CN100370250C - 土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法，该方法包括下列步骤：1)对土石混填路基进行震动成像测试；2)对土石混填路基进行视电阻率成像测试；3)对所获得的测试信号进行分析处理；4)对路基波速、视电阻率的分布进行成像反演获得路基波速图像和视电阻率图像；5)对路基压实度的分布进行计算获得压实度图像；6)根据压实度图像对路基压实质量进行诊断。本发明的技术效果是：能广泛适用于填土路基、土石混填路基、填石路基；测试深度能达到40米；扫描断面成像、立体控制，测试可靠性高；测试精度达到±2%；测试速度快，现场测试、即时微机自动处理、即时获得成像诊断结果50分钟/50米断面；直接在表面进行无损检测。

Description

土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法

技术领域

本发明涉及公路质量检测方法，尤其是涉及一种土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法。

背景技术

近年来，随着高速公路在西部的快速发展，在山区及丘陵地区的高速公路建设中，会遇到大量的高填方路堤(占公路的总里程至少在30％以上)，其压实质量直接影响到公路的修筑质量及其使用寿命。而目前我国公路路基压实度检测的传统方法有灌砂法、核子测定法、环刀法等，这些方法仅适用于填筑集料粒径小、厚度较薄的填土路基压实质量检测。对于填方路基中80％以上是土石混填和填石路堤，由于其填料的粒度变化大、含水量又很不均匀，从而使得现有的压实度测试方法受到相当的限制。因而如何有效评价公路土石混填路堤的压实质量并实时修正压实方案已成为我国公路填方路堤修筑技术中亟待解决的关键技术问题。2002年申请者基于学科交叉完成了“公路土石混填路堤压实度快速波动检测技术的研究”，开发土石混填路堤压实度波动检测实用技术。该技术在很大程度上改进了传统方法的缺陷。但是该技术仍然达不到对压实质量进行全方位诊断的目的。

发明内容

本发明借鉴医学CT技术的机理，采用电震联合测试，发明了土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法。在土石混填路基表面实施电法和震动的联合无损测试，通过Radon正反演理论进行测试信号的成像反演，获取土石混填路基内部的物性指标的CT扫描图像，再利用土石混填材料在不同压实状态下的电震的不同响应，从而获得土石混填路基压实度的CT切片图像。利用该图像便可对土石混填路基压实质量进行全方位诊断。

本发明的具体技术方案为：一种土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法，其特征为：该方法包括下列步骤：1)对土石混填路基进行震动成像测试；2)对土石混填路基进行视电阻率成像测试；3)对步骤1)和步骤2)所获得的测试信号进行分析处理；4)对路基波速、视电阻率的分布进行成像反演，获得路基波速图像和视电阻率图像；5)对路基压实度的分布进行计算，获得压实度图像；6)根据压实度图像对路基压实质量进行诊断。

本发明的有益技术效果是：能广泛适用于填土路基、土石混填路基、填石路基；测试最大深度能达到40米；扫描断面成像、立体控制，因而测试可靠性高；测试精度能达到±2％；测试速度快，能实现现场测试、即时微机自动处理、即时获得成像诊断结果50分钟/50米断面；测试方便，直接在表面进行无损检测。

附图说明

图1为本发明的方框图；

图2为震动成像测试原理图；

图3为视电阻率成像测试原理图；

图4为厚度为3米的土石混填路基的成像结果图。

附图中：土石混填路基1，拾震器或检波器2，震源3，锤4，信号线5，数据采集与分析器6，供电电极A、B，测量电极7，直流电源8，电源线9。

具体实施方式

参见附图1，一种土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法，该方法包括下列步骤：1)对土石混填路基进行震动成像测试；2)对土石混填路基进行视电阻率成像测试；3)对步骤1)和步骤2)所获得的测试信号进行分析处理；4)对路基波速、视电阻率的分布进行成像反演，获得路基波速图像和视电阻率图像；5)对路基压实度的分布进行计算，获得压实度图像；6)根据压实度图像对路基压实质量进行诊断。

现场震动成像测试

现场震动成像测试方法参见附图2，测试步骤为：

1)在土石混填路基表面放置6-12只震动拾震器或检波器，震动拾震器或检波器在一条直线(测线)上，将信号线连接到数据采集与分析器；各震动拾震器(或检波器)的间距与测试深度有关，测试深度越大，间距越大。各检波器之间的间距可以相等，也可以不等。

2)在测线两端一个检波器间距处采用锤击震源进行锤击，两端各一次，同时数据采集与分析器采集数据。

视电阻率成像测试

视电阻率成像测试原理参见附图3，测试步骤为：

1)在土石混填路基表面插入供电电极A和B，AB的距离覆盖整个被诊断的路基范围，并将电极接通直流电源；

2)在供电电极中间约三分之一的范围内插入测量电极对并在测线(供电电极A、B之间的直线)上按等间距进行移动，测量电极之间的距离与每次移动的距离相等，同时数据采集分析器进行数据采集。

将震动成像测试和视电阻率成像测试所获得的测试信号进行分析处理：

测试信号首先采用切除、滤波、谱分析等常规方法进行预处理，然后采用下式进行有效信息提取处理

$\widehat{\mathrm{\ψ}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{e^{-i(\mathrm{\ω}/2)}}{{\mathrm{\ω}}^4}\frac{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_8(\frac{\mathrm{\ω}}{2}+\mathrm{\π})}}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_8\left(\mathrm{\ω}\right){\mathrm{\Σ}}_8\left(\frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}}---\left(1\right)$

式中 ${\mathrm{\Σ}}_8\left(\mathrm{\ω}\right)=\sqrt{\frac{N_1\left(\mathrm{\ω}\right)+N_2\left(\mathrm{\ω}\right)}{105{\left(\sin \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^8}}$

$N_1\left(\mathrm{\ω}\right)=5+30{\left(\cos \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^2+30{\left(\sin \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^2{\left(\cos \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^2$

$N_2\left(\mathrm{\ω}\right)=2{\left(\sin \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^4{\left(\cos \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^2+70{\left(\cos \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^4+{\frac{2}{3}\left(\sin \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^6$

∑₈(ω)是 ${\mathrm{\Σ}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)=1/4{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)$ 的6阶导数。

(ω)为母小波函数的频谱函数(特征尺度函数)。

ω为角频率。

对路基波速、视电阻率的分布按下式进行成像反演，获得路基波速图像和视电阻率图像：

${\∂T}_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{{\∂T}_i}{{\∂V}_j}\right){|}_{V_j^R}{\∂V}_j$

${\∂t}_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{{\∂a}_0^k}{{\∂V}_j}{\∫}_{S_{\mathrm{ik}}}(-\frac{1}{V_R^2\left(\stackrel{\→}{r}\right)k})\mathrm{ds}+\frac{{\∂V}_x^k}{{\∂V}_j}{\∫}_{s_{\mathrm{ik}}}(-\frac{1}{V_R^2\left(\stackrel{\→}{r}\right)k})\mathrm{ds}+\frac{{\∂V}_z^k}{{\∂V}_j}{\∫}_{s_{\mathrm{ik}}}(-\frac{Z}{V_R^2\left(\stackrel{\→}{r}\right)k})\mathrm{ds})\∂V_j$

式中：T_i为走时残差向量；t_j为走时残值；

为参考模型速度分布。V_x，V_z分别为x、z方向的速度梯度；V_j为模型速度修正向量；a₀为单元速度。定义雅可比(Jacobi)系数： $L_{\mathrm{ik}}^0={\∫}_{s_{\mathrm{ik}}}(-\frac{1}{V_R^2\left(\stackrel{\→}{r}\right)k})\mathrm{ds}$

$L_{\mathrm{ik}}^1={\∫}_{s_{\mathrm{ik}}}-\frac{X}{V_R^2\left(\stackrel{\→}{r}\right)k}\mathrm{ds}$

$L_{\mathrm{ik}}^2={\∫}_{S_{\mathrm{ik}}}-\frac{Z}{V_R^2\left(\stackrel{\→}{r}\right)k}\mathrm{ds}$

Jacobi系数：

$\frac{{\∂T}_i}{{\∂V}_j}=\underset{k=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{{\∂a}_0^k}{{\∂V}_j}{L}_{\mathrm{ik}}^0+\frac{{\∂V}_x^k}{{\∂V}_j}{L}_{\mathrm{ik}}^1+\frac{{\∂V}_z^k}{\∂V_j}{L}_{\mathrm{ik}}^2)$

(1)当射线(波的传输路径)参数p与速度梯度的乘积p|V|≠0时，Jacobi系数为：

$L_{\mathrm{ik}}^1=\frac{1}{|\▿V|}[M_2{V}_x+M_1{V}_z+(V_x{R}_{z_0}+V_z{R}_{x_0})M_0])$

$L_{\mathrm{ik}}^2=\frac{1}{|\▿V|}[M_2{V}_z-M_1{V}_x+(V_z{R}_{z_0}-V_x{R}_{x_0})M_0]$

其中：R为射线园半径；θ₂″，θ₁″分别为出、入射点的圆心角；|V|为速度梯度大小；V_x，V_z分别为x、z方向的速度梯度；M₀，M₁，M₂称为Jacobi亚系数：

$M_0=L_{\mathrm{ik}}^0$

$M_2=-\frac{t_0}{|\▿V|}$

(2)当射线垂直入射时，Jacobi系数表达式：

$L_{\mathrm{ik}}^0=-\frac{1}{|\▿V|}|\frac{1}{V_2}-\frac{1}{V_1}|$

$L_{\mathrm{ik}}^1=\frac{1}{|\▿V|}[M_1{V}_z+M_2{V}_z]$

$L_{\mathrm{ik}}^2=\frac{1}{|\▿V|}[M_2{V}_z-M_1{V}_x]$

其中：

$M_1=-\frac{{x_1}^{\′}}{|\▿V|}|\frac{1}{V_2}-\frac{1}{V_1}|$

$M_2=\frac{l}{|\▿V|}[\frac{{z_2}^{\′}}{V_2}-\frac{{z_1}^{\′}}{V_1}-\frac{1}{|\▿V|}\left(\ln \frac{V_2}{V_1}\right)]/({z_2}^{\′}-{z_1}^{\′})$

(3)常速单元内的Jacobi系数表达式：

$L_{\mathrm{ik}}^0=-l/a_0^2$

$L_{\mathrm{ik}}^1=-l(x_2+x_1)/2a_0^2$

$L_{\mathrm{ik}}^2=-l(z_1+z_2)/2a_0^2$

式中：l为射线长度；a₀为单元速度；(x₁，z₁)，(x₂，z₂)分别为入、出射点坐标。

${\∂t}_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{{\∂a}_0^k}{{\∂V}_j}{L}_{\mathrm{ik}}^0+\frac{{\∂V}_x^k}{{\∂V}_j}{L}_{\mathrm{ik}}^1+\frac{{\∂V}_z^k}{\∂V_j}{L}_{\mathrm{ik}}^2){\∂V}_j$

$\frac{{\∂T}_i}{{\∂V}_j}=\underset{k=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{{\∂a}_0^k}{{\∂V}_j}{L}_{\mathrm{ik}}^0+\frac{{\∂V}_x^k}{{\∂V}_j}{L}_{\mathrm{ik}}^1+\frac{{\∂V}_z^k}{\∂V_j}{L}_{\mathrm{ik}}^2)$

对路基压实度的分布进行计算，获得压实度图像

运用震动测试和视电阻率测试获得的波速图像和视电阻率图像，通过土石路基的波动特性和电场特性与其物理力学特性的相关性，进行图像综合处理获得土石混填路基的压实度图像。

(1)流固两相介质的等效模量

G_e＝G_d

$\left.\begin{array}{c}{K}_e=K_d+K_P\\ K_P=\frac{{\mathrm{\α}}^2}{\frac{\mathrm{\α}-\mathrm{\φ}}{K_s}+\frac{\mathrm{\φ}}{K_f}}\\ \mathrm{\α}=1-\frac{K_d}{K_s}\end{array}\right\}$

K_e、G_e是土石复合介质的宏观等效体积模量和剪切模量，K_d、G_d为固体相介质(干燥状态下颗粒骨架)的等效体积模量和剪切模量，K_s为固体颗粒的体积模量，K_f为流体相的体积模量，φ为流固两相介质的孔隙度。

(2)流体相的等效模量

流体相的体积模量K_f可表示为：

$\frac{1}{K_f}=\frac{S_a}{K_a}+\frac{1-S_a}{K_w}$

式中：K_f为流体相的体积模量；K_a为气体体积模量；K_w为液体体积模量；S_a为气饱和度。也可用多相土石介质的水饱和度表示：

$K_f=\frac{K_a{K}_w}{S_w(K_a-K_w)+K_w}$

(3)干燥条件下，等球体随机堆积的有效剪切模量

$K_d=\sqrt[3]{\frac{n^2{(1-\mathrm{\φ})}^2{G_s}^2}{18{\mathrm{\π}}^2{(1-\mathrm{\υ})}^2}P}$

(4)土石介质固体相模量的计算

$G_d=\frac{5-4\mathrm{\υ}}{5(2-\mathrm{\υ})}\sqrt[3]{\frac{3n^2{(1-\mathrm{\φ})}^2{G_s}^2}{2{\mathrm{\π}}^2{(1-\mathrm{\υ})}^2}P}$

$K_d=\sqrt[3]{\frac{n^2{(1-\mathrm{\φ})}^2{G_s}^2}{18{\mathrm{\π}}^2{(1-\mathrm{\υ})}^2}P}$

(5)土石固体颗粒的体积模量和剪切模量

$G_s=\frac{1}{2}(G_{\mathrm{ss}}+\frac{f_t}{{(G_{\mathrm{ts}}-G_{\mathrm{ss}})}^{-1}+\frac{{2f}_s(K_{\mathrm{ss}}+{2G}_{\mathrm{ss}})}{5G_{\mathrm{ss}}(K_{\mathrm{ss}}+\frac{4}{3}{G}_{\mathrm{ss}})}}+G_{\mathrm{st}}+\frac{f_s}{{(G_{\mathrm{ss}}-G_{\mathrm{ts}})}^{-1}+\frac{{2f}_t(K_{\mathrm{ts}}+{2G}_{\mathrm{ts}})}{5G_{\mathrm{ts}}(K_{\mathrm{ts}}+\frac{4}{3}{G}_{\mathrm{ts}})}})$

$K_s=\frac{1}{2}(K_{\mathrm{ss}}+\frac{f_t}{{(K_{\mathrm{ts}}-K_{\mathrm{ss}})}^{-1}+f_s{(K_{\mathrm{ss}}+\frac{4}{3}{G}_{\mathrm{ss}})}^{-1}}+K_{\mathrm{ts}}+\frac{f_s}{{(K_{\mathrm{ss}}-K_{\mathrm{ts}})}^{-1}+f_t{(K_{\mathrm{ts}}+\frac{4}{3}{G}_{\mathrm{ts}})}^{-1}})$

式中：G_ss为石颗粒的剪切模量；G_ts为土颗粒的剪切模量；K_ss为石颗粒的体积模量；K_ts为土颗粒的体积模量；f_t为土颗粒相的体积分数；f_s为石颗粒相的体积分数。

(6)土石路基的等效体积模量

$K_e=K_d+\frac{{\mathrm{\α}}^2}{\frac{\mathrm{\α}-\mathrm{\φ}}{K_s}+\frac{\mathrm{\φ}}{K_f}}=\sqrt[3]{\frac{n^2{(1-\mathrm{\φ})}^2{G_s}^2}{{18\mathrm{\π}}^2{(1-\mathrm{\υ})}^2}{\mathrm{\ρ}}_d\mathrm{gh}}+\frac{{\mathrm{\α}}^2}{\frac{\mathrm{\α}-\mathrm{\φ}}{K_s}+\frac{\mathrm{\φ}(S_w(K_a-K_w)+K_w)}{K_a{K}_w}}$

式中：n-平均接触点数，n＝25.408φ²-43.213φ+21.547，φ-孔隙度；ρ_d-土石固体相的等效密度(干密度)，ρ_d＝ρ_de(1-φ)+φρ_a，ρ_de为固体颗粒等效密度且ρ_de＝f_tρ_t+f_sρ_s，ρ_t、ρ_s、ρ_a分别为土、石颗粒的密度和空气的密度，f_t、f_s分别为土、石的体积分数；α-比奥特(Biot)孔隙弹性系数， $\mathrm{\α}=1-\frac{K_d}{K_s};$ υ-泊松比；h-土石介质的厚度；S_w-水饱和度；K_a、K_w-气体、水的体积模量，K_a≈0.1MPa，K_w≈2GPa；K_d-固体相介质的等效体积模量， $K_d=\sqrt[3]{\frac{n^2{(1-\mathrm{\φ})}^2{G_s}^2}{18{\mathrm{\π}}^2{(1-\mathrm{\υ})}^2}{\mathrm{\ρ}}_d\mathrm{gh}};$ K_s-固体颗粒的体积模量；G_s-固体颗粒的剪切模量。

(7)土石路基的等效剪切模量

${G_e=G}_d=\frac{5-4\mathrm{\υ}}{5(2-\mathrm{\υ})}\sqrt[3]{\frac{3n^2{(1-\mathrm{\φ})}^2{G_s}^2}{2{\mathrm{\π}}^2{(1-\mathrm{\υ})}^2}{\mathrm{\ρ}}_d\mathrm{gh}}$

(8)石路基的等效波速

$V_P=\sqrt{\frac{K_e+\frac{4}{3}{G}_e}{{\mathrm{\ρ}}_e}}={\left(\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_e}\left(\begin{array}{c}\sqrt[3]{\frac{n^2{(1-\mathrm{\φ})}^2{G_s}^2}{18{\mathrm{\π}}^2{(1-\mathrm{\υ})}^2}{\mathrm{\ρ}}_d\mathrm{gh}}+\frac{{\mathrm{\α}}^2}{\frac{\mathrm{\α}-\mathrm{\φ}}{K_s}+\frac{\mathrm{\φ}(S_w(K_a-K_w)+K_w)}{K_a{K}_w}}\\ +\frac{4}{3}\left(\frac{5-4\mathrm{\υ}}{5(2-\mathrm{\υ})}\sqrt[3]{\frac{{3n}^2{(1-\mathrm{\φ})}^2{G_s}^2}{2{\mathrm{\π}}^2{(1-\mathrm{\υ})}^2}{\mathrm{\ρ}}_d\mathrm{gh}}\right)\end{array}\right)\right)}^{\frac{1}{2}}$

$V_s=\sqrt{\frac{G_e}{{\mathrm{\ρ}}_e}}={\left(\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_e}\left(\frac{5-4\mathrm{\υ}}{5(2-\mathrm{\υ})}\sqrt[3]{\frac{{3n}^2{(1-\mathrm{\φ})}^2{G_s}^2}{2{\mathrm{\π}}^2{(1-\mathrm{\υ})}^2}{\mathrm{\ρ}}_d\mathrm{gh}}\right)\right)}^{\frac{1}{2}}$

(9)土石路基的压实度成像计算模型：

$K=\frac{{\mathrm{\υ}}^0\·{\mathrm{\φ}}^0\·G_s\·\frac{1}{{(1+w)}^{3/2}}\·\sqrt{\mathrm{gh}}\·\frac{1}{V_s^3}}{{\mathrm{\υ}}_m^0\·{\mathrm{\φ}}_m^0\·G_s\·\frac{1}{{(1+w)}^{3/2}}\·\sqrt{\mathrm{gh}}\·\frac{1}{V_{\mathrm{sm}}^3}}=\frac{{\mathrm{\υ}}^0\·{\mathrm{\φ}}^0}{{\mathrm{\υ}}_m^0\·{\mathrm{\φ}}_m^0}\·{\left(\frac{1+w}{1+w_m}\right)}^{-3/2}\·{\left(\frac{V_s}{V_{\mathrm{sm}}}\right)}^{-3}$

式中：

$V_{\mathrm{sm}}={({\mathrm{\υ}}_m^0\·{\mathrm{\φ}}_m^0\·G_s\·\sqrt{\mathrm{gh}})}^{1/3}\·{(1+w_m)}^{-7/6}\·{{\mathrm{\ρ}}_m}^{-1/3}$

$V_{\mathrm{sm}}={\left({\mathrm{\υ}}_m^0{\mathrm{\φ}}_m^0{G}_s\sqrt{\mathrm{gh}}\right)}^{1/3}{(1+\frac{w_{\mathrm{tm}}{\mathrm{\ρ}}_{t}f}{{\mathrm{\ρ}}_{t}f(w_{\mathrm{tm}}+1)+{\mathrm{\ρ}}_s})}^{-7/6}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{t}f(w_t+1)+{\mathrm{\ρ}}_s}{1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{t}f}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{td}}}}\right)}^{-1/3}$

式中各参数的物理意义：

K-土石混填路基的压实度(％)；h-土石介质的厚度(m)；g-重力加速度(m/s²)；V_sm-最密实状态下土石复合介质剪切波波速(m/s)；υ_m ⁰-最密实状态下土石复合介质的类泊松比；φ_m ⁰-最密实状态下土石复合介质的类孔隙度；G_s-土石固体颗粒等效剪切模量(GPa)；w_tm-最密实状态下土的含水量(％)；w_m-最密实状态下土石复合介质的含水量(％)；w-土石复合介质的天然含水量(％)；ρ_t-土颗粒的密度(kg/m³)；ρ_s-石料颗粒的密度(kg/m³)；ρ_m-最密实状态下土石复合介质的密度(kg/m³)；f-土石比(体积)，f＝f_t∶f_s；h-路堤深度(m)；ρ_td-土的最大干密度(kg/m³)；V_s-实测波速。

根据前述步骤所获得的压实度图像，即可对土石路基的压实质量进行诊断。

图四所示为根据本发明所述的方法所得出的厚度为3.0米的土石混填路基的成像结果(剖面长度取其中5.0米宽度)，图中等值线值为压实度(％)，局部高数值区为石料密集区。该图直观地反映了成像断面的密实度情况。利用该图便可直接对路基的压实质量进行诊断。

根据诊断结果，对路基进行相应的处理后重复测试步骤，即，如果压实质量不满足要求，则修正压实施工参数，然后再次碾压施工，重复测试步骤；如果压实质量满足要求，则进行下一层路基填筑及碾压施工，重复测试步骤。

本发明打破了传统方法仅适用于填土路基的限制，扩大了适用范围，能广泛地适用于填土路基、土石混填路基和填石路基；其最大测试深度达到40米，远远大于传统方法20cm的测试深度；本方法由于采用扫描断面成像，立体控制，较之传统方法以点代面的点测，极大地提高了测试可靠性；测试精度能达到±2％(对于土石混填路基，传统方法偏高7％以上)；本方法由于实现了现场测试，即时微机自动数据处理，即时获得成像诊断结果，50分钟/50米断面，而传统方法现场测试每一个点至少需要2个小时，并且需要回到实验室实验后方能获得结果；传统方法在测试时需要找平、挖孔、取样、测试、回填，对路基有损，而本发明直接在路基表面进行无损检测，因而测试更加方法；本方法仅需测试人员2人，比传统方法减少了一半的人力。

Claims (7)

1.一种土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法，其特征为：该方法包括下列步骤：1)对土石混填路基进行震动成像测试；2)对土石混填路基进行视电阻率成像测试；3)对步骤1)和步骤2)所获得的测试信号进行分析处理；4)对路基波速、视电阻率的分布进行成像反演，获得路基波速图像和视电阻率图像；5)对路基压实度的分布进行计算，获得压实度图像；6)根据压实度图像对路基压实质量进行诊断。

2.根据权利要求1所述的土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法，其特征为：所述的对土石路基进行震动成像测试的步骤为：1)在土石混填路基表面放置6-12只震动拾震器或检波器，震动拾震器或检波器在一条直线测线上，将信号线连接到数据采集分析器；2)在测线两端一个检波器间距处采用锤击震源进行锤击，同时数据采集分析器采集数据。

3.根据权利要求1所述的土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法，其特征为：所述的对土石路基进行视电阻率成像测试的步骤为：1)在土石混填路基表面插入供电电极A和B，AB的距离覆盖整个被诊断的路基范围，并将电极接通电源；2)在供电电极中间三分之一的范围内插入测量电极对并在供电电极A、B之间的直线上按等间距进行移动，测量电极之间的距离与每次移动的距离相等，同时数据采集分析器进行数据采集。

4.根据权利要求1所述的土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法，其特征为：对所获得的测试信号进行分析处理的步骤为：1)对测试信号进行切除、滤波、谱分析预处理；2)采用特征尺度函数

进行有效信息提取处理：

$\widehat{\mathrm{\ψ}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{e^{-i(\mathrm{\ω}/2)}}{{\mathrm{\ω}}^4}\frac{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_8(\frac{\mathrm{\ω}}{2}+\mathrm{\π})}}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_8\left(\mathrm{\ω}\right){\mathrm{\Σ}}_8\left(\frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}}$

式中： ${\mathrm{\Σ}}_8\left(\mathrm{\ω}\right)=\sqrt{\frac{N_1\left(\mathrm{\ω}\right)+N_2\left(\mathrm{\ω}\right)}{105{\left(\sin \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^8}}$

$N_1\left(\mathrm{\ω}\right)=5+30{\left(\cos \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^2+30{\left(\sin \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^2{\left(\cos \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^2$

$N_2\left(\mathrm{\ω}\right)=2{\left(\sin \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^4{\left(\cos \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^2+70{\left(\cos \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^4+\frac{2}{3}{\left(\sin \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^6$

∑₈(ω)是 ${\mathrm{\Σ}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)=1/4{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)$ 的6阶导数。

为母小波函数的频谱函数，

ω为角频率。

5.根据权利要求1所述的土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法，其特征为：对路基波速、视电阻率的分布进行成像反演的算法为：

$\∂T_I=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{\∂T_i}{\∂V_j}\right){|}_{V_j^R}\∂V_j$

$\∂t_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{\∂a_0^k}{\∂V_j}{\∫}_{S_{\mathrm{ik}}}(-\frac{1}{V_R^2\left(\stackrel{\→}{r}\right)k})\mathrm{ds}+\frac{\∂V_x^k}{\∂V_j}{\∫}_{s_{\mathrm{ik}}}(-\frac{1}{V_R^2\left(\stackrel{\→}{r}\right)k})\mathrm{ds}+\frac{\∂V_z^k}{\∂V_j}{\∫}_{s_{\mathrm{ik}}}(-\frac{Z}{V_R^2\left(\stackrel{\→}{r}\right)k})\mathrm{ds})\∂V_j$

式中：T_I为走时残差向量；t_j为走时残值；

为参考模型速度分布；V_x，V_z分别为x、z方向的速度梯度；V_j为模型速度修正向量；a₀为单元速度。

6.根据权利要求1所述的土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法，其特征为：对土石路基压实度的分布进行计算的压实度成像计算模型K为：

$K=\frac{{\mathrm{\υ}}^0\·{\mathrm{\φ}}^0\·G_s\·\frac{1}{{(1+w)}^{3/2}}\·\sqrt{\mathrm{gh}}\·\frac{1}{V_s^3}}{{\mathrm{\υ}}_m^0\·{\mathrm{\φ}}_m^0\·G_s\·\frac{1}{{(1+w_m)}^{3/2}}\·\sqrt{\mathrm{gh}}\·\frac{1}{V_{\mathrm{sm}}^3}}=\frac{{\mathrm{\υ}}^0\·{\mathrm{\φ}}^0}{{\mathrm{\υ}}_m^0\·{\mathrm{\φ}}_m^0}\·{\left(\frac{1+w}{1+w_m}\right)}^{-3/2}\·{\left(\frac{V_s}{V_{\mathrm{sm}}}\right)}^{-3}$

式中：

$V_{\mathrm{sm}}={({\mathrm{\υ}}_m^0\·{\mathrm{\φ}}_m^0\·G_s\·\sqrt{\mathrm{gh}})}^{1/3}\·{(1+w_m)}^{-7/6}\·{{\mathrm{\ρ}}_m}^{-1/3}$

$V_{\mathrm{sm}}={\left({\mathrm{\υ}}_m^0{\mathrm{\φ}}_m^0{G}_s\sqrt{\mathrm{gh}}\right)}^{1/3}{(1+\frac{w_{\mathrm{tm}}{\mathrm{\ρ}}_{t}f}{{\mathrm{\ρ}}_{t}f(w_{\mathrm{tm}}+1)+{\mathrm{\ρ}}_s})}^{-7/6}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{t}f(w_t+1)+{\mathrm{\ρ}}_s}{1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{t}f}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{td}}}}\right)}^{-1/3}$

式中各参数的物理意义：

K-土石混填路基的压实度(％)；h-土石介质的厚度(m)；g-重力加速度(m/s²)；V_sm-最密实状态下土石复合介质剪切波波速(m/s)；υ_m ⁰-最密实状态下土石复合介质的类泊松比；φ_m ⁰-最密实状态下土石复合介质的类孔隙度；G_s-土石固体颗粒等效剪切模量(GPa)；w_tm-最密实状态下土的含水量(％)；w_m-最密实状态下土石复合介质的含水量(％)；w-土石复合介质的天然含水量(％)；ρ_t-土颗粒的密度(kg/m³)；ρ_s-石料颗粒的密度(kg/m³)；ρ_m-最密实状态下土石复合介质的密度(kg/m³)；f-土石比(体积)，f＝f_t∶f_s；h-路堤深度(m)；ρ_td-土的最大干密度(kg/m³)；V_s-实测波速。

7.根据权利要求1所述的土石混填路基压实质量的电震综合成像诊断方法，其特征为：根据步骤6)的诊断结果，对路基进行相应的处理后重复测试步骤，即，如果压实质量不满足要求，则修正压实施工参数，然后再次碾压施工，重复测试步骤；如果压实质量满足要求，则进行下一层路基填筑及碾压施工，重复测试步骤。

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