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

[摘要]地下工程，尤其是隧道工程在施工及运行过程中容易受到火灾、地震等人为因素及自然因素影响，引起地下工程不同程度损坏。为保障地下工程施工安全性及运行安全性，需要加强对地下工程检测。当前多采取无损检测技术进行地下工程检测，但其方法存在着一定局限性，提出基于弹性波理论的层状不均匀介质中弹性波传播特性及岩土工程检测应用研究。结合工程实例，通过实践证明，在岩土工程中应用弹性波检测方法，其检测效率及精度较高，综合效益良好。

[关键词]层状不均匀介质 弹性波 传播特性 岩土工程 检测

[中图分类号] O347.4+1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-4-343-1

1工程概况

某隧道主体工程采取沉管法施工工艺，路线总长度为4.2km，隧道全长为3.36km，地下工程长度为2.9km，隧道工程设计双向六车道。沉管段设计长度为255m，沉管管段为两孔三管廊箱体结构，底板厚度为1.4m，顶板厚度为1.35m，内墙及外侧墙厚度分别为0.6m、1.0m，隧道工程中应用C40强度等级混凝土，混凝土抗渗等级为S10。因采取传统无损检测技术存在着一定局限性，提出对弹性波传播特性的研究，并建立岩土工程介质检测方法。

2层状不均匀介质中弹性波传播特性研究

为研究层状介质弹性参数及弹性波传播特性之间存在的定量关系，可通有限元分析法对层状介质中弹性波传播过程进行模拟。

2.1层状不均匀介质中弹性波特性研究模型

建立层状不均匀介质有限元分析模型，考虑实际注浆作业中介质变化，可以建立三层层状介质模型，其中模型上层与下层设计为混凝土层，中间层设计为变化曾。二维有限元模型高度及长度分别设计为50m、100m，网格设置四节点平面应变单元，以0.1m×0.1m尺寸进行网格划分，总单元数量为5400。以该隧道工程隧道水平方向为x轴正方向，沿工程隧道高度方向为y轴正方向，模型设计如图1所示。

通过有限元模型对实际注浆过程中层状不均匀介质构造进行研究，在模型置换层物理参数设计为混凝土变化到饱和土过程中的七种材料。材料特性如表1所示。

2.2弹性波在层状介质中传播特性研究

在模型研究时，其震源应用人工敲击震源。在相同震源激励基础上，可以获取模型置换层不同材料弹性波传播特征。通过研究发现，当置换层弹性模量为10-30GPa同一数量级时，表现为单层介质传播特性，当弹性模量降低后，其转播特性主要表现在上两层中，当置换层为饱和土层时，弹性波在混凝土层传播。

2.2.1波形特性研究

通过研究七种材料输出接点速度响应波形发现，所有输出波形走时及波形形态表现形式基本相同，从第一种材料到最后饱和土材料变化过程中，波形响应表现出增幅趋势。由此可以判断出，当混凝土中间置换层材料物理力学性质与混凝土性质接近时，介质界面变化不明显，增幅响应偏低。当混凝土中产生松软介质时，则会产生较为明显的介质界面，在界面位置其弹性波折射及反射较为明显，响应速度增加较为明显。将输出波形面积定义为响应能量，将响应能量进行归一化处理，研究表明，当地下介质阻抗比为0.1-0.5范围时，输出响应能量衰减较为敏感。

2.2.2频谱特性研究

将输出速度频谱响应与输入速度频谱响应比定义为模型下部构造传达函数，通过研究其传达函数发现，随着介质波阻抗增加，频谱特性逐渐增加，卓越频率值为91Hz及1273Hz，阻抗比低于0.5时，频谱卓越特性较为明显，阻抗比超出0.5时，频谱卓越特性表现不突出。将传达函数作归一化处理，获得频谱特性与介质波阻抗关系图，如图2。

通过上图可以看出，随着介质波阻抗比增加，传达函数增幅率降低。当介质阻抗比为0.1-0.5范围时，介质传达函数增幅率最为敏感。

2.2.3时频特性研究

将输出响应进行连续小波变换，可以获得响应时频分布图，通过研究发现，置换层材料变化，其时频响应持续时间较长，说明弹性波在介质中传播过程中混响效应增加。采取归一化方法处理输出波形时频响应，发现随着介质阻抗比增加，输出时频响应降低，介质阻抗比为0.1-0.5范围时，输出波时频持续时长衰减最为敏感。

3弹性波映像法在岩土工程检测中的应用

在研究弹性波在层状不均匀介质中传播特性的基础上，通过人工敲击方式激发弹性波，进行地表各处振动响应信息采集，并振动响应所表现出的波形特性、频谱特性及时频特性进行研究，通过可视化技术进行分析结果处理，实现对地下介质弹性参数变化评价的检测方法被称之为弹性波映像法。在该隧道工程中，应用弹性波映像法进行隧道施工实施检测。

在该隧道工程中，应用弹性波映像法，其数据采集设备主要为激发装置、地震仪、检波器、耦合装置与计算机等。该隧道工程检波器设计间距为0.5m，设计12道测线，震源偏移距为0.5m，采样间隔时间设计为31.25us，采集记录长度为256ms。通过收集数据，进行可视化处理。通过研究隧道工程注浆前后波形特性，进行下部介质变化规律研究。实践证明，当混凝土下部为松软介质时，波形持时、响应能量增加，频谱增幅率提高，时频出现显著混响效应，可以实现岩土工程介质变化情况的有效检测。

4结语

在进行地下工程，如隧道工程施工过程中，容易受到地震等因素影响导致工程施工受到不同程度影响，为保证地下工程施工及运行安全性，要求对地下工程进行检测。在应用传统无损检测中其局限性较多，检测效率及精度偏低，提出建立于弹性波的层状不均匀介质中弹性波传播特性研究，并对弹性波映像法在岩土工程中的应用进行了分析。实践证明，在岩土工程中应用弹性波映像法，其检测效率较高，检测精度较好，整体效益明显。

参考文献

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