层状不匀称媒介中弹性波的传导特点与其在岩土工程检验中的运用

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1、层状不匀称媒介中弹性波的传导特点与其在岩土工程检验中的运用-->第一章引言1.1选题依据隧道按建造位置可分为山岭隧道、水底隧道和城市地下隧道。2007年1月通车的秦岭终南山公路隧道全长18.02公里，是世界上最长的双洞单向公路山岭隧道，贯通秦岭山脉的终南山，缩短西安至柞水的通行里程约60公里，极大的促进了陕南地区经济的发展[1]。预计2016年建成的港珠澳大桥是一座连接香港、珠海和澳门的跨海大桥，大桥主体长约29.6公里，其中海底沉管隧道长6.7公里，建成后将成为世界上最长的六线行车沉管隧道。今年6月贯通

2、的天津西站至天津站地下直径线盾构隧道长3.3公里，其中盾构隧道长2.146公里，是我国第一条城市铁路地下隧道。隧道工程在十一五期间被交通部列为重点建设项目，得到了高速、跨越式的发展。截至2010年底，我国大陆拥有铁路隧道7400余座，总长度达4200km；公路隧道拥有1970余座，总长度达1000km。在十二五规划中，与此同时，公路和铁路隧道分别以每年约150km和300km的速度增长[2]，构建国家高速公路网和快速铁路网仍然是十二五规划中的重要纲领。地下工程特别是隧道工程在施工以及运营使用中，会因为地震

3、、火灾等自然因素和施工质量等人为因素发生渗漏水、地面沉降、塌陷等损坏。1999年台湾集集地震导致台湾中部距发震断层25km范围内的44座隧道受损，其中严重和中度受损比例达50%[3]。2008年汶川地震造成156条隧道受损，受损形式包括初砌剥落和垮塌、渗水、混凝土块掉落、路面开裂等[4]。隧道工程一旦出现损坏，就会影响隧道的正常使用，损坏严重的还会导致交通瘫痪甚至会危机人身安全[5-9]。因此，对隧道进行检测并采取正确有效的工程措施是至关重要的。无论是施工和运营隧道的健康检测、灾害预警还是隧道的病害的治理

4、或者灾后整修都必须建立在对隧道结构的准确的安全性评价基础之上。考虑隧道作为隐蔽工程具有的地质、环境特点，为避免结构受到损坏或使用性能受到影响，一般采用无损检测方法检测隧道的地下结构。目前常用的结构无损检测方法包括回弹法、超声波法、雷达法、冲击回波法、红外成像法、超声波CT法等，但都具有一定的局限性。隧道工程等土木工程结构，在一定的假设下均可视为层状介质结构。对于这类问题的检测，可以根据弹性波理论进行分析，因此弹性波在工程检测中的应用问题一直备受关注。弹性波理论在地下构造探测和隧道检测方面已经取得了很多成果

5、，如检测P波波速以检测混凝土内部缺陷[10]，利用表面波法探测混凝土强度和裂缝深度[11,12]。但对于大型沉管隧道混凝土管段水下注浆基础处理的施工工艺、作用机理、应用效果等方面的研究进行得较少，利用弹性波理论对水下注浆基础效果检测方面进行探索研究也是亟待解决的科研问题。基于以上现象和问题，本论文在综合目前岩土工程结构无损检测方法优劣的基础上，研究层状介质中弹性波传播特性，在此基础上针对天津海河中央大道沉管隧道注浆施工的注浆效果检测试验数据，进行数据分析及可视化分析，探索一种基于动力特性的层状岩土工程介质

6、无损检测及快速评价的方法。使我国岩土结构安全性评价更加科学、快速、经济、规范，提高我国岩土结构安全性评价水平。1.2地下隧道无损检测方法研究综述隧道检测根据上述问题可以分为两类，一类是混凝土初砌质量检测，适用于该问题的无损检测方法包括回弹法、超声波法、雷达法、冲击回波法、红外成像法、超声波CT法[14-21]。另一类是初砌与围岩的粘结质量检测，较常采用取芯法、劈裂抗拉试验法、预留试件拉拔法等破损性检测方法。下面介绍几种较常使用的无损检测方法的特点。回弹法检测具有仪器简单、测试方法容易掌握、检测效率高、影响

7、因素较少且费用低廉等优点，因而特别适用于施工现场对结构混凝土的强度进行随机的、大量的检验。但该方法与混凝土内部构成、环境条件和试验条件有关，受混凝土的表面状况影响较大，例如混凝土的碳化情况、干湿状况，甚至粗骨料对表面的影响都很大[22]。另外，回弹法测量的结果离散型很大，测量范围也有限。雷达法是近年迅速发展起来的一种无损检测技术。雷达法主要是根据混凝土内部介质之间电磁性质的差异来工作的，差异越大，反射波信号越强。雷达法利用高频电磁波(主要为数十至数百乃至数千兆赫)，从混凝土表面向内部发射，当遇到电磁性质不

8、同的缺陷或钢筋时，将产生反射电磁波，接收被测物体反射的电磁波可得到波形图，通过对雷达成像图的解释和处理，可以准确确定混凝土结构及构件中钢筋的位置、保护层的厚度以及孔洞、酥松层、裂缝等缺陷位置。它的优点是探测效率高，对探测场地和目标无破坏性，有较高的分辨率和抗干扰性。雷达法和电磁法一样，其控制精度受钢筋相互间的干扰，保护层越厚，间距越小，影响越大[23]。第二章层状不均匀介质中弹性波传播特性研究不均匀介质层的横波速度Vs、密度ρ