基于瑞雷波理论的公路无损检测方法研究

【摘要】：地震波在弹性介质内传播时主要有纵波和横波,由于它存在于整个弹性空间,因而这些波统称为体波。相对于体波而言,在弹性分界面附近还存在着另一类波动,从能量来说它们只分布在弹性分界面附近,故称为面波,地震面波在地震波中占有很重要的地位。在天然地震中,瑞雷面波是一种对建筑物危害极大的波,但我们只要掌握了瑞雷波的传播特点及其传播规律,瑞雷波同样能够服务于我们的工程建设。瑞雷波由英国学者瑞雷(Rayleigh)于1887年首先在理论上确定的。它具有低频、低速(瑞雷面波的传播速度VR大约是横波速度的0.95倍)、强振幅的特点。由于瑞雷波在层状介质中,具有频散特性,即波速随波长(或频率)变化而变化,且瑞雷波波速与横波速度具有相关性,为瑞雷波的应用开辟了广阔前景。 本论文研究从瑞雷波的传播特点开始,首先讨论瑞雷波在均匀介质中的传播特点和规律；进而讨论在层状介质中瑞雷波的传播特点和规律。为瑞雷波的应用奠定理论基础；其次：对目前国内外瑞雷波的提取方法进行系统的分析。常规的二维滤波方法(f-k域滤波)效果的好坏主要取决于滤波器的选择、采样间隔的大小和点数,该方法必须同时采用多道记录(一般为6道)来获取频散曲线从而降低了瑞雷面波法探测的纵横向分辨率,因此难以满足高精度探测的要求；重点讨论了τ—p域提取瑞雷面波方法和采用小波变换的小波系数阈值判断提取瑞雷面波方法。经深入研究此两种方法提取的瑞雷波可克服常规二维滤波法多道加权平均、无法探测小规模和局部异常的不足,又可以解决介质横向突变情况下瑞雷波频散曲线的计算问题；第三：通过对频散曲线计算方法的改进,即对要计算的频率区间采用对数值等分,使其高频段频率间隔加大,低频段频率间隔有效减小,有效提高深层的分辨率和勘探深度；第四：通过建立瑞雷波方法进行公路路基质量检测的数学模型及指标统计,采用最小二乘法求取合理的相关因子,即容重、承载力、强度等与横波速度及深度关系式中的待定系数的获取方法,为瑞雷波检测实现由定性为主上升到定量解释奠定了理论基础。第五：通过试验对比研究,有效实现了瞬态瑞雷波记录中提取适于相邻道频散曲线的计算瑞雷波,消除了常规方法的平均效应,从而大大提高了瑞雷波法的纵、横向分辨率和检测精度,能真实反映地下较小范围内的局部异常和突变异常；第六：通过论文研究,研制了“瑞雷面波资料处理与解释软件”并结合公路检测实际应用,验证了本软件系统的适用性,同时也证明瑞雷波方法不仅可以检测路基压实度、地基承载力及复合地基承载力,同时也可以通过CT成像较好的检测深层搅拌桩的桩身质量。为公路质量无损检测提供了一种方便快捷的检测方法。 本论文为基于瑞雷波理论的公路无损检测方法研究,经过理论分析、数值模拟、物理模拟和应用试验对比等,取得如下研究成果： 1、采用τ—p变换方法提取瑞雷波,满足了相邻道计算频散曲线的需要；从而大大提高了瑞雷面波无损检测的横向分辨率和精度。解决了常规二维滤波方法方法不能准确检测局部和小区域异常的问题。 2、利用小波阈值判断方法来提取瑞雷面波,有效地提高了瑞雷波勘探方法的横向分辨能力,解决介质横向突变情况下瑞雷波检测问题。 3、通过变频率间隔方法,直接利用傅里叶变换数值积分计算频散曲线,有效提高了瑞雷波勘探对深层的分辨能力。 4、通过建立瑞雷波方法进行公路质量检测的数学模型及指标统计,来求取合理的相关因子,为无损检测实现由定性为主上升到定量解释奠定了理论基础。 5、编写了“瑞雷面波资料处理与解释软件”不仅可以检测路基压实度、地基承载力及复合地基承载力,同时可以通过CT成像也可以较好的检测深层搅拌桩的桩身质量；实现了理论研究成果向实际应用的转化。