伴随着城市地下电缆、管道的建设,城市地下空间逐渐减小。管道老化、破裂和人为破坏导致管道事故频发,非开挖式埋地物体检测技术进一步得到广泛地应用。目前市场上针对电缆和金属管道探测的产品较多且探测精度满足需求,而非金属管道因具有耐腐蚀、成本低等优点而逐渐替代金属管道,针对此类管道的探测技术亟待发展。分析国内现状发现,非金属管线的探测技术存在方法单一、成本较大、检测精度差等问题,影响了非金属管线探测技术的应用和发展。针对非金属管道探测的不足,结合薄壁管道结构的振动原理以及弹性波动力学,对一种基于声学的埋地管道探测方法进行理论研究,主要研究内容如下:(1)采用波动法建立埋地充液管道耦合系统的运动方程,求解低频轴对称n=0,s=1(流体波)的复波数;(2)基于耦合运动方程,将埋管周围土壤视为无限空间,推导土壤的位移表达式,讨论轴对称流体波在土壤中的辐射特性;(3)考虑土壤介质的分层特性,推导出第二层土壤的位移表达式,探讨分层介质对弹性波传播的影响;(4)采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合有限元分析软件对充液管道埋于无限大土壤以及分层土壤的两种情况,分别进行声-固耦合有限元分析,得到土壤位移的幅值和相位云图,并验证理论模型的正确性;(5)利用COMSOL建立三维的埋地管道模型,求解地面测点阵列的土壤振动,根据振动信号的幅值和相位,提出一种基于声学的埋地管线探测方法。研究结果表明,有限元仿真解和理论解吻合较好,轴对称流体波向土壤中辐射时引起剪切波和压缩波传播并产生干涉,干涉最强时在土壤位移的幅值上表现为出现局部最小值,在相位上表现为突然偏移。分层土壤使得土壤位移最强干涉的频率减小或者增大。地面振动信号的空间展开相位能够探测到地下供水管线的走向,而幅值能够探测地下管线中的激励源。建立的理论模型和仿真模型为进一步研究奠定了基础,对国内埋地管线探测领域起到了一定的积极作用。图[56]表[3]参[54]