（水利工程专业论文）水泥土防渗墙无损检测方法的研究.pdf

摘要 水泥搅拌土防渗墙是近年发展起来的一种新型堤坝补强加同技术，并已存独 流减河、永定新河、蓟运河等堤坝加同工程中得到应用。 在水泥搅拌土防渗墙施。i + 过程巾，由于上质条件复杂、施工一l 艺等原因，其 成墙技术很难得到保证和控制。目前常用的钻孔取芯检测方法出于其本身的固有 特性，检测结果很难反映防渗墙的实际质量现状，所以建立一种方便、快速、可 靠的水泥土搅拌墙质量检测手段是非常重要的。 本文研究的任务是：通过大量室内试验和现场测试，技出水泥土波速与强度 和灰土比的关系，为无损检测模型提供大量的实验数据支持；通过理论分析和实 验验证，研究了瑞利面波在水平方向宽度有限的弹性介质中的传播规律，为瑞利 面波在水泥土搅拌墙无损检测中的应用提供可靠的理论支持和实验验证；通过多 道瞬态瑞利面波法在水泥土搅拌墙现场试验段的测试应用研究，找出适宜于水泥 土搅拌墙无损检测的瞬态趣波法应用条件，为建立水泥土搅拌墙无损检测模型提 供现场试验依据。 经过水泥土室内试验分析、水泥土搅拌墙室内模型试验和理论分析以及水泥 土搅拌墙的现场测试分析，可以得出以下结论：剪切波速和抗压强度之间有很好 的相关关系，人工神经网络可以建立波速、养护时间、土类等与抗压强度和灰土 比的统一模型，并且有较高的预测精度，侄无损检测中具有广阔l 勺应用前景：划 于像水泥土搅拌墙这种水平方向宽度有限的弹性介质，理论分析和室内模型试验 部得出相同的结论：瑞利波波速在有限宽度弹性介质与在弹性半无限空间中相差 不大，在工程应用中，可以忽略两者差别；多道瞬态瑞利面波法因其方便、快捷、 大范围宏观控制等优点，比较适用于水泥土搅拌墙这种结构形式的无损检测应 用。 关键词：水泥上搅拌墒波速无损检测瞬态面波法 a b s t r a c t t h em i x i n gc e m e n t s o i lw a l li san e v v , t e c h n o l o g yd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s ， w h i c hc a nb eu s e di nr e i n f o r c e m e n ta n ds e e p a g ep r e v e n t i o no fe m b a n k m e n t sa n dh a s b e e na p p l i e dt ot h ee m b a n k m e n te n g i n e e r i n g so fd u l i u j i a n h er i v e r , y o n g d i n g x i n h e r i v e ra n ds oo n i ti sv e r yd i f f i c u l tt oc o n t r o lt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yo ft h ew a l l sb e c a u s eo f c o m p l e xs o i lp r o p e r t i e sa n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y t h ed r i l lh o l es a m p l i n g ，a sa c u r r e n tm e t h o dd e t e c t i n gt h ew a l lq u a l i t nd o e sn o tr e f l e c ta c t u a lq u a l i t ys t a t eo f w a l l s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，t h ea u t h o rs t u d i e st h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so ft h e c e m e n t - s o i la n dd e v e l o p saq u a n t i t a t i v en o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i n gm o d e lo fs e e p a g e p r e v e n t i o nw a l l s ，w h i c he s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n gan e wt e c h n o l o g y o f t h en o n - d e s t r u c t i v ed e t e c t i o no f s e e p a g ep r e v e n t i o nw a l l s f i r s t ，t h r o u g hal o to f t e s t si nt h el a b o r a t o r ya n di nt h ef i e l d ，f i n do u tt h er e l a t i o n s b e t w e e nt h es t r e n r g t ha n dv e l o c i t y , s u p p l yt h ef o u n d a t i o nf o rt h eh a r m l e s ss u r v e y ； t h r o u g ht h e s c i e n t i f i cr e s e a r c h ，f i n do u tt h er a y l e i g hw a v e sc h a r a c t e r si nt h e s o i l c e m e n t w a l l ，s u p p l yt h es c i e n t i f i cf o u n d a t i o na n dl a b o r a t o r ys u p p o r tf o r t h e h a r m l e s ss u r v e yi nt h es o i l - - c e m e n t - 。w a l l ；t h r o u g ht h ea p p l y i n go fs a s w ( s p e c t r a l a n a l y s i so fs u r f a c ew a v e ) i nt h es o i l c e m e n t w a l l ，f i n do u t t h ec h a r a c t e r i s t i co f h a r m l e s ss u r v e yi nt h es o i l c e m e n ta n dg i v eo u tt h ee f f e c t i v ec o n d i t i o n so fs a s ws a p p l y i n gi nt h es o i1 一c e m e n t w a l l t h r o u g hal o to fl a b o r a t o r yt e s t sa n dt h e o r yr e s e a r c h e s ，w ec a ng e tt h er e s u l t s ： t h er e l a t i o nb e t w e e nt h es h e a r v e l o c i t y a n dc o m p r e s s i v e s t r e n g t h i s b e t t e r , n e u r a l n e t w o r km o d e ln o to n l yc a l li n c l u d ev a r i o u se f f e c t i v ef a c t o r s ，b u ta l s oh a sh i g h f o r e c a s t i n ga c c u r a c y , i ti sag o o dm e t h o da n dw i l lh a v eb r o a dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o n i nt h e g e o t e c t o n i ce n g i n e e r i n gh a r m l e s ss u r v e y a c c o r d i n g t ot h ec o n d i t i o no f b o u n d a r y , t h ed e e p m i x i n gw a l lc a nb es i m p l i f i e da sp l a n e s t r e s s ，p l a n e s t r a i na n d e l a s t i cr e s t r i c t i o n r a y l e i g hw a v e sv e l o c i t i e sa r ea l m o s tt h es a m ei nt h et h r e e c o n d i t i o n sa si nt h eu n l i m i t e dd i m e n s i o nm e d i u m ，t h ed i f i e r e n c ei sl i t t l ea n dc a nb e i g n o r e di nt h ee n g i n e e r i n g a n dc h e c ko u tt h er e s u l tb yt h em o d e l - t e s ti nl a b o r a t o r y , p r o v i d et h es c i e n t i f i ct e s t i m o n yf o rt h er a y l e i g hw a v e sa p p l y i n gi nl i m i t e d d i m e n s i o nm e d i u m s a s wi sag o o dm e t h o di nh a r m l e s ss u r v e ya n dc a ng e tg o o d r e s u l tj ns o i l 一c e m e n t w a l l k e yw o r d s ：s o i l - c e m e n t - w a l l v e l o c i t yh a r m l e s s - - s u r v e y s a s w ( s p e c t r a la n a l y s i so fs u r f a c ew a v e ) l j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：摩杉纶签字嗍z o o s 年。月s 。同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫星盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢艮蒸玲 签- 7 - r 期：2 0 0 5 年4 月3 0 日 翮虢铷饬 签7 - 日期：2 0 0 5 年4 月。3 0 同 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 水泥土搅拌桩是利用水泥或水泥系材料( 石灰等) 作为固化剂，通过特别的深 层搅拌机械，在地基深处就地将原状土和固化剂强制搅拌，形成水泥搅拌十圆柱 体，连续搅拌即形成水泥搅拌土墙。由于固化剂与土之间产生一系列物理化学反 应，从而提高其强度和增大变形模量，形成具有一定强度、水稳性、整体性和抗 渗性好的水泥搅拌土，以承受倚戴和隔水。 水泥搅拌土防渗墙是水利工程中加固堤坝和防渗的重要措旌，它的旌1 。：质量 直接影响到堤坝整治的效果，因而，对水泥搅拌土防渗墙施工质量进行检测十分 必要。以往，常采用钻芯取样等方法测定强度，判断其施工质量是否满足工程要 求。但是，因其取样困难，离散性大，工作量大等诸多方面的原凼，再加上钻芯 取样时往往扰动很大，偾得测试结果不能反映实际情况，满足不了工程质量检测 的要求。特别是一些重要部位不允许钻芯取样破坏，从而给这些工程留下了一定 的质量隐患。因此，发展尢损检测技术来检测施工质量是非常必要的。无损检测 技术是以被测对象的质鼍控制指标j 其无损检测指标之问的相关性为蓼 i f | ! ，在不 破坏被测对象的d 口提下，现场检测这些指标，然后根扼建立的检测标准，划被测 对象的质量做出评价。无损检测方法的特点是现场实旋测量，快速无损，测试费 用低。但是其测试结果的可靠性主要依赖于所建立的无损检测标准。对于水泥搅 拌土防渗墙这种典型的土工隐蔽工程，目前国内外尚没有有效的施r 质量无损检 测方法与相应的柃测标准。j 。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 水泥搅拌土研究的进展 自水泥深层搅拌法闯世以来，固内外许多科技工作者对其施工机械和加固机 理以及水泥搅拌土的物理力学性能做了深入的研究，掌握了水泥搅拌上强度和 渗透性的一般规律。 水泥搅拌十的加同机理主要是通过水泥的水解和水化反应柬实现的。普通硅 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 水泥上搅拌桩是利用水泥或水泥系材料( 石灰等) 作为固化剂，通过特别的深 层搅拌机械，在地基深处就地将原状土和固化剂强制搅拌，形成水泥搅拌_ _ j _ = 圆柱 体，连续搅拌即形成水泥搅拌土墙。由于固化剂与土之间产生。系列物理化学反 应，从而提高其强度和增大变形模量，形成具有一定强度、水稳性、整体性和抗 渗性好的水泥搅拌十，以承受荷载和隔水。 水泥搅拌土防渗墙是水利工樘中加固堤坝和防渗的重要措施，它的施工质量 直接影响到堤坝整治的效果，因而，埘水泥搅拌土防渗墙施工质量进行检测十分 必要。以往，常采用钻茁取样等方法测定强度，判断其施工质量是古满足工程要 求。但是，困其取样困难，离散性大，工1 1 量大等诸多与面的原因，再加上钻芯 取样时往往扰动撤人，使得测试结果j 、能反映实际情况满足不了工程质量检测 的要求。特别是些重要部位不允许铀芯取样破坏，从而给这些工拧南下了定 的质量隐老。因此，发展无损检删技术乘检测施工质量是非常必爰的。无损愉测 技术是以被测对象的质量控制指标与其无损检测指标之问的相关阵为基础，在不 微坏被测对象的前提下，现场检测这些指标，然后根掘建立的检测标准，剥被测 对象的质量做出评价。元损检测方法的特点是现场实施测量，快速无损，测试费 用低。但是其测试结果的可靠性主要依赖于所建立的无损检测标准。对于水泥搅 拌土肪渗埔这种典型的十工隐蔽j 二程，目前幽内外尚没有有效的施j ：质量无损检 测方法与相应的检测标准 。j 。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 水泥搅拌土研究的进展 白水泥深层搅拌注问世以来，囤内外许多科技工作者对其施工机械和加丽机 理阱及水_ ；i j 匕搅拌土的物理力学性能做了深入的研究，掌握了水泥搅拌土强度和 渗透性的般规律。 水泥搅拌土的加吲机理主要是通过水泥的水解和水化反应来实现的。普通硅 水泥搅拌土的加吲机理主要是通过水泥的水解和水化反应来实现的。普通硅 酸扑水泥中的矿物顶朋水7 二合后，j 、卜水自； tj 水化反一，所生成的水泥水化物能 迅速溶r 水q 1 ，使水泥剐讳i 表丽重新暴露 束，再与水发生反应，这样，周i 目的 水溶液就迅速达到饱和。当溶液达到饱和后，水分予虽继续深入颗粒内部，但新 生成物已经不再溶解，只能以习i 分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。 当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，也有的则与 周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应，主要有离子交换和团粒化作用、凝硬反 应、碳酸化反应等，使水泥搅拌土得到进一步强化。从扫描电子显微镜观察中可 见，拌入水泥7 天后，士颗粒周围充满了水泥凝胶体，并有少量水泥水化物结晶 的萌芽，一个月后，水泥搅拌土中生成火量纤维状结晶，并不断延伸充填到颗粒 团的空隙中，形成网状构造，到了血个月时，纤维状结晶辐射向外延伸，产生分 叉，并相互连接形成空间网状结构，水泥的形状和颗粒的形状已分辨不出来。由 上可知，水泥的加入大大增加了水泥搅拌士的强度，而且由于莫结构致密，水分 子不易侵入，从而使水泥搅拌土具有足够的水稳性和抗渗性p “j 。 水泥搅拌土的渗透系数一般为l o l o 8 c m s 数量级，满足工程上小于或等= 二 1 0 。0 c m s 数量级的要求，而通常所加固的相粒土( 例如粉土) 的渗透系数一般为 1 0 - 5 c m s 数量级；渗透系数随水泥掺入比的增大而减小，随养护期的增长丽减小 1 i 一】6 j 水泥搅拌土的无侧限抗压强度一般为o 3 0 0 4 o m p a ，是天然软土的几十倍 生数百倍，其变形特征随强度不同丽介于脆性体与弹性体之间，影蚋水泥搅拌土 无侧限抗压强度的凼素有很多，主要有p 。1 “： 1 、水泥掺入比的影吼水泥搅拌t 的强度随水泥掺入量的增大面增加，当掺 入比 7 。 2 、龄期对强度的影响：水泥搅拌土的强度随着龄期的增长而提高，一般当 龄期超过2 8 天后仍有明显增长。当龄期超过3 个月后，水泥搅拌土的强度增长 逐渐趋于平缓。因此，水泥搅拌土选用3 个月龄期强度作为标准强度合适，不同 龄期的水泥搅拌上无侧限抗压强度大致成线性关系。 3 、水泥标号刈强度的影n 向：水泥搅拌土的强度随水泥标号的提高而增加， 水泥标号提高1 0 0 号，水泥搅拌上的强度提高约( 5 0 9 0 ) 。 4 、土样含水量对强度影响：水泥搅拌上的无侧限抗压强度随土样含水量的 降低而增大，一般情况下，_ j 样含水量每降低】o ，则强度可增加( 1 0 5 0 ) 。 5 、士样巾有机质含量埘强度的影啊：有机质含量越岛，强度越低。 6 、外掺剂对强度的影响：外掺剂可提高强度，但不同性质的外掺荆对强度 影响不同。 j 、养护方法对强度的影响：养j j 二。乃；三刊i 沱搅拌上的强艘影1 i 现白：养护 土1 ：境中的温度和湿度，国内外实验资料部丧明养护方法对短龄艄水 ；j | 三搅拌土强 度的影n 向很人，随着时间的增长，不尉养护方法的水泥搅拌 ：无侧限抗压强度趋 于一致。说明养护方法对水泥搅拌土后期强度影响较小。 水泥搅拌上的抗拉强度随无侧限抗压强度的增加而增加；水泥搅拌十- 的抗剪 强度随无侧限抗压强度的增加而增加；水泥搅拌士的变形模量、压缩模量、抗冻 性能与原状土相比都有很大的提高7 - z z j 。 因为水泥搅拌土的物理力学性质受许多冈素的影响，再加上水泥搅拌土防渗 墙施工质量不易控制，所以水泥搅拌土防渗墙的物理力学特性就更加复杂。为了 研究水泥搅拌土防渗墙的物理力学特征找出水泥搅拌土防渗墙较适宜的无损检 测方法，必须进行水泥搅拌土的室内试验和水泥搅拌土防渗墙的室外试验进行对 比分析。 1 2 2 水泥搅拌土防渗墙无损检测进展 很多学者把低应变动测方法引入到地下隐蔽工程的无损检测中，利用无损检 测参数被测对象的弹性波速末预测其工程性质指扫：( 如抗压强度等) 。同济 大学的徐济平在这方面做了一些有益的探索f 2 。以淤泥质粘土作为试验用土，通 过对不同龄期水泥搅拌土的弹性波速和抗压强度的对比，探讨两者的关系，得到 了如下抗压强度和纵波波速的哭系式： r - - 3 ，4 6 3 8 10 1 5 1 2 3 。扩 ( 1 - 3 ) 式中：r 一水泥搅拌土的抗压强度( m p a ) ：v 一水泥搅拌土的纵波波速( m s ) 。 这单利用纵波波速作为检铡参数束预测抗压强度对于将室内试验成果应用 到实际工程的无损检测中具有很好的指导意义，但将这个结论应用到实际防渗墙 检测中还需要做多方面的工作。首先水泥搅拌土防渗墙实际所处的土质、地下水 等条件复杂，不同土类的水泥搅拌土有着不同的工程性质，上述从一种土得出的 结论很难适用于复杂的实际工程。其次没有考虑到养护条件、灰土比以及养护龄 期等对水泥搅拌土工程性质的影响。 日时幽内还通常使用以下儿种无损检测方法对类似水泥搅拌上防渗墙的地 下隐蔽工程的施工质量进行评价。 】、瞬变屯磁法。瞬变电磁法属j 一时闸域屯磁感应方法，英文缩写为t e m 。 它是利用不接地或接地线源向下发送“次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的| u j 隙期 倒，利娟线圈或接地咆极观n - - - 次涡流场的方法，该二次磁场是由地下良导地质 体受激脯引起的涡流产生的非稳定磁场。t e m 是在没有一次场背景下观测研究 次场，大人地简化了对地质对象产生异常场的研究，刘 ：捉掣】【幺方法的检测能 力具有很大的意义。但是该方法具有较强的地区局限性，象天津这样地下水位高， 堤坝土类盐碱性大的地区，瞬变电磁法很难发挥其应有的作用。 2 、雷达扫描法。雷达扫描法是利用被测对象反射电磁波的原理来实现对被 测对象的无损检测，其特点是对被测对象进行扫描，适用于道路，机场等大面积 结构物的快速检测。但用该方法获取的信号是高频的电磁波信号，与防渗墙墙体 的强度、渗透性在指标之间不具备直接明显的对应关系，从而很难利用该方法对 墙体的质量进行直接定量的评价。 3 、高密度地震映像法：沿检波器测线移动，单点击振，单点接收，可形成 沿测线的多波列映像图。由于接收的是各种各样的综合波，因此只能定性确定弹 性波传播产生异常变化的水平范围，仅起到一个快速普查定性解释的作用。 上述种种检测方法有其自身的局限性和应用限制，而且很多只是定性的结 论，而没有定量的描述。这就给利用无损检测参数定量评价水泥搅拌土防渗墙的 施工质量，预测其各项工程质量指标增加了难度。 波在介质中的传播特性与介质固有的物理力学特性有密切的联系，因此无损 检测的理论基础常常采用介质中的波动理论。瞬态瑞利面波法因为方便、快捷、 可以大范盈测试等优点而在岩工程无损检测方面得到越来越多的应用，但是其 理论基础是弹性均匀半无限空问介质或弹性分层均匀半无限介质。研究分析瑞利 两i 波在水泥搅拌土防渗墙这种水平方向宽度有限的弹性介质申的传播规律，进面 找出适宜于水泥搅拌土防渗墙施工质量无损检测的瞬态面波法将具有极大的实 际价值。 由于无损检测方法具有方便可靠、费用低廉、快速等优点，所以非常适用于 水泥搅拌土防渗墙的质量检测。但其测试结果的可靠性主要依赖于测试时所依靠 的相关关系，因此必须在测试前进行严格的理论分析和试验验证，从而建立严格 的相关关系曲线。但是由于影响水泥搅拌土防渗墙质量的因素众多，不易建立很 好的数学回归关系，所以利用其它方法建立无损检测模型是非常必要的。 人工神经网络是在模仿人脑神经功能的基础上于二十世纪未新发展起来的 一种信息处理工具，已被广泛用于各种领域。人工神经网络就是采用物理可实现 的系统或利用平常的计算机编程来模仿人脑神经细胞的结构和功能的系统。它是 由很多处理单元有机地联结起来，并行工作；它的处理单元十分简单，其工作则 是集体地进行。它的信息传播、存储方式与人脑神经网络相似；它没有运算器、 处理器、存储器、控制器等这些现代计算机的基本单元，而是相同的简单处理器 的组合：它的信息是存储在处理器单元之间的连接【：( 称为权) ，因而它是与现 代计算机完全不同的系统。现已证明，一个三层网络r ，j 。以任意精度逼近任意给定 4 的连续蛹数，实现m 维空问芏4n 维窄叫的非线性映射，故它擅长处理复杂的多 维非线一r # 问题。它可以从已有的试验数据中通过一定的学习算法，在不同程度和 层次e 模仿人脑神经系统的信息处理、存储及检索功能，能自动获取信息、智能 处理、总结规律，即具有自组织、自学习及推理的自适应能力：此外，它还具有 定的容错性和联想记忆功能等。在人工神经网络中，所有的信息存储在处理单 元之间的连接上，其量化指标用单元之间的连接权( 彤，) 来表示，而单元之间 连接权的确定是通过教师样本的训练来自动完成的。其中多层前馈网络的反向传 递训练算法( b a c kp r o p a g a t i o n ) 是神经网络中最常用的一类算法，由此算法构 成的网络( 简称b p 网络) 是神经网络中最常用的一类网络形式，也是目前研究 最多、最成熟的神经网络系统卜+ “j 。 人工神经网络模型在处理实验数据时比数学回归模型有很大的优点：人工神 经网络模型可以同时综合考虑多种因素的影响，而数学回归模型只能考虑少数因 素的影响：人工神经网络模型可以同时输出几个物理量，而数学回归模型往往只 能输出一个物理量：人工神经网络模型不必要建立输入与输出的函数关系式，而 数学回归模型必须建立输入与输出的函数关系式，但所建立的关系式往往是对实 际情况的一种假定，经常存在较大误差：人工神经网络模型是动念的，随着实测 数据的不断积累，即它可以在新取得的样本基础上进行自学习，形成更完善、更 完整的评估预测系统，使网络的输出值更加接近实测值，从而进一步提高预测的 精度和模型的应用范围。因此建立水泥搅拌七防渗墙的无损检测神经网络模型是 非常必要的。 1 3 本文主要研究内容 在水泥土室内试验研究的基础上，为了将相应的室内成果应用于现场实际工 程的检测中，针对以下几个方面的问题进行的细致研究： l 、在现场模拟不同施工情况分别搅拌出四个试验段，首先用高密度震动影 像法进行普查，然后用瞬念面波法对这四个现场试验段进行测试分析，研究了水 泥搅拌土防渗墙在不同情况下r a y l e i g h 断波传播特性，探讨了激震震源、传感器 特性、偏移距等检测参数对面波无损检测结果的影响程度，找到了适宜于堤坝水 泥搅拌上防渗墙无损检测的瞬态丽波关键控制参数。 2 、对水泥搅拌土防渗墙试验段进行了丌挖后的现场r a y l e i g h 面波测试、取 样波速与强度测试，与室内试验结果做了对比分析。在此基础上，建立了评价水 泥搅拌七防渗墙施工质量的瞬态面波无损检测定量标准。 3 、把适宜于堤坝水泥搅拌士防渗墙无损检测的瞬念丽波技术与无损检测定 茸一童绪沦 量标准相结合，丌发出疋鞋评价水泥搅拌土防渗墙施工质量的尤损硷测新技术c 4 、编制、丌发了水泥土防渗墙尤损检测评估软件系统，并将萁应用到实际 工程中，获得了较为满意的评价结果。 箕：囊无损检测中钓琦密使谨鼋i ：絮沽a j 爱捌面波法 第二章无损检测中的高密度震动映像法和瑞利面波法 2 1 概述 随着科学技术的进步，水利水电工程物探技术从传统的地震勘探、电法勘探、 重力勘探、声波测试等发展到今天的地质雷达、瑞利面波、高密度电法、堤坝与 水库渗漏检测、弹性波c t 检测等不下数十种。由于每种物探方法均有其特定的 应用前提，所以只有部分物探方法适用于堤防工程隐患探测。 目前，应用于堤防工程隐患探测的物探方法主要有三类： ( 一) 电法勘探：包括：i 常规电阻率法：2 高密度电阻率法：3 自然电场 法。 ( 二) 电磁类物探方法：包括：1 瞬变电磁法；2 地质雷达。 ( 三) 弹性波类方法：这种勘探方法种类很多，常用的有：纵波反射法、横 波反射法、多波列地震映像法、瑞利面波法等。 各无损检测方法适用范围对比如下： ( 一) 电法勘探： 常规电阻率法和高密度电阻率法：测试参数为视电阻率，适用于探测地层隐 患，速度快，缺点是介质电性不均匀于扰严重，受含水量影响，供电装置繁琐。 自然电场法：主要用于堤坝渗漏探测。 ( 二) 电磁类物探方法： 瞬变电磁法( t e m ) ：多用于大范围异性材料( 软弱层) 及堤坝渗漏位置检 测。 地质雷达：根据电磁波传播原理，以1 0 m h z 1 0 0 0 m h z 高频电磁脉冲向地 下发射，采用连续扫描测量方式，分辨力强，实时数据处理，但电磁波能量衰减 快，穿透能力差，在干燥条件下一般能测几米深的隐患，如遇水则更浅。设备成 本高，一套在3 0 万元以上。不易于推广使用。 ( 三) 弹性波类方法 当土堤坝有松散、软弱、洞穴时，弹性波波速就会发生变化，该类方法就是 利用岩、土层的弹性波速度差异进行勘探的。更有价值的是，弹性波速度与堤身 力学强度指标关系密切，探测结果呵对堤防质量进行评价。 横波法：能直接反映地层物理特性，但由于激发装置能量有限，探测深度浅， 第章无损挣灌 一的。：。f 耍震动：j r 像法自j 端刺西波法 不能满足勘探要求。 纵波法：易于掌握控韦0 ，测试速度陕，但往往在地层界面波阻抗差异小，目 标层太浅的情况_ f ，提取有效信号困难。由此衍生的防渗墙弹性波c t 法和高密 度地震映象法。 弹性波c t 法：需钻孔，分层竖向布置探头，工序繁琐。 高密度地震映像法：沿检波器测线移动，单点击振，单点接收，可形成沿测 线的多波列映像图。由于接收的是各种各样的综合波，因此只能定性确定弹性波 传播产生异常变化的水平范围，仅起到一个快速普查定性解释的作用。( 详述见 2 2 节) 瑞利面波法：其理论依据和性质决定了它最适用于评价堤防质量。( 详述见 2 3 节) 基于以上叙述并结合工程实际应用，本文所研究的水泥土防渗墙无损检测方 法拟将高密度地震映像法和瑞利面波法相结合，即首先用高密度地震映像法做快 速普查，然后用瑞利面波法做定量评价。 2 2 高密度震动映像法 2 2 1震动映像检测原理及数据采集方法 2 2 1 1 震动映像数据采集方法 高密度震动映像数据采集采用最佳偏移距法所谓最佳偏移距法，就是在最 佳窗口内选择一个公共偏移距，每激发一次用一道接收，然后按如图2 1 所示同 步移动震源和传感器，保持所选定的偏移距不变。用s w s 多波测试系统的震动 映像功能将每一次激发的波动信号自动记录下来，最后得到一张多道记录，各道 具有相同的偏移距。利用这种共偏移距地震剖面，容易正确识别同相轴，由于偏 移距相同，不需作f 常时差校币，具有简便直观特点，可以实现现场实时发现防 渗墙存在的质量问题。 在堤坝防渗墙上的某一点激发，将产生直达波、反射波、面波、转换波等弹 性波。由于防渗墙的强度远高j ：两侧土的强度因此，防渗墙就成为这些弹性波 的波导，亦即，弹性波将主要集中在防渗墙内部传播。在这样的特定几何条件下， 无法特定地利用菜一种波进行测量。但如果采用地震映像( 共偏移距法) 进行检 测，在防渗墙施工质量良好且在横向均匀一致时，由于激发接收条件，弹性波传 播介质条件相似，各种地震波的动力学特性也几乎相同，地震记录上的各种波的 第二专无抿；、；o 为i 鲁皮震动映像法剥i 瑞利丽：。 时域频城特征相似。如果防渗墙j 施【质量存在诸如搅拌不均、d 、泥川量明显 不足等施工异常问题，将导致防渗墙内部有局部低速介质存在，从两使一些相应 的波，例如反射波、面波、转换波的到达时间将延长、频谱特性发生变化，或波 的动力学特征改变。因此，根据异常体处造成波形、到达时间和振幅豹变化及反 射波、面波的波速降低、频谱特性中主频值降低等，并与无异常体存在的波形图 进行比较，即可对防渗墙的施工质量作出初步判断。 图2 - 1高密度震动映像数据采集方法 2 2 1 2震动映像信号的激发 选择用于堤坝防渗墙检测的激振方式，应针对防渗墙本身的特点，重点考虑 检测效果。 在介质体内传播的波叫做体波，体波按振动状态又分为纵波和横波，横波 按振动方向不同又分为s h 和s v 波。除体波之外，在弹性分界面附近还存在着 另一类波，这类波从能量上来说，它只分布在弹性界面附近，因此统称为面波， 主要有瑞利波和拉夫波。 在防渗墙顶面采用竖向激振，并采用竖向震动传感器接收信号，此时获得 的信号将主要包含纵波和面波，同时还拌有s v 波。纵波一面波信号容易激发， 激发设备也较简单、经济，通常采用锤击的方法作为震源。纵波主要在防渗墙内 部传播，通过接收由于防渗墙内部的波阻抗差异界面产生的反射波信号，来研究 防渗墙的施_ t 质量问题。面波主要沿介质表面传播，其不同波长的朔速度反映不 同深度内防渗墙的等效强度，其群速度是一定深度范围内以及激发直与接收点之 问的面波传播介质的综合速度反映，通过对综合速度与频谱特性的分析，来实现 对防渗墙的砸工质量的评价。因此，对防渗墙顶面竖向激振，在采集获得的高密 冀一j 无损丰： 测中的离警瘦r 是、7 霰法雨i 瑞利面波法 度震动映像中，将同日_ 包含纵波与面波信思。 在防渗墙顶l 伍采用横向激振，并采用横向震动传感器接收信号，此时获得 的信号将主要包含s h 波。s h 波相对纵波而言较难激发，主要采用横波震源扳 来激发。横波激振通常采用在防渗墙顶面平放一木板，木扳上施压一重物，以使 其与防渗墙顶面紧密耦合，水平敲击木板端部即可产生s i - i 横波。为减少防渗墙 两侧土的影响，激振方向应与舫渗墙走向一致。s h 波主要在防渗墙内部传播， 与纵波相同，也是通过接收由于防渗墙内部的波阻抗差异界面产生的反射波信 号，来研究防渗墙的施工质量问题。 2 2 1 3 防渗墙反射波震动映像检测原理 当防渗墙内部介质存在波阻抗不同的界面时，将产生反射波。所谓波阻抗就 是介质的密度p 与波在介质中传播的速度v 的乘积p v 。如果入射波从波阻抗为 岛k 的介质垂直入射到波阻抗为段的介质分界面上时，则反射波振幅a t 和入 射波振幅4 之间存在如下关系： 生：鱼兰二旦匕 a rp 2 k + n 矿 ( 2 一1 ) a ，4 称为反射系数。显然，p ，k = n k 时，反射系数为零，即不产生反射； b k n “时，反射系数为f ，表示反射波的相位与入射波的相位一致；而 b k 一k 反射系数为负值，浇明反射波的相位与入射波相位反向。 由反射波原理可知，只要堤坝防渗墙中出现施工质量的变化，例如，搅拌不 均、断层、软央层等现象，就会出现反射波，并在信号记录中表现出来。高密度 震动映像技术正是利用反射波的这种特性进行无损检测的。 2 2 1 4 防渗墙面波震动映像检测原理 在瞬态激振信号中，包含有能量较强面波信号，根据时域波形中面波的初至 时间计算得到的面波传播速度是由瞬态激震所产生的一定频带宽度的不同频率 成分的面波所合成的群速度。该群速度是一定深度范围内以及激发点与接收点之 间的面波传播介质的综合速度反映，除与激发点与接收点之间的防渗墙的施工质 量有关外，还与激振方式以及传感器频带响应特征有关。在通过研究确定偏移距、 传感器以及激振方式后，两波振动映像中的面波群速度的大小将取决于防渗墙的 施工质量，当由于诸如水泥用量明显不足导致的防渗墙内部存在低速带时，面波 群速度将明显降低。根据上述分析，可将高密度震动映像技术应用于堤坝防渗墙 施工质量的评价。 0 第一二章无损检，一j 0r 密度震动映像法剐瑞剖面波z 2 ，2 2 震动映像信号采集参数的选择 在传感器接收到的震动信号中，常含有震源激发所产生的直达波、反射波、 折射波、多次反射波、面波等，也有自然界的常时微动和测线附近的环境干扰， 例如交通振动干扰等。 能够应用于研究防渗墙施工质量的弹性波称之为有效波，而一切妨碍分辨这 些有效波的其它波则称之为干扰波。对于堤坝防渗墙高密度震动映像检测来说， 反射纵波、反射横波和面波是有效波，丽直达纵波、直达横波和各种外界扰动为 干扰波。为了提高信噪比、获得准确的检测结果，必须针对防渗墙的特点研究这 些波的特点，从而实现压制干扰波、将有效波和干扰波分离。选择合适的信号采 集参数是一种有效的提高信噪比的方法，它可以很好地把有效波分离出来，获得 高质量的震动映像。 在用高密度震动映像技术对堤坝防渗墙进行检测时，应当考虑的参数有：记 录时间长度、采样率、最佳偏移距等。这些参数可以通过模型计算，并结合现场 试验来确定。 2 2 2 1 偏移距确定的最佳窗口技术 偏移距的选择在于要使被探测目的层的反射波尽量不被直达波和其它干扰 信号所掩盖，即传感器应布置在目的层的有效信号明显与干扰信号、地面噪音等 分离的地段，即应选择有效信号的最佳窗口。在距震源较近的地方，各种直达波 和干扰波尚未明显衰减，振幅较大，因此会掩盖来自目的层的有效信号，使得我 们很难把有效信号单独分离出来，这就给数据处理带来极大的不便。为此，传感 器的布置应远离震源，即选取较大的偏移距。较大的偏移距对于信号分折来讲是 有利的，但偏移距太大对信号采集也是不利的，不仅会使有效信号太弱而不易分 辨，还会带来宽角反射的畸变影响，而且，目前还没有研究出校正这种畸变的方 法，因此应选取适宜的偏移距。偏移距的选取应使多数重要有效波有较大的振幅， 容易分辨，且不落在数据处理的切除范围之内，即不能超过采样的记录长度。 为了更好的识别反射波，必须选择最佳地段接收的波动信号，该最佳地段的 确定被称为“最佳窗l j 技术”。最佳窑h 技术就是选择干扰波和有效波明显分离 的测线段对波动信号进行采集的方法。 设堤坝防渗墙的深度为6 m ，如图2 2 ，剪切波速为6 0 0 m s ，防渗墙底部土层 的剪切波速为3 0 0 m s 。由弹性波理论可知 竖：2 ( 1 - o - ) 略( 1 2 ( 7 ) ( 2 2 ) 第茏擐硷? l ：中的高密度震动峡像法i j l j ；i ：二! 波法 丘：! ：! ! ! ：! ! ! 屹 1 + o - ( 2 3 ) 对于实际： 程中堤坝防渗墙，泊松比一般为0 3 5 左右。由式f 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 可计算出相应的纵波波速为1 2 4 9 r n s ，面波波速为5 6 0 n v s 。 图2 3 根据上述堤坝防渗墙的模型参数所作的弹性波的波至曲线。纵波反射 波波至曲线用式( 2 - 4 ) 计算： ，：尘生( 2 _ 4 ) ，= 一 i ，qj p 其中：式中s 为激发点至传感器之问的距离，h 为堤坝防渗墙底界面的深度，对 于直达纵波，取h = 0 ，为反射纵波速度。由于防渗墙的速度大于其下部的土 层速度，所以不会产生折射波。 图2 - 2 防渗墙中的反射波 从图2 3 可以看出，对于此段6 m 深的堤坝防渗墙，偏移距大于5 5 m 时， 面波开始与反射波分离，且已有效避开声波( 3 4 0 m s ) ，当偏移距超过1 1 m 时， 反射纵波与直达纵波逐渐靠近。若选择7 r n l o m 地段进行数据采集，此时面波 到达传感器的时间远滞后于反射波的到达时间，相干噪声的干扰最小，有利于进 行纵波与面波速度分析。 根据振幅方程的求解与计算，可以得到相对反射振幅曲线与反射相位曲线。 根据分析结果可知，在相对反射振幅曲线与反射相位曲线中存在相对反射振幅的 变化平稳、相位变化为零或不大的区域，过了该区域并逐渐远离时，相对振幅变 化较大，相位变化会出现由一1 8 0 0 转到+ 1 8 0 0 ，在这个相对振幅和相位均变化无常 的区域内，对识别反射波与数据分析处理是非常不利的。此外，在防渗墙顶面激 发后，同时还将产生面波，面波将沿防渗墙与两侧土以柱面波的形式向外传播， 其中由于防渗墙的速度较大，面波将以防渗墙为波导以较快的速度沿防渗墙传 播，超过一定距离，两侧土中面波与防渗墙巾的面波将会明显分离，此时获得的 笺二章无损检测巾+ 0 离密度髭：0 睦像：翻i 瑞副面波法 面波信号主疆代表防渗墙的状况= 2 0 前 量 ”1 5 1 0 5 0 05 图2 3 防渗墙模型最佳窗口的计算 我们将干扰波和有效波明显分离的测线段、两侧土中面波与防渗墙中的面波 明显分离、以及反射波振幅和相位又相对平稳的信号接收地段，作为信号采集区 域。 综合以上分析，并通过现场试验，对于深度为6 - - 1 0 m 左右的堤坝防渗墙， 偏移距取在8 m 一1 0 m 范围内能很好的满足高密度震动映像检测的要求。 2 2 2 2 记录长度与采样间隔 记录长度必须能够记录到目的层来的反射波以及反映防渗墙整体情况的面 波群速度，并留有一定余量。出于实际工程中的堤坝防渗墙的设计深度不尽相同， 水泥土的纵波波速也不同，因此，应针对不同的实际工程确定相应的记录长度。 一般说来，采样间隔越小，即采样率越高，测量精度就越高，但它要受到两 个条件韵限制，第一受仪器采样点数的限制，即采样问隔乘以采样点数必须大于 或等于预设汜录长度；第二是采样间隔必须小到不使预期的最高频率假频化。这 里的“假频化”是指由于时间采样率不足，原信号取样后出现假频的现象。 通常，我们用尼奎斯特( n y q u i s t ) 频率厶来避免假频现象，厂是指在给定 采样间隔丁的条件下可还原的最高频率，定义为 = 5 0 0 r ，其中，以i l l s 为单位，它表明采样间隔在理论上应满足a t 5 0 0 _ ，二，这罩的二为预期可获 得的最高频率。实际应用时多采用丁兰2 5 0 厂m 。来选定采样间隔7 。 应用高密度震动殃像对堤坝防渗墙进行检测时，反射纵波、反射横波及面波 信号都在0 5 0 0 h z 之间，即采样间隔应不大于l m s 。因此，实际采集数据时， 采用o 2 5 m s 的采样| 丑j 隔，5 1 2 个采样点，即记录长度为1 2 8 m s 。上述参数设置即 可满足高密度震动映像在堤坝防渗墙检测中的要求。 第一? j 无j ；：，o 阳：j 管度崖动唑像法和瑞利f l i i ；：2 j 2 3 瑞利面波法 瑞利面波法用于岩土工程无损检测技术常用的方法有时域法和频域法，频域 法又分为稳态面波法和瞬态面波法f 2 ”。 稳态面波法是用可控频率的激震器，分别激发不同频率的面波，在不同距离 的两个通道上记录面波的振幅，计算该频率的相速度。瞬态面波法是用冲击震源 激发包括较宽频带的面波脉冲，在不同距离的多个通道上记录面波，用频谱分析 的数据处理方法计算频带范围内的面波相速度，简称s a s w ( s p e c t r a l a n a l y s i s o f - s u r f a c e w a v e ) 法【2 “”】。由于瞬态面波法具有快速、方便等 优点，所以i ：l i 急态面波法应用广泛。 2 3 1 瞬态瑞利面波测试原理及数据处理方法 2 3 1 1 防渗墙面波检测原理 面波的多通道采集