一种用于岛礁机场跑道地基的全生命周期测试系统

本发明涉及地球物理及工程地质工程，尤其涉及一种用于岛礁机场跑道地基的全生命周期测试系统。该系统不仅可以在完成地基加固初始时对加固区缺陷的探测成像，并就其加固效果进行评估后给出通行能力的评价，还能在交付后对其强度劣化、内部裂纹拓展、通行能力的衰减进行连续监测后进行实时评估。

背景技术：

1、随着岛礁机场建设的蓬勃发展，飞机传递给地基的循环荷载呈现重载化和高速化趋势。相较于常规的路面交通荷载，飞机荷载还包括起飞前的加速、降落时的冲击及制动荷载，具有更加复杂的外部荷载形式，这将加剧机场跑道基层的变形累积与服役性能劣化，而传统预测方法难以准确反映和预测机场跑道地基的实际情况，无法实时判断路基状态，从而严重影响飞机运行和人民生命财产的安全，因此对机场跑道地基进行全过程、全生命周期的监测是十分迫切而重要的。

2、现有检测手段中最常用的方法为跨孔地震波ct技术及电阻率法ct技术。跨孔地震ct技术可以实现对工区地层结构精确成像并进行划分，准确的判断出被测构件内缺陷，其除了能够维持较高准确度外还能够兼顾经济性，但该方法对仪器和对场地的要求比较高，无法进行连续的地基加固体状态的监测；电阻率法ct技术同样基于反演的方法，构建视电阻率分布与实际电阻率分布的关系，实现缺陷及不良地质的成像，但其同样无法进行连续的地基加固体状态的监测，且对地下水位较高的地层成像效果差。

3、针对上述背景，现有技术多聚焦于提升跨孔法检测质量及设备的制作，而鲜有关注到连续监测的重要性。故现有监测手段仅能对某一时刻下的地基状态进行评估，无法实时的跑道地基的状态获取。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于岛礁机场跑道地基的全生命周期测试系统，以解决现有监测手段无法对路基等隐蔽工程的全生命周期的实时监测和通行能力的评估。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种用于岛礁机场跑道地基的全生命周期测试系统，包括：外接式可移动电源模块、上位机和下位机，上位机，由控制模块、信号激发与接收模块组成；下位机由数据处理及预警模块组成，外接式可移动电源模块为各个模块提供电源；

4、所述控制模块包括高精度地震仪，所述高精度地震仪连接所述信号激发与接收模块，所述高精度地震仪通过电伺服控制所述信号激发与接收模块产生激发信号。

5、所述信号激发与接收模块由自传感压电土工电缆spgc、集成在spgc上的阵列式地震波激发单元和地震波接受单元、以及数据传输电缆和有线信号传输电缆组成，所述地震波激发单元和地震波接受单元位于相同深度处；所述spgc采用可更换式内置电源，spgc埋设于岛礁机场跑道地基内，用于在地基产生沉降变形时生成压电信号；集成在spgc前端的阵列式地震波激发单元用于产生地震波信号并沿地层传递，集成在spgc后端的地震波接受单元用于接收并记录介质传递波速信息；所述有线信号传输电缆连接所有spgc，与spgc前端连接的数据传输电缆用于将控制模块发出的信号传输给地震波激发单元，与spgc后端连接的有线信号传输电缆用于将地震波接受单元产生的数据传输到数据处理及预警模块。

6、所述数据处理及预警模块连接信号激发与接收模块，通过所述有线信号传输电缆读取所述地震波接受单元的存储数据后，对机场跑道地基的修复缺陷、修复程度及通行能力进行分析和评估，当交通荷载超出安全通行能力或地基出现较大变形时发出预警。所述数据处理及预警模块，包括阻抗分析仪、波速测试仪以及鸣笛式报警装置。阻抗分析仪用于分析复变电阻随测试的变化；波速测试仪用于记录和分析地层中传播的地震波变化；鸣笛式报警装置用于在阻抗分析仪及波速测试仪所记录数据超出设定阈值时发出警报。

7、上述技术方案中，进一步地，所述控制模块还包括电火花震源控制器，所述电火花震源控制器包括主控制箱和辅助控制箱，所述主控制箱包括高压变压器和高压电容器，具有储能和放电保护功能，保证电容器在待机时电压为零；所述辅助控制箱只有高压电容器，具有储能作用。

8、进一步地，所述spgc管线采用预埋的监测方式，所述spgc与数据处理及预警模块连接，用于产生压电信号；所述spgc压电电缆主体自内而外依次由正极导电芯、聚偏二氟乙烯(pvdf)压电薄膜，负极铜网及pe护套组成；所述spgc的正极导电芯及负极铜网使管线形成闭合回路；所述pvdf压电薄膜为采用薄膜成型及恒温退火工艺所制造30μm薄膜；所述pvdf压电薄膜根据压电效应和阻抗应变效应，产生与被测部件变形相应的变化信号；所述pe护套用于防止化学腐蚀和机械损伤；所述pvdf与正极导电芯及负极铜网包覆形成同轴线材。

9、进一步地，在机场跑道道面预埋圆筒；所述数据处理及预警模块中地震波激发单元、地震波接受单元均通过预埋的有线信号传输电缆和数据传输电缆进行数据传输，并连接至路面预埋圆筒内，地震波激发单元侧的预埋圆筒内设置相应接口以连接控制模块，地震波接收单元侧的预埋圆筒内设置相应接口以连接数据处理及预警模块；

10、进一步地，所述的地震波激发单元包括电火花震源触发器以及触发线。电火花震源触发器与触发线直接相连，依次在预埋位置激励完成炮震。

11、进一步地，所述地震波接受单元具体为压电陶瓷检波器，所述压电陶瓷检波器集成在spgc电缆末端，有线信号传输电缆与压电陶瓷检波器相连，用于接收地震波激发单元所产生的剪切波在穿越地基后的演变信号。所述地震波接受单元的布设采用跨孔的方式。

12、进一步地，所述集成在spgc一端的地震波激发单元具有限位功能，通过在spgc电缆上侧向外平行延伸出限位板来避免电火花激励造成土体松动而产生测试误差，从而可避免造成spgc的误处理。

13、进一步地，所述压电陶瓷检波器由外壳、设于外壳内的电检波机芯和检波器控制线路板组成；所述电检波机芯固定在外壳内；所述检波器控制线路板固定在电检波机芯上方，通过固定螺孔将其固定在外壳内侧；外壳包覆在外，防止外部杂质损伤构件。

14、进一步地，所述电火花震源触发器与压电陶瓷检波器外壳体均胶装防渗密封圈，避免底部土石的飞溅，以保护设备的使用寿命。

15、本发明的发明原理为：

16、已有的连续检测手段，如基于聚偏二氟乙烯(pvdf)的压电薄膜，无法直接与现有跨孔法技术拼接使用，其原因在于简单的结合会导致剪切波在地层中传递时产生干扰的压电信号，从而造成数据产生较大误差。

17、针对这一不足，本发明创造性地将地震波收、发装置集成在自传感压电土工电缆(spgc)缆线上，通过预制检测孔、设置限位板及预压实spgc缆线等方法有效消除了地震波对压电薄膜的影响，提出了一种用于岛礁机场跑道地基的全生命周期测试系统，实现了对机场跑道地基等隐蔽工程的实时检测与监测，解决了传统方法只能完成短期状态下的监测的问题，以及在上部结构完成后难以开展地基等隐蔽工程质量评价的问题。

18、本发明具有以下优点：

19、本发明集成了跨孔法地震波探测技术及spgc技术的优点，能够在满足既有跨孔法高精度检测的同时，能够对机场跑道地基进行全时监测，有效解决了传统方法无法连续监测，以及上部结构完成后难以开展原位检测的问题，实现了对跑道路基等隐蔽工程的全生命周期实时监测和状态评估，同时其方法操作简单、实用，具有良好的经济效益和社会效益。