基于纵波和横波检测机场道面结构脱空数值分析★

张献民 王国良 聂鹏飞

(中国民航大学机场学院,天津 300300)

0 引言

水泥混凝土道面是机场跑道的常见类型。由于水泥混凝土道面长期受飞机荷载的重复作用和道面板间嵌缝失效唧泥等因素的影响，可能导致道面板局部范围出现脱空现象。脱空对混凝土道面板的受力极为不利，将会导致道面板断裂、破碎，给飞机起降带来不安全因素。因此，简便高效地检测识别道面板的脱空状态并及时进行科学维护，在延长道面寿命、确保飞机运行安全等方面具有重要意义。

多年来，混凝土无损检测方法因其检测方法简单、高效且对结构本身不产生损害而被国内外学者和工程界广泛研究和应用。目前用于机场混凝土道面常见的无损检测方法主要有探地雷达法(GPR)和落锤式弯沉仪法(FWD)[1]。GPR法是一种基于电磁波理论的检测方法，通常用于道面结构层厚度的评估[2-5]，但其方法的距离分辨率有限[6]，且因电磁波传播速度极快，较难识别道面面层下的脱空状态。FWD法可以通过测定道面的动态弯沉、传荷系数，评价脱空状况[7,8]，但其设备沉重，运输不便，检测效果不明显，效率低，且弯沉测试结果受温度梯度影响大[9]。

地震映像法是一种基于弹性波传播特性检测的工程地球物理方法[10]，已被国内外学者广泛研究并应用于工程地质勘探。刘振明等[11]在铁路勘察中利用该方法与地震CT法结合应用识别采空区，但该方法深度范围误差较大；蔡靖等[12]通过反射纵波波至时间和主频值大小快速对堤坝防渗墙的施工质量做出判断；Chang等[13]运用该方法进行了混凝土预埋裂缝的检测，发现浅层、水平层和大裂缝比深层、倾斜层和小裂缝更容易被检测到，但仅选取纵波作为有效波；张宇辉等[14]运用该方法识别地基沉陷和地基脱空，为沉降区后期加固提供依据。针对机场道面板的脱空识别问题，利用弹性波的传播速度慢、分辨率高、与机场道面结构的力学参数联系更加紧密等特点，结合地震映像法用于识别道面板脱空可能是一种行之有效的检测手段，但目前尚未见相关文献报道。

本文分别采用纵波和横波作为有效波，结合地震映像法实现了对机场道面板的脱空检测识别。利用ABAQUS有限元软件，建立了机场道面的二维数值模型，对比分析了纵、横波地震映像在机场道面结构以及存在脱空情况下的响应规律与特征，旨在探讨适用于机场道面结构与脱空隐患检测的快速、便捷、准确率高的检测方法。

1 地震映像法检测脱空原理

通过人工手段激振弹性介质，会同时产生横波、纵波和瑞雷波。在同一种弹性介质中纵波和横波的传播速度不同。同时，不同的弹性介质参数也会影响纵波和横波的传播速度。其纵波和横波波速与介质弹性模量、介质密度和介质泊松比相关。其中，纵波速度表达式为：

(1)

横波速度表达式为：

(2)

其中，E为介质弹性模量；ρ为介质密度；σ为介质泊松比。

波在传播过程中，遇到弹性分界面时，部分能量会反射回激振表面，即为反射波。反射波的强度取决于反射系数R的大小，反射系数表征着界面上能量的分配，其表达式为：

(3)

其中,AR为反射波振幅；Ai为入射波振幅；ρn-1,vn-1,ρn,vn分别为分界面上下两种介质的密度和波在介质中的传播速度。R的绝对值越大则表示反射波能量越强，同时R有正负值之分，当R>0时，反射波与入射波的相位相同，当R<0时，反射波与入射波的相位相反。

地震映像法是通过在地面上预设等间距固定测点，单点激发，单点接收，按照测点顺序逐一进行检测，同时平移激振点和检波器位置，最后对采集信号进行数据处理得到地震映像图。

机场道面的脱空在道面板和基层之间，由于脱空区域内一般填充着空气或泥浆，其与面层之间的反射系数大，因此反射波振幅大，反射能量强，容易被检波器接收。本文基于地震映像法，分别对反射波中的纵波和横波作为有效波进行道面脱空检测识别分析。

2 机场道面模型及参数

2.1 几何模型

以典型的机场道面二维层状结构为研究对象，其几何模型如图1所示，自上而下依次为面层、基层、土基。结构各部分尺寸如下：面层、基层、土基的长度为1 000 cm，厚度分别为40 cm，40 cm，200 cm。其中A和B为在基层顶部预设的脱空位置，A位于板中部，B位于板边部。

2.2 数值模型

采用ABAQUS有限元计算软件建立机场道面二维结构模型，如图2所示。模型的单元类型为CPS4R网格，网格尺寸为0.01 m×0.01 m。

模型面层为水泥混凝土，基层为水泥稳定碎石，对于脱空区域，采用淤泥质土材料作为填充。模型材料参数根据MH/T 5004—2010民用机场水泥混凝土道面设计规范及MH/T 5110—2015民用机场道面现场测试规程选取，具体参数如表1所示。

表1 模型材料参数

2.3 激振震源

雷克子波因具有延续时间很短、收敛快、反射波波形分辨率高的优点被广泛应用于无损检测数值模拟中的激振震源[15]，因此本文采用雷克子波作为激振震源，频率为10 000 Hz和2 000 Hz，其波形如图3所示。

本文中横波地震映像法激振方式为横向激振，检波器采集横向加速度；纵波地震映像激振方式为竖向激振，检波器采集竖向加速度。

2.4 数值分析工况

为了对比分析纵波地震映像法和横波地震映像法对道面结构脱空检测识别中的特征和规律。根据脱空高度、脱空长度、基层材料参数、脱空位置、激振主频等参数变量分析以下七种工况，如表2所示。

表2 数值分析工况

3 数值分析结果

3.1 纵波和横波在道面结构无脱空状态下的传播规律

工况一为道面结构无脱空状态。在面层顶部分别施加一次纵向激振和横向激振，多道同时采集时间—加速度关系曲线，生成纵波和横波的多道接收地震时间剖面图，如图4所示。从图4a)可以看出，“R”为沿介质表面传播的瑞雷波，其振幅大，持续时间长，衰减不明显；“P”为传播到土基层上表面而被反射回来的纵波，在大约0.53 ms时最先被接收到；由于面层与基层间的反射系数小，反射能量小，所以在图中并未能发现基层上表面反射回来的纵波。从图4b)可以看出，“D”是由于横向激振产生且沿表面传播的直达纵波，“R”是瑞雷波；“S1”是被基层上表面反射回来的横波，最初发生在约0.3 ms；“S2”是被土基层上表面反射回来的横波，最初发生在约0.79 ms。其中，“S1”虽然迅速衰减消失，但图4a)显示并未发现基层上表面反射回来的纵波。由此可知，与反射纵波相比，反射横波信号的可识别性能更好。

分别对纵波和横波激振获取的数据绘制地震映像图，如图5所示。从图5a)可以看出，“R”代表瑞雷波，“P”代表土基层反射纵波，其振幅很小，同时无法看到基层反射纵波；图5b)波形呈层状分布，“D&R”代表相互重叠的直达纵波和瑞雷波，“S1”与“S2”分别代表基层反射横波与土基层反射横波，可清晰的分辨出面层与基层、基层与土基层的分界面。由此可知，反射横波比反射纵波振幅更大，垂直分辨率更高。

3.2 纵波和横波地震映像对道面结构脱空的识别特征

通过对工况二进行数值模拟，分析纵波和横波地震映像法对脱空的识别特征，其获得的地震映像如图6所示。从纵波地震映像图6a)可以看出，被脱空区域反射回来的纵波“C”可以清楚地被识别，其从通道15持续到通道27，脱空响应长度为120 cm；实际脱空长度100 cm，脱空响应长度大于实际情况20 cm。从横波地震映像图6b)可以看出，基层反射横波“S1”与被脱空区域反射回来的横波“C1”同时到达，但“C1”的振幅明显大于“S1”；“C2”“C3”是面层上表面与脱空区域间的多次反射横波；“C1”“C2”“C3”从通道15持续到通道27，脱空响应长度均为120 cm；实际脱空长度为100 cm，脱空响应长度大于实际情况20 cm。以此判断“C1”“C2”“C3”均可作为脱空区的识别特征。且“C”的振幅约为2×10-6m/s2，“C1”的振幅约为4.8×10-6m/s2，“C1”的振幅约是“C”的2.4倍。通过以上对比可知在同一主频激振下，反射横波的振幅大于反射纵波，横波地震映像脱空识别特征信号更加明显，但二者的脱空响应长度均大于实际情况。

3.3 脱空高度和长度对地震映像检测识别的影响

通过对工况三和工况四进行数值模拟，分析对应的脱空高度和长度对纵波和横波地震映像法检测识别的影响。脱空高度影响分析(工况三)的地震映像图如图7所示。对比图7与图6可以看出，随着脱空区域高度的增大，纵波和横波地震映像法识别脱空区域的特征信号“C”“C1”“C2”“C3”完全一致。因此纵波和横波地震映像法无法识别脱空高度。

脱空长度影响分析(工况四)的地震映像如图8所示。“C”“C1”“C2”“C3”四种识别脱空区域的反射波信号都从通道13持续到通道29，脱空响应长度为160 cm；实际脱空长度140 cm，脱空响应长度大于实际情况20 cm。对比工况二可知，随着脱空长度的变化，脱空响应长度与实际情况相差一致，均为20 cm。这是由于相邻地震道的反射波提前或滞后的到达，使脱空响应长度大于实际情况。

3.4 基层材料参数对地震映像检测识别的影响

由第2节可知，纵波和横波传播速度受到介质弹性模量、密度、泊松比的影响，反射系数又受到上下界面波速和介质密度的影响，故地震映像一定会受到弹性模量、密度和泊松比等介质材料参数的影响。实际工程中，面层混凝土材料参数基本稳定，基层材料种类多，材料参数差异大。本文选取基层弹性模量来表征基层材料参数变化对地震映像的影响(工况五)。工况五中基层弹性模量为20 GPa，地震映像图如图9所示。对比工况二中基层弹性模量14 GPa，从图9a)与图6a)可以看出，脱空特征信号“C”无变化；而由于基层弹性模量的增加，基层中纵波波速增加，导致“P”提前了0.05 ms。从图9b)与图6b)可以看出，“S1”振幅变小；“S2”提前了0.08 ms；脱空特征信号“C1”“C2”“C3”无变化。由此可知，虽然基层材料参数在一定范围内的变化会造成“P”“S1”“S2”等反射波的振幅及初至时间的变化，但均不影响脱空特性信号“C”“C1”“C2”“C3”的表现，仍然可以清晰地识别脱空长度和脱空位置。

3.5 脱空位置对地震映像检测识别的影响

由于道面板脱空多发生在板边，为了分析纵波和横波地震映像法对板边脱空的识别效果，工况六将脱空位置设置在板边。从图10的“N”可以看出纵波和横波会在板边处发生边界反射，形成干扰波对检测效果造成影响。从图10a)可以看出，“C”从通道30持续到通道38，接近边界的0.3 m脱空区域由于受到干扰波“N”的影响，部分信号被淹没，无法被识别。从图10b)可以看出，“C1”从通道29持续到40；“C2”从通道30持续到通道40；“C3”受干扰严重，接近边界的0.1 m脱空区域由于受到干扰波“N”的影响，无法被识别。

3.6 震源主频对地震映像检测识别的影响

工况七中以激振震源主频2 000 Hz进行激励，获得如图11所示的地震映像图。虽然仍可以通过观察脱空响应区来识别脱空位置，但是脱空识别效果下降，且不能识别道面结构分界面。这是由于波长随着激振主频的降低而增加，面波还未结束时反射波已经到达，面波与反射波相互叠加。

激振主频的选择同时受波速、偏移距、面层厚度影响。激振震源主频决定着信号频带宽度，不同的频带宽度适用于不同的检测情况。低频信号检测距离远，分辨率低；高频信号分辨率高，易衰减。因此选择合适的震源主频有利于提高检测效果。

4 结论

本文基于地震影响法，采用纵波和横波作为有效波，对典型机场道面结构进行脱空识别数值分析，得到如下结论：

1)纵波地震映像法和横波地震映像法均能较好地识别道面中存在的脱空，但脱空响应长度大于实际脱空长度，且不能识别脱空高度。

2)道面结构基层的材料参数在一定范围内的变化，会带来反射波的振幅和反射波初至时间的变化，但不会影响纵波和横波地震映像脱空检测效果。

3)选择合适的震源主频有利于提高检测效果。如果震源主频过小，虽然可以识别脱空位置，但识别效果下降，且不能识别道面结构分界面。

4)在同一激振主频下，反射横波的振幅大于反射纵波，且横波地震映像可以识别道面结构分界面，脱空识别特征信号更加明显；对道面板板边进行脱空检测时，由于受到边界干扰波的影响，横波地震映像法存在0.1 m的检测盲区，纵波地震映像法存在0.3 m的检测盲区。因此，在道面板脱空检测中，横波地震映像法优于纵波地震映像法。