專利名稱：土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法
技術領域：
本發明涉及公路質量檢測方法，尤其是涉及一種土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法。
背景技術：
近年來，隨著高速公路在西部的快速發展，在山區及丘陵地區的高速公路建設中，會遇到大量的高填方路堤(占公路的總里程至少在30％以上)，其壓實質量直接影響到公路的修筑質量及其使用壽命。而目前我國公路路基壓實度檢測的傳統方法有灌砂法、核子測定法、環刀法等，這些方法僅適用于填筑集料粒徑小、厚度較薄的填土路基壓實質量檢測。對于填方路基中80％以上是土石混填和填石路堤，由于其填料的粒度變化大、含水量又很不均勻，從而使得現有的壓實度測試方法受到相當的限制。因而如何有效評價公路土石混填路堤的壓實質量并實時修正壓實方案已成為我國公路填方路堤修筑技術中亟待解決的關鍵技術問題。2002年申請者基于學科交叉完成了“公路土石混填路堤壓實度快速波動檢測技術的研究”，開發土石混填路堤壓實度波動檢測實用技術。該技術在很大程度上改進了傳統方法的缺陷。但是該技術仍然達不到對壓實質量進行全方位診斷的目的。
發明內容
本發明借鑒醫學CT技術的機理，采用電震聯合測試，發明了土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法。在土石混填路基表面實施電法和震動的聯合無損測試，通過Radon正反演理論進行測試信號的成像反演，獲取土石混填路基內部的物性指標的CT掃描圖像，再利用土石混填材料在不同壓實狀態下的電震的不同響應，從而獲得土石混填路基壓實度的CT切片圖像。利用該圖像便可對土石混填路基壓實質量進行全方位診斷。
本發明的具體技術方案為一種土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法，其特征為該方法包括下列步驟1)對土石混填路基進行震動成像測試；2)對土石混填路基進行視電阻率成像測試；3)對步驟1)和步驟2)所獲得的測試信號進行分析處理；4)對路基波速、視電阻率的分布進行成像反演，獲得路基波速圖像和視電阻率圖像；5)對路基壓實度的分布進行計算，獲得壓實度圖像；6)根據壓實度圖像對路基壓實質量進行診斷。
本發明的有益技術效果是能廣泛適用于填土路基、土石混填路基、填石路基；測試最大深度能達到40米；掃描斷面成像、立體控制，因而測試可靠性高；測試精度能達到±2％；測試速度快，能實現現場測試、即時微機自動處理、即時獲得成像診斷結果50分鐘/50米斷面；測試方便，直接在表面進行無損檢測。
圖1為本發明的方框圖；圖2為震動成像測試原理圖；圖3為視電阻率成像測試原理圖；圖4為厚度為3米的土石混填路基的成像結果圖。
附圖中土石混填路基1，拾震器或檢波器2，震源3，錘4，信號線5，數據采集與分析器6，供電電極A、B，測量電極7，直流電源8，電源線9。
具體實施例方式
參見附圖1，一種土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法，該方法包括下列步驟1)對土石混填路基進行震動成像測試；2)對土石混填路基進行視電阻率成像測試；3)對步驟1)和步驟2)所獲得的測試信號進行分析處理；4)對路基波速、視電阻率的分布進行成像反演，獲得路基波速圖像和視電阻率圖像；5)對路基壓實度的分布進行計算，獲得壓實度圖像；6)根據壓實度圖像對路基壓實質量進行診斷。
現場震動成像測試現場震動成像測試方法參見附圖2，測試步驟為1)在土石混填路基表面放置6-12只震動拾震器或檢波器，震動拾震器或檢波器在一條直線(測線)上，將信號線連接到數據采集與分析器；各震動拾震器(或檢波器)的間距與測試深度有關，測試深度越大，間距越大。各檢波器之間的間距可以相等，也可以不等。
2)在測線兩端一個檢波器間距處采用錘擊震源進行錘擊，兩端各一次，同時數據采集與分析器采集數據。
視電阻率成像測試視電阻率成像測試原理參見附圖3，測試步驟為1)在土石混填路基表面插入供電電極A和B，AB的距離覆蓋整個被診斷的路基范圍，并將電極接通直流電源；2)在供電電極中間約三分之一的范圍內插入測量電極對并在測線上按等間距進行移動，測量電極之間的距離與每次移動的距離相等，同時數據采集分析器進行數據采集。
將震動成像測試和視電阻率成像測試所獲得的測試信號進行分析處理
測試信號首先采用切除、濾波、譜分析等常規方法進行預處理，然后采用下式進行有效信息提取處理ψ^(ω)=e-i(ω/2)ω4Σ8(ω2+π)Σ8(ω)Σ8(ω2)----(1)]]>式中Σ8(ω)=N1(ω)+N2(ω)105(sinω2)8]]>N1(ω)=5+30(cosω2)2+30(sinω2)2(cosω2)2]]>N2(ω)=2(sinω2)4(cosω2)2+70(cosω2)4+23(sinω2)6]]>∑8(ω)是Σ2(ω)=1/4sin2(ω2)]]>的6階導數。
為母小波函數的頻譜函數(特征尺度函數)。
ω為角頻率。
對路基波速、視電阻率的分布按下式進行成像反演，獲得路基波速圖像和視電阻率圖像∂TI=Σj=1N(∂Ti∂Vj)|VjR∂Vj]]>∂t1=Σj=1NΣk=1N1(∂a0k∂Vj∫Sik(1VR2(r→)k)ds+∂Vxk∂Vj∫Sik(1V2R(r→)k)ds+∂Vzk∂Vj∫Sik(-zV2R(r→)k)ds)∂Vj]]>式中T1為走時殘差向量；tj為走時殘值； 為參考模型速度分布。
Vx，Vz分別為x、z方向的速度梯度；Vj為模型速度修正向量；a0為單元速度。定義雅可比(Jacobi)系數Lik0=∫sik(-1VR2(r→)k)ds]]>Lik1=∫sik-XVR2(r→)kds]]>Lik2=∫Sik-ZVR2(r→)kds]]>
Jacobi系數∂Ti∂Vj=Σk=1Ni(∂a0k∂VjLik0+∂Vxk∂VjLik1+∂Vzk∂VjLik2)]]>(1)當射線(波的傳輸路徑)參數p與速度梯度的乘積p|V|≠0時，Jacobi系數為 Lik1=1|▿V|[M2Vx+M1Vz+(VxRz0+VzRx0)M0])]]>Lik2=1|▿V|[M2Vz-M1Vx+(VzRz0-VxRx0)M0]]]>其中R為射線園半徑；θ2″，θ1″分別為出、入射點的圓心角；|V|為速度梯度大小；Vx，Vz分別為x、z方向的速度梯度；M0，M1，M2稱為Jacobi亞系數M0=Lik0]]> M2=-t0|▿V|]]>(2)當射線垂直入射時，Jacobi系數表達式Lik0=-1|▿V||1V2-1V1|]]>Lik1=1|▿V|[M1Vz+M2Vz]]]>Lik2=1|▿V|[M2Vz-M1Vx]]]>
其中M1=-x1′|▿V||1V2-1V1|]]>M2=l|▿V|[z2′V2-z1′V1-1|▿V|(InV2V1)]/(z2′-z1′)]]>(3)常速單元內的Jacobi系數表達式Lik0=-l/a02]]>Lik1=-l(x2+x1)/2a02]]>Lik2=-l(z1+z2)/2a02]]>式中l為射線長度；a0為單元速度；(x1，z1)，(x2，z2)分別為入、出射點坐標。
∂ti=Σj=1NΣk=1N1(∂a0k∂VjLik0+∂Vxk∂VjLik1+∂Vzk∂VjLik2)∂Vj]]>∂Ti∂Vj=Σk=1N1(∂a0k∂VjLik0+∂Vxk∂VjLik1+∂Vzk∂VjLik2)]]>對路基壓實度的分布進行計算，獲得壓實度圖像運用震動測試和視電阻率測試獲得的波速圖像和視電阻率圖像，通過土石路基的波動特性和電場特性與其物理力學特性的相關性，進行圖像綜合處理獲得土石混填路基的壓實度圖像。
(1)流固兩相介質的等效模量Ge＝GdKe=Kd+KpKp=α2α-φKs+φKfα=1-KdKs]]>Ke、Ge是土石復合介質的宏觀等效體積模量和剪切模量，Kd、Gd為固體相介質(干燥狀態下顆粒骨架)的等效體積模量和剪切模量，Ks為固體顆粒的體積模量，Kf為流體相的體積模量，φ為流固兩相介質的孔隙度。
(2)流體相的等效模量流體相的體積模量Kf可表示為1Kf=SaKa+1-SaKw]]>式中Kf為流體相的體積模量；Ka為氣體體積模量；Kw為液體體積模量；Sa為氣飽和度。也可用多相土石介質的水飽和度表示Kf=KaKwSw(Ka-Kw)+Kw]]>(3)干燥條件下，等球體隨機堆積的有效剪切模量Kd=n2(1-φ)2Gs218π2(1-υ)2P3]]>(4)土石介質固體相模量的計算Gd=5-4υ5(2-υ)3n2(1-φ)2Gs22π2(1-υ)2P3]]>Kd=n2(1-φ)2Gs218π2(1-υ)2P3]]>(5)土石固體顆粒的體積模量和剪切模量Gs=12(Gss+ft(Gts-Gss)-1+2fs(Kss+2Gss)5Gss(Kss+43Gss)+Gst+fs(Gss-Gts)-1+2ft(Kts+2Gts)5Gts(Kts+43Gts))]]>Ks=12(Kss+ft(Kts-Kss)-1+fs(Kss+43Gss)-1+Kts+fs(Kss-Kts)-1+ft(Kts+43Gts)-1)]]>式中Gss為石顆粒的剪切模量；Gts為土顆粒的剪切模量；Kss為石顆粒的體積模量；Kts為土顆粒的體積模量；ft為土顆粒相的體積分數；fs為石顆粒相的體積分數。
(6)土石路基的等效體積模量Ke=Kd+α2α-φKs+φKf=n2(1-φ)2Gs218π2(1-υ)2ρdgh3+α2α-1ks+φ(Sw(Ka-Kw)+Kw)KaKw]]>
式中n-平均接觸點數，n＝25.408φ2-43.213φ+21.547，φ-孔隙度；ρd-土石固體相的等效密度(干密度)，ρd＝ρde(1-φ)+φρa，ρde為固體顆粒等效密度且ρde＝ftρt+fsρs，ρt、ρs、ρa分別為土、石顆粒的密度和空氣的密度，ft、fs分別為土、石的體積分數；α-比奧特(Biot)孔隙彈性系數，α=1-KdKs;]]>υ-泊松比；h-土石介質的厚度；Sw-水飽和度；Ka、Kw-氣體、水的體積模量，Ka≈0.1MPa，Kw≈2GPa；Kd-固體相介質的等效體積模量，Kd=n2(1-φ)2Gs218π2(1-υ)2ρdgh3;]]>Ks-固體顆粒的體積模量；Gs-固體顆粒的剪切模量。
(7)土石路基的等效剪切模量Ge=Gd=5-4υ5(2-υ)3n2(1-φ)2Gs22π2(1-υ)2ρdgh3]]>(8)土石路基的等效波速VP=Ke+43Geρe=(1ρe(n2(1-φ)2Gs218π2(1-υ)23ρdgh+α2α-φKs+φ(sw(Ka-Kw)+Kw)KaKw+43(5-4υ5(2-υ)3n2(1-φ)2Gs22π2(1-υ)2ρdgh3)))12]]>Vs=Geρe=(1ρe(5-4υ5(2-υ)3n2(1-φ)2Gs22π2(1-υ)2ρdgh3))12]]>(9)土石路基的壓實度成像計算模型K=υ0·φ0·Gs·1(1+ω)3/2gh·1Vs3υm0·φm0·Gs·1(1+wm)3/2·gh·1Vsm3=υ0·φ0υm0·φm0·(1+w1+wm)-3/2·(VsVsm)-3]]>式中Vsm=(υm0·φm0·Gs·gh)1/3·(1+wm)-7/6·ρm-1/3]]>
Vsm=(υm0φm0Gsgh)1/3(1+wtmρtfρtf(wtm+1)+ρs)-7/6(ρtf(wt+1)+ρs1+ρrfρtd)-1/3]]>式中各參數的物理意義K-土石混填路基的壓實度(％)；h-土石介質的厚度(m)；g-重力加速度(m/s2)；Vsm-最密實狀態下土石復合介質剪切波波速(m/s)；υm0-最密實狀態下土石復合介質的類泊松比；φm0-最密實狀態下土石復合介質的類孔隙度；Gs-土石固體顆粒等效剪切模量(GPa)；wtm-最密實狀態下土的含水量(％)；wm-最密實狀態下土石復合介質的含水量(％)；w-土石復合介質的天然含水量(％)；ρt-土顆粒的密度(kg/m3)；ρs-石料顆粒的密度(kg/m3)；ρm-最密實狀態下土石復合介質的密度(kg/m3)；f-土石比(體積)，f＝ft∶fs；h-路堤深度(m)；ρtd-土的最大干密度(kg/m3)；Vs-實測波速。
根據前述步驟所獲得的壓實度圖像，即可對土石路基的壓實質量進行診斷。
圖四所示為根據本發明所述的方法所得出的厚度為3.0米的土石混填路基的成像結果(剖面長度取其中5.0米寬度)，圖中等值線值為壓實度(％)，局部高數值區為石料密集區。該圖直觀地反映了成像斷面的密實度情況。利用該圖便可直接對路基的壓實質量進行診斷。
根據診斷結果，對路基進行相應的處理后重復測試步驟，即，如果壓實質量不滿足要求，則修正壓實施工參數，然后再次碾壓施工，重復測試步驟；如果壓實質量滿足要求，則進行下一層路基填筑及碾壓施工，重復測試步驟。
本發明打破了傳統方法僅適用于填土路基的限制，擴大了適用范圍，能廣泛地適用于填土路基、土石混填路基和填石路基；其最大測試深度達到40米，遠遠大于傳統方法20cm的測試深度；本方法由于采用掃描斷面成像，立體控制，較之傳統方法以點代面的點測，極大地提高了測試可靠性；測試精度能達到±2％(對于土石混填路基，傳統方法偏高7％以上)；本方法由于實現了現場測試，即時微機自動數據處理，即時獲得成像診斷結果，50分鐘/50米斷面，而傳統方法現場測試每一個點至少需要2個小時，并且需要回到實驗室實驗后方能獲得結果；傳統方法在測試時需要找平、挖孔、取樣、測試、回填，對路基有損，而本發明直接在路基表面進行無損檢測，因而測試更加方法；本方法僅需測試人員2人，比傳統方法減少了一半的人力。
權利要求
1.一種土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法，其特征為該方法包括下列步驟1)對土石混填路基進行震動成像測試；2)對土石混填路基進行視電阻率成像測試；3)對步驟1)和步驟2)所獲得的測試信號進行分析處理；4)對路基波速、視電阻率的分布進行成像反演，獲得路基波速圖像和視電阻率圖像；5)對路基壓實度的分布進行計算，獲得壓實度圖像；6)根據壓實度圖像對路基壓實質量進行診斷。
2.根據權利要求1所述的土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法，其特征為所述的對土石路基進行震動成像測試的步驟為1)在土石混填路基表面放置6-12只震動拾震器或檢波器，震動拾震器或檢波器在一條直線(測線)上，將信號線連接到數據采集分析器；2)在測線兩端一個檢波器間距處采用錘擊震源進行錘擊，同時數據采集分析器采集數據。
3.根據權利要求1所述的土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法，其特征為所述的對土石路基進行視電阻率成像測試的步驟為1)在土石混填路基表面插入供電電極A和B，AB的距離覆蓋整個被診斷的路基范圍，并將電極接通電源；2)在供電電極中間約三分之一的范圍內插入測量電極對并在測線上按等間距進行移動，測量電極之間的距離與每次移動的距離相等，同時數據采集分析器進行數據采集。
4.根據權利要求1所述的土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法，其特征為對所獲得的測試信號進行分析處理的步驟為1)對測試信號進行切除、濾波、譜分析等預處理；2)采用特征尺度函數 進行有效信息提取處理ψ^(ω)=e-i(ω/2)ω4Σ8(ω2+π)Σ8(ω)Σ8(ω2)]]>式中Σ8(ω)=N1(ω)+N2(ω)105(sinω2)8]]>N1(ω)=5+30(cosω2)2+30(sinω2)2(cosω2)2]]>N2(ω)=2(sinω2)4(cosω2)2+70(cosω2)4+23(sihω2)6]]>∑8(ω)是Σ2(ω)=1/4sin2(ω2)]]>的6階導數。 為母小波函數的頻譜函數。ω為角頻率。
5.根據權利要求1所述的土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法，其特征為對路基波速、視電阻率的分布進行成像反演的算法為∂T1=Σj=1N(∂T1∂Vj)|VJR∂Vj]]>∂ti=Σj=1NΣk=1N1(∂a0k∂Vj∫Sik(-1VR2(r→)k)ds+∂Vxk∂Vj∫Sik(-1VR2(r→)k)ds+∂Vzk∂Vj∫Sik(-ZVR2(r→)k)ds)∂Vj]]>式中TI為走時殘差向量；tj為走時殘值； 為參考模型速度分布；Vx，Vz分別為x、z方向的速度梯度；Vj為模型速度修正向量；a0為單元速度。
6.根據權利要求1所述的土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法，其特征為對土石路基壓實度的分布進行計算的壓實度成像計算模型K為K=υ0·φ0·Gs·1(1+w)3/2·gh·1Vs3υm0·φm0·Gs·1(1+wM)3/2·gh·1Vsm3=υ0·φ0υm0·φm0·(1+w1+wm)-3/2·(VsVsm)-3]]>式中Vsm=(υm0·φm0·Gs·gh)1/3·(1+wm)-7/6·ρm-1/3]]>Vsm=(υm0φm0Gsgh)1/3(1+wtmρtfρtf(wtm+1)+ρs)-7/6(ρtf(wt+1)ρs1+ρtfρtd)-1/3]]>式中各參數的物理意義K-土石混填路基的壓實度(％)；h-土石介質的厚度(m)；g-重力加速度(m/s2)；Vsm-最密實狀態下土石復合介質剪切波波速(m/s)；υm0-最密實狀態下土石復合介質的類泊松比；φm0-最密實狀態下土石復合介質的類孔隙度；Gs-土石固體顆粒等效剪切模量(GPa)；wtm-最密實狀態下土的含水量(％)；wm-最密實狀態下土石復合介質的含水量(％)；w-土石復合介質的天然含水量(％)；ρt-土顆粒的密度(kg/m3)；ρs-石料顆粒的密度(kg/m3)；ρm-最密實狀態下土石復合介質的密度(kg/m3)；f-土石比(體積)，f＝ft∶fs；h-路堤深度(m)；ρtd-土的最大干密度(kg/m3)；Vs-實測波速
7.根據權利要求1所述的土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法，其特征為根據步驟6)的診斷結果，對路基進行相應的處理后重復測試步驟，即，如果壓實質量不滿足要求，則修正壓實施工參數，然后再次碾壓施工，重復測試步驟；如果壓實質量滿足要求，則進行下一層路基填筑及碾壓施工，重復測試步驟。
全文摘要
本發明涉及一種土石混填路基壓實質量的電震綜合成像診斷方法，該方法包括下列步驟1)對土石混填路基進行震動成像測試；2)對土石混填路基進行視電阻率成像測試；3)對所獲得的測試信號進行分析處理；4)對路基波速、視電阻率的分布進行成像反演獲得路基波速圖像和視電阻率圖像；5)對路基壓實度的分布進行計算獲得壓實度圖像；6)根據壓實度圖像對路基壓實質量進行診斷。本發明的技術效果是能廣泛適用于填土路基、土石混填路基、填石路基；測試深度能達到40米；掃描斷面成像、立體控制，測試可靠性高；測試精度達到±2％；測試速度快，現場測試、即時微機自動處理、即時獲得成像診斷結果50分鐘/50米斷面；直接在表面進行無損檢測。
文檔編號G01N33/42GK1807778SQ20061005406
公開日2006年7月26日 申請日期2006年1月27日 優先權日2006年1月27日
發明者趙明階 申請人:重慶交通學院