CN104007176A - 一种复杂岩土工程介质的全波场检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂岩土工程介质的全波场检测系统及方法，包括：至少一个位于测线上的检波器；测量仪器，用于记录由检波器接收到的弹性波信号，形成检测数据；数据处理模块，用于对各观测点的检测数据进行波形平均振幅分布、卓越频谱振幅分布、时频持时分布、速度路径处理，把处理结果按实际位置做成平面分布图；通过在岩土工程介质表面激发冲击波，记录其一定范围内设置的适当固有频率的三分量检波器采集的弹性波，通过分析采集到的三个方向的弹性波波形平均振幅、卓越频谱特征、小波持时特征、速度路径等变化评价复杂岩土工程介质的空间分布状态。本发明为复杂岩土工程提供一种成本低、快捷、方便的检测方法和系统。

Description

一种复杂岩土工程介质的全波场检测系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种岩土工程检测，特别是复杂岩土工程介质(含空洞、裂缝、地下水、浆液等)的空间分布检测，属于岩土工程领域，具体是一种复杂岩土工程介质的全波场检测系统及方法。

背景技术

随着无损检测方法在岩土工程中的使用，岩土工程结构缺陷诊断得到了很大的发展。目前的岩土工程结构无损检测方法主要有回弹法、雷达法、冲击回波法及超声波法等。回弹法是最常用的一种无损检测方法，但回弹法只能测得结构表面的质量状况，其内部质量信息却无法得知；雷达法对结构内部缺陷可以准确定位，但受钢筋低阻屏蔽的影响较大，尤其是钢筋密度较大时难以得到钢筋背后的反射影像，而且雷达无法提供强度方面的信息；冲击回波法可测得结构内部缺陷及构件的厚度，但其纵向分辨率较低，检测精度受结构内部的钢筋和含水量影响较大；超声波对穿测试，虽然可以得到材料整体的纵波速度参数，但无法应用于地下岩土工程的检测。面波是沿介质表层传播的一种弹性波，其传播速度与材料干密度、抗压强度等具有良好的相关性。因此，用它来检测岩土工程材料的力学性能及存在的缺陷具有重要意义，在岩土工程结构无损检测的应用方面已得到了极大的重视。

全波场无损检测技术综合目前岩土工程结构无损检测方法优劣的基础上，研究数字化的全波场岩土工程结构无损检测方法，重点解决了复杂介质中的全波场传播特性及参数反演方法，建立全波场岩土工程结构无损检测系统。在此基础上运用GIS空间信息分析平台和Geo-Database空间数据库技术，探索一种基于空间分析技术的综合快速评价的方法。使我国岩土工程结构安全性评价更加科学、快速、经济、规范，提高我国岩土工程结构安全性评价水平；形成一套高精度、有效的、能辐射到公路路基、铁路轨道结构、隧道、水库大坝、大型护坡、原子能设施等大型岩土工程结构无损检测方法。本技术对建立岩土工程结构安全性评价标准，确保交通安全、有效降低风险、提高应对突发事件的能力、促进我国岩土工程安全管理水平均具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的不足，提供一种复杂岩土工程介质的全波场检测系统及方法，用于检测复杂岩土工程中注浆状态、裂隙分布、空洞分布等，该系统及方法根据冲击波在复杂岩土工程介质中传播特性的差异，通过对检测到的冲击波波形能量、卓越频谱特征、小波持时特征等分析，查明复杂介质的空间分布(注浆效果、裂隙分布、空洞分布)，简单可靠。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种复杂岩土工程介质的全波场检测系统，包括：

至少一个位于测线上的检波器，用于检测敲击介质表面时冲击点产生的冲击弹性波信号；

测量仪器，用于记录由检波器接收到的冲击弹性波信号，形成检测数据；

数据处理模块，对测量仪器得到的检测数据按检波器坐标的大小依次排列，得到一条原始的共偏移距映像剖面，对检测数据的波形进行平均振幅分布、频谱进行卓越频谱的振幅分布、时频数据、速度路径处理，把处理结果按实际位置做成平面分布图。

所述系统进一步包含用于敲击介质表面产生冲击弹性波信号的激发设备。

所述检波器采用速度型检波器，固有频率：4.0～100Hz，检测时保持检波器和地面的充分耦合。

所述检波器采用三分量速度型检波器。

检波器与地面连接的铝合金装置，面积10×10cm，由三个螺钉与地面连接。

所述测量仪器是数字地震仪。

一种复杂岩土工程介质的全波场检测方法，采用上述的系统来完成，该方法通过在岩土工程介质表面激发冲击波(P波)，然后记录其一定范围内设置的适当固有频率的三分量检波器采集的弹性波。通过分析采集到的弹性波波形能量、卓越频谱特征、小波持时特征、速度路径等变化评价复杂岩土工程介质的空间分布状态。

具体包括步骤如下：

第一，在测线上设置一组检波器，然后在检波器设定距离的地方敲击介质表面，同时用测量仪器记录由检波器接收到的冲击弹性波信号，完成了一组的数据采集；

第二，将检波器和冲击点都向前移动，再按同样的方法采集下一组数据；

重复以上第一、第二步过程直至整条测线的数据被采集完为止；

第三，将记录的弹性波信号按检波器坐标的大小依次排列，得到一条原始的共偏移距映像剖面，对检测数据的波形进行平均振幅分布、频谱进行卓越频谱的振幅分布、时频数据进行持时分布、速度路径进行面积分布或者斜率计算的处理，把处理结果按实际位置做成平面分布图。

所述检测数据采用波形平均振幅分布、卓越频谱的振幅分布、时频的持时分布及速度路径的面积分布的处理方法，一次可视化处理形成四类平面分布并综合四种处理结果最终形成检测结果平面。

所述介质表面需保持干燥、平整，在离检波器0.5～1.0米处设置激发点。

所述波形平均振幅分布处理方法，接近于石油勘探中的反射法，把检测数据按检波器坐标展开形成共偏移距剖面，根据波形平均振幅的变化情况推测下部介质的变化，处理结果按实际位置做成平面图，波形平均振幅分析法的结果以实际观测位置为纵坐标及横坐标，将振幅的大小制作成弹性波强度平面图。

所述卓越频谱的振幅分布处理方法是，把数据频谱按检波器坐标展开形成频谱剖面，根据其卓越频谱振幅变化情况推测岩土工程介质的变化，处理结果按实际位置做成平面图，频谱分析法的结果以实际观测位置为纵坐标及横坐标，将频谱振幅的大小制作成弹性波卓越特性平面图。

所述时频的持时分布处理方法是，根据各观测点波的频率特征及混响时间的关系，时频分析法的结果以实际观测位置为纵坐标及横坐标，将持时大小制作成小波处理平面图。

所述速度路径的面积分布处理方法是，根据各观测点波的速度走时，其结果以实际观测位置为纵坐标及横坐标，将持时大小制作成速度路径处理平面图。

本发明是根据现场试验成果，并考虑实施难易程度和工程成本，研制开发全波场检测方法对复杂岩土工程介质的空间分布进行检测，研究成果为复杂岩土工程提供一种成本低、快捷、方便的检测系统及方法。该系统及方法类似于石油勘探用的反射法地震勘探，当打击隧道等岩土工程介质的底板表面时就会产生弹性波(面波、纵波和横波)，弹性波遇到界面(不同介质的结合面)就会产生反射，反射的强弱反映介质的情况，通过对检测到的冲击波波形能量、卓越频谱振幅、小波持时、速度路径等分析，查明复杂介质的空间分布(注浆效果、裂缝、空洞分布)，简单可靠，解决现有技术的不足。

附图说明

图1是本发明所提供的全波场检测方法示意图；

其中：

1--混凝土结构；2--覆盖层；3--基岩；4--空隙区；S1…Sn--振源；R1…Rn--检波器；L2…Lm--测线；

图2是本发明所提供的波形卓越频谱振幅分布结果图；

其中：

(a)表示x方向卓越频率处振幅；

(b)表示y方向卓越频率处振幅；

(c)表示z方向卓越频率处振幅。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明测量方法示意图，包括：

首先在测线上设置一组三分量检波器，然后在与检波器设定一定距离的地方敲击岩土工程介质表面，同时用仪器记录由检波器接收到的冲击弹性波信号，完成了一组的数据采集；将检波器和冲击点都向前移动，再按同样的方法采集下一个点的数据；重复以上过程直至整条测线的数据被采集完为止；

然后将记录的弹性波信号按检波器坐标的大小依次排列，得到一条原始的共偏移距映像剖面。虽然原始的共偏移距映像剖面能在某种程度上反映界面下介质的变化，但通常情况下要对原始共偏移距数据进行滤波等各种波形处理以使其能更清楚地反映介质的变化情况。然后对检测数据进行整理，包括各观测点波形平均振幅分布、卓越频谱振幅分布、时频持时分布等，把处理结果按实际位置做成平面图，达到一目了然。检测结果采用波形平均振幅分析法、卓越频谱振幅及时频持时分析法，一次可视化处理将形成三类剖面并综合三种结果最终形成检测结果剖面。

结合上面的描述，给出本发明的应用实施例：

本实施例具体实施条件以及操作细节如下：

(1)检测条件：

检测介质表面需保持干燥、平整，在离检波器0.5～1.0米处设置冲击点。

(2)检波器设置：

采用速度型检波器，固有频率：4.0～100Hz。检测时需保持检波器和地面的充分耦合，检波器与地面连接的混凝土墩，面积10×10cm，内部砂浆或混凝土，由三个螺钉与地面连接，如图1所示。

(3)测量仪器：

测量仪器可以是任何数字地震仪，24位模/数转换器和5kHz以上高截频的数字记录仪，各种通用地震仪均可。

(4)激发设备：

根据检测目标及深度的要求选择不同的激发设备。

(5)测量过程：

本实施例中详细的操作：在测线上布设一组检波器，在距离每个检波器设定距离的位置，采用锤击方式作为激发振源，利用检波器接收信号。采用适当的锤击震源，尽量保持相同的高度、力度激发底板。采集完一组数据，移动检波器至下一条测线。如此重复，直至覆盖全部检测平面。

(6)检测数据处理

本实施例中通过数据处理模块对记录的弹性波信号按检波器坐标的大小依次排列，得到一条原始的共偏移距映像剖面，然后对检测数据进行整理，包括波形平均振幅分布、卓越频谱振幅分布、时频持时分布、速度路径等，把处理结果按实际位置做成平面图，达到一目了然。检测数据的处理方法有四种，具体可以采用其中任一种：

数据分析方法：

全波场检测法一般有波形分布、频谱、时频分布和速度路径四种处理方法：

①波形分布：接近于石油勘探中的反射法，把数据按检波器坐标展开形成共偏移距剖面，根据波形平均振幅(波形能量)变化情况推测下部介质的变化。在弹性波信号中，除了有用的信号外还有各种干扰。因此，无论哪种方法都要对数据进行波形处理，通过各种处理手段压制噪音，加强有用信号。常用的处理手法有带通滤波，速度滤波、时窗以及子波反褶积等反射法地震勘探的处理手法。把处理结果按实际位置做成平面图，达到一目了然。波形分析的结果以实际观测位置为纵坐标及横坐标，用等高线表示振幅的大小制作成弹性波强度平面图。

②频谱分布：以实际观测位置为纵坐标及横坐标，用等高线表示频谱振幅的大小制作成弹性波卓越特性平面图，如图2所示。通过对记录的敲击信号进行快速傅里叶分析，采用离散傅立叶变换公式：

$F(u,v)=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f(m,n)\exp [-j2\mathrm{\π}(\frac{\mathrm{mu}}{M}+\frac{\mathrm{nv}}{N})],---\left(1\right)$

式中：u＝0，1，…，M-1，v＝0，1，…，N-1，称为空间频率，j为虚数单位。找出信号的频率卓越特征，根据卓越频谱的振幅变化推测介质下部构造分布。当下部介质从饱和土变为浆液时，卓越频率的响应变大，因而其振幅会增强，进而可以判断介质的变化。

③时频分布：以实际观测位置为纵坐标及横坐标，用等高线表示持时大小制作成小波处理平面图。通过对记录的敲击信号进行连续小波变换等时频分析，采用连续小波变换公式：

${\mathrm{WT}}_x(a,\mathrm{\τ})=\frac{1}{\sqrt{a}}\∫x\left(t\right){\mathrm{\ψ}}^{*}\left(\frac{t-\mathrm{\τ}}{a}\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

式中：是基本小波ψ(t)通过位移τ和尺度伸缩α获得的函数；x(t)为平方可积函数(x(t)∈L²(R))；*号表示取共轭；τ和a为连续变量。找出信号频率随时间的变化现象，进而从敲击信号的时频变化特点推测介质下部构造分布。当下部介质从饱和土变为浆液时，液态介质会形成混响效应，因而持续时间会变长。而且，这种次生振源的频率也会有变化，因此通过时频分析可以提取这种特性，进而可以判断介质的变化。

④速度路径分布：以实际观测位置为纵坐标及横坐标，用等高线表示持时大小制作成速度路径面积或者斜率的平面图。通过对速度路径的变化，获取与地下构造相关的弹性参数。

通过以上实施例可以看出，本发明方法类似于石油勘探用的反射法地震勘探，当打击岩土工程介质表面时就会产生弹性波(面波、纵波和横波)，弹性波遇到界面(不同介质的结合面)就会产生反射，反射的强弱反映介质的情况。混凝土结构检测时弹性波的传播速度却很大(3000米/秒以上)，弹性波传播所需要的时间很短，击打时产生的各种波(面波、纵波直达波、纵波反射波、横波-纵波转换波等)相互混合在一起，凭观测无法把各种波区别开来，需要高度的数据处理手段进行处理。检测结果采用波形平均振幅分布、卓越频谱分布、时频持时分布及速度路径分布，一次可视化处理将形成四类剖面并综合四种结果最终形成检测结果剖面，用于评价复杂岩土工程介质的空间分布状态，为复杂岩土工程提供一种成本低、快捷、方便的检测方法。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种复杂岩土工程介质的全波场检测系统，包括：

至少一个位于测线上的检波器，用于检测敲击介质表面时冲击点产生的冲击弹性波信号；

测量仪器，用于记录由检波器接收到的冲击弹性波信号，形成检测数据；

数据处理模块，对测量仪器得到的检测数据按检波器坐标的大小依次排列，得到一条原始的共偏移距映像剖面，对检测数据的波形进行平均振幅分布、频谱进行卓越频谱的振幅分布、时频数据、速度路径处理，把处理结果按实际位置做成平面分布图。

2.根据权利要求1所述的复杂岩土工程介质的全波场检测系统，其特征在于，所述系统进一步包含用于敲击介质表面产生冲击弹性波信号的激发设备。

3.根据权利要求1所述的复杂岩土工程介质的全波场检测系统，其特征在于，所述检波器采用速度型检波器，固有频率：4.0～100Hz，检测时保持检波器和地面的充分耦合。

4.一种复杂岩土工程介质的全波场检测方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的系统来完成，具体包括如下步骤：

第一，在测线上设置检波器，然后在与检波器设定一定距离的地方敲击介质表面，同时用测量仪器记录由检波器接收到的冲击弹性波信号，完成一组数据采集；

第二，将检波器和冲击点都向前移动，再按同样的方法采集下一组数据；

第三，重复以上第一、第二步过程直至整条测线的数据被采集完为止；

第四，将采集数据按检波器坐标的大小依次排列，得到一条原始的共偏移距映像剖面，对采集数据的波形进行平均振幅分布、频谱进行卓越频谱的振幅分布、时频数据进行持时分布、速度路径进行面积分布或斜率计算的处理方法，把处理结果按实际位置做成平面分布图。

5.根据权利要求4所述的复杂岩土工程介质的全波场检测方法，其特征在于，所述检测数据采用波形平均振幅分布、卓越频谱的振幅分布、时频的持时分布及速度路径的面积分布的处理方法，一次可视化处理形成四类平面分布并综合四种处理结果最终形成检测结果平面。

6.根据权利要求4所述的复杂岩土工程介质的全波场检测方法，其特征在于，所述检测数据为x、y、z三个方向波形，分别对每个方向波形数据进行处理，综合评定检测结果。

7.根据权利要求5所述的复杂岩土工程介质的全波场检测方法，其特征在于，所述波形平均振幅分布处理方法是，把检测数据按检波器坐标展开形成的共偏移距映像剖面根据各波形平均振幅变化情况推测岩土工程介质的变化，处理结果按实际位置做成平面图，以实际观测位置为纵坐标及横坐标，将振幅的大小制作成弹性波强度平面图。

8.根据权利要求5所述的复杂岩土工程介质的全波场检测方法，其特征在于，所述卓越频谱的振幅分布处理方法是，把检测数据频谱按检波器坐标展开形成频谱剖面，根据其卓越频谱振幅变化情况推测岩土工程介质的变化，处理结果按实际位置做成平面图，以实际观测位置为纵坐标及横坐标，将频谱振幅的大小制作成弹性波卓越特性平面图。

9.根据权利要求5所述的复杂岩土工程介质的全波场检测方法，其特征在于，所述时频的持时分布处理方法是，根据各观测点波的频率特征及混响时间的关系，以实际观测位置为纵坐标及横坐标，将持时大小制作成小波处理平面图。

10.根据权利要求5所述的复杂岩土工程介质的全波场检测方法，其特征在于，所述速度路径的面积分布处理方法是，根据各观测点波的速度路径的面积或斜率，以实际观测位置为纵坐标及横坐标，将路径面积或斜率大小制作成小波处理平面图。