全波场映像技术，从而形成“单点激发——单点接收”的数据采集模式，并最终形成三维全波场成像系统。

（2）就三维有限元数值的模拟结果进行分析可知，处于缺陷位置或与缺陷位置相近的反射波均在x、y、z3个方向产生了卓越频谱不断放大的效应。

（3）在高速公路等比例模型的预设缺陷中使用全波场映像法检测技术，试验结果所体现的缺陷综合情况与实际模型中的缺陷基本吻合，这就体现了全波场映像法检测技术的准确性和安全可靠性。同时，作为一种无损检测方法，采用全波场映像法检测技术对高速公路路基缺陷进行检测有着极为重要的作用和意义。

参考文献

[1]钟鹏飞，车爱兰，冯少孔.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[J].地震工程学报，2016，38（06）：943-963.

[2]袁燕芳.公路路基缺陷加固技术的应用研究[J].山西建筑，2016，42（35）：151-152.

[3]聂同祥.高压旋喷桩技术在公路软基加固处理中的应用[J].北方交通，2016（11）：71-73.