CN102680575A - 一种复杂岩土介质的冲击映像方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复杂岩土介质的冲击映像方法及***，所述方法通过在岩土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单分量或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、频谱、小波等变化评价复杂岩土介质的空间分布状态；所述***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受到的冲击弹性波信号；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，然后进行波形分布、频谱分布、时频分布处理，把处理结果按实际位置做成剖面图。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***。

Description

一种复杂岩土介质的冲击映像方法及***

技术领域

本发明涉及的是一种岩土工程检测，特别是复杂岩土介质（含空洞、地下水、浆液等）的空间分布检测，属于岩土工程领域。

背景技术

随着无损检测方法在岩土工程中的使用，岩土工程结构健康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。表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，用它来检测岩土结构材料的力学性能及存在的缺陷具有重要意义，在岩土工程结构的无损检测的应用方面已得到了极大的重视。

综上所述，无损检测技术是一个复杂的***工程，包括结果的定量评价及空间评价。检测结果的定量评价除与检测设备的参数有关外，还与检测数据的分析方法有关，而检测数据的分析方法与结构内钢筋分布、厚度分布、围岩类别、地下水、结构的基本物理、力学指标，地形地貌，地质、构造等复杂介质分布有着密切的关系，目前对于各种检测数据与复杂介质间的正、反演分析方法尚不明晰。根据现场试验成果，并考虑实施难易程度和工程成本，研制开发冲击映像方法对复杂岩土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、方便的检测方法。

发明内容

本发明提供一种复杂岩土介质的冲击映像方法及***，用于检测复杂岩土工程中注浆状态、空洞分布等，该方法根据冲击波在复杂岩土介质中传播特性的差异，通过对检测到的冲击波波形、频谱、小波等分析，查明复杂介质的空间分布（注浆效果、空洞分布），简单可靠，解决现有技术中存在的上述的不足。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述的一种复杂岩土介质的冲击映像方法，该方法通过在岩土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单分量或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、频谱、小波等变化评价复杂岩土介质的空间分布状态。

本发明上述方法具体步骤如下：

第一，在测线上设置一个检波器，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受到的冲击弹性波信号，完成了一个点的数据采集后；

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个点的数据；

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，对检测数据进行波形分布、频谱分布、时频分布等处理，把处理结果按实际位置做成剖面图。

本发明中，检测数据采用波形分布及时频分布处理方法，一次可视化处理形成两类剖面并综合两种结果最终形成检测结果剖面。

本发明中，检测剖面需保持干燥、平整，在离检波器0.5~1.0米处设置四个激发点。

本发明中，检波器采用速度型检波器，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。

本发明中，采用波形分布和时频分布两种处理方法形成可视化图像。

所述分布处理方法，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，直接根据波形变化情况推测混凝土的变化，处理结果按实际位置做成剖面图一起，波形分析法的结果以波的传播时间为纵坐标（方向向下），以距离为横坐标（方向向右），用颜色或等高线表示振幅的大小制作成弹性波强度剖面。

所述时频分布处理方法，以波的频率特征为纵坐标（方向向下），以波的混响时间为横坐标（方向向右），用颜色或等高线表示振幅的大小制作成小波处理图。通过对记录的敲击信号进行连续小波变换等时频分析，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混凝土下部构造分布。

本发明还提供一种复杂岩土介质的冲击映像***，包括：

至少一个位于测线上的检波器，用于检测敲击岩土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受到的冲击弹性波信号；

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，然后进行波形分布、频谱分布、时频分布处理，把处理结果按实际位置做成剖面图。

目前对于各种检测数据与复杂介质间的正、反演分析方法尚不明晰。本发明根据现场试验成果，并考虑实施难易程度和工程成本，研制开发冲击映像方法对复杂岩土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、方便的检测方法。该方法类似于石油勘探用的反射法地震勘探，当打击沉管隧道等岩土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、频谱、小波等分析，查明复杂介质的空间分布（注浆效果、空洞分布），简单可靠，解决现有技术的不足。

附图说明

图1冲击映像法示意图；

图2检波器布设示意图；

图3波形分布结果图；

图4时频分布结果图。

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，是本发明测量方法示意图。该方法：

首先在测线上设置1个检波器，然后在距离检波器dx米的地方敲击混凝土表面，同时用仪器记录由检波器接受到的冲击弹性波信号，完成了一个点的数据采集后；将检波器和冲击点都向前移动DX米，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，包括波形分布、频谱分布、时频分布等，把处理结果按实际位置做成剖面图一起达到一目了然。检测结果采用波形分析法及时频分析法，一次可视化处理将形成两类剖面并综合两种结果最终形成检测结果剖面。

结合上述的描述，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：

检测剖面需保持干燥、平整，在离检波器0.5~1.0米处设置四个冲击点。

(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2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（各种通用地震仪即可）。

(4)激发设备：

500克左右的钢球从0.3~0.5米高自由落体打击检测面。

(5)测量过程：

本实施例中详细的操作：首先对检测区域进行网格化，网格大小0.5~1.0m×0.5~1.0m,并对格子进行编号。检测时，在格子的中心放一个检波器，用1个500克左右的钢球从0.3~0.5米高自由落体打击网格的4个角。钢球用绳子系好，在触底板反弹起来的瞬间收起绳子，以防二次打击。四个冲击点的数据单独纪录，在处理阶段，剔除不合格信号然后平均作为一个信号。检测完一个方格后移动2个检波器然后检测下一个方格。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，包括波形分布、频谱分布、时频分布等，把处理结果按实际位置做成剖面图一起达到一目了然。检测数据的处理方法有两种，具体可以采用其中任一种：

①数据分析方法：

冲击弹性波映像法一般分波形分布和时频分布两种处理方法：

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，直接根据波形（振幅大小，波形丰度，持续时间等）变化情况推测混凝土的变化。在弹性波信号中，除了有用的信号外还有各种扰。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剖面图一起达到一目了然。波形分析的结果以波的传播时间为纵坐标（方向向下），以距离为横坐标（方向向右），用颜色或等高线表示振幅的大小制作成弹性波强度剖面（如图3所示）。

②时频分布：以波的频率特征为纵坐标（方向向下），以波的混响时间为横坐标（方向向右），用颜色或等高线表示振幅的大小制作成小波处理图（如图4所示）。通过对记录的敲击信号进行连续小波变换等时频分析，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混凝土下部构造分布。当混凝土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，这种次生生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。连续小波变换等时频分析方法，计算工作量大，其结果也无法像频谱法那样以剖面的形式表达出来，只能以点信息表达。

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，当打击沉管隧道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。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。检测结果采用波形分布及时频分布，一次可视化处理将形成两类剖面并综合两种结果最终形成检测结果剖面，用于评价复杂岩土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)

1.一种复杂岩土介质的冲击映像方法，其特征在于包括如下步骤：

第一，在测线上设置一个检波器，然后在与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受到的冲击弹性波信号，完成了一个点的数据采集后；

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个点的数据；

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，对检测数据进行波形分布、频谱分布、时频分布等处理，把处理结果按实际位置做成剖面图。

2.根据权利要求1所述的复杂岩土介质的冲击映像方法，其特征在于：所述检测数据采用波形分布及时频分布的处理方法，一次可视化处理形成两类剖面并综合两种结果最终形成检测结果剖面。

3.根据权利要求2所述的复杂岩土介质的冲击映像方法，其特征在于：所述波形分布处理方法，把数据按检波器坐标展开形成共偏移距剖面，直接根据波形变化情况推测岩土介质的变化，处理结果按实际位置做成剖面图一起，波形分析法的结果以波的传播时间为纵坐标即方向向下，以距离为横坐标即方向向右，用颜色或等高线表示振幅的大小制作成弹性波强度剖面。

4.根据权利要求2所述的复杂岩土介质的冲击映像方法，其特征在于：所述时频分布处理方法，以波的频率特征为纵坐标即方向向下，以波的混响时间为横坐标即方向向右，用颜色或等高线表示振幅的大小制作成小波处理图，通过对记录的敲击信号进行连续小波变换等时频分析，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混凝土下部构造分布。

5.根据权利要求1-4任一项所述的复杂岩土介质的冲击映像方法，其特征在于：所述检测剖面保持干燥、平整，在离检波器0.5~1.0米处设置四个冲击点。

6.根据权利要求1-4任一项所述的复杂岩土介质的冲击映像方法，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耦合。

7.一种复杂岩土介质的冲击映像***，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受到的冲击弹性波信号；

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，然后进行波形分布、频谱分布、时频分布处理，把处理结果按实际位置做成剖面图。

8.根据权利要求7所述的复杂岩土介质的冲击映像***，其特征在于：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。

9.根据权利要求7或8所述的复杂岩土介质的冲击映像***，其特征在于：所述测量仪器是数字地震仪。

10.根据权利要求7或8所述的复杂岩土介质的冲击映像***，其特征在于：所述检波器采用速度型检波器，检测时保持检波器和地面的耦合。

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