深部地下结构作为典型的隐蔽工程，其无损检测广受重视。深部地下结构的无损检测，因其用钢量大、厚度大，在浅部地下结构检测中采用的探地雷达、冲击回波法等的应用效果不佳。究其原因，在于信噪比低、探测距离不敷使用。本项目提出从岩土介质赋存地质环境与内部结构特征出发，研究岩土随机介质的超声波场，进而掌握适用于岩土随机介质超声相控阵检测的关键技术。首先，设计了真三轴加载的超声波检测装置，测得了深部岩土和混凝土试样的波速，获得了混凝土强度、应力与声波速度的关系，并与数值模拟结果进行对比分析。其次，根据混凝土的二维图像，采用FFT变换生成一个具有较高计算效率的三维初始灰度随机分布模型，再利用随机优化算法对随机扰动进行改进，以加速模拟退火算法的收敛，提出了一种新的描述两相随机介质特性的统计函数——长方体函数，实现了三维混凝土结构的随机建模重建；对于结构损伤，采用随机裂隙介质模型，根据裂隙的统计信息建立形状、大小、倾向、倾角及分布位置的概率分布特征，采用等效介质理论计算其等效模量，建立了裂隙参数与时频相关的衰减剖面的关系。在此基础上，开展岩土随机介质超声波场的数值模拟，获得了超声信号的衰减响应和波场特征，进而根据相控阵的延迟定律及多源激励技术，研发了集信号激发、接收为一体的超声相控阵检测系统，该系统为16通道，延时精度1μs，激励电压500V，频率范围1—50KHz的声波信号可以解决混凝土结构和岩土体内部缺陷的检测问题。本项目在岩土随机介质建模、超声波场分析方面取得的科学进展，具有创新性，为复杂介质中的弹性波场数值模拟研究提供了可靠的模型基础和实现方法。本课题在装备研发方面，解决了（超）声信号频段选择、传感器阵列耦合一致、超声阵列精准调距、系统延时要求、震源激励方式等关键技术难题，获得了具有自主知识产权的技术与装备，上述岩土随机介质建模方法、超声波场模拟方法和自主装备在未来的深部地下结构无损检测中具有广泛的应用前景。