楊永奇， 惠 冰， 付建村

(1.山東高速股份有限公司， 山東 淄博 255086； 2.山東省交通科學研究院， 山東 濟南 250104)

0 引言

由鋼質護欄立柱與波形梁護欄板構成的安全防護體系，在保障公路安全方面起到重要作用。目前對于立柱埋深檢測主要有人工拔出法和無損檢測法，其中無損檢測主要采用沖擊彈性波法。然而養(yǎng)護期高速公路的護欄立柱具有時變性、隱蔽性、不確定性等多重特點，嚴重影響地下部分立柱埋深的無損檢測精度。國內外相關學者對于護欄立柱埋深無損檢測進行了大量的理論研究與現(xiàn)場應用[1-4]。交通部公路科學研究院與四川升拓檢測技術有限責任公司組成聯(lián)合課題組，共同研發(fā)了專用護欄立柱埋深檢測儀，并出版了國家規(guī)范[5]。本文結合某高速公路養(yǎng)護期護欄改造工程，對影響精度控制因素進行分析，分別從波速校正和反射波準確判識兩個變量出發(fā)，以提高立柱埋深無損檢測精度為目的，基于單一變量原理，研究年久公路護欄立柱埋深的無損檢測精度控制。

1 年久公路護欄立柱特點與精度控制標準

某高速公路已通車15 a以上，期間多次進行大中修養(yǎng)護，立柱與周邊土體介質發(fā)生密實性變化，需對立柱埋深質量進行檢測與評估。通過大量現(xiàn)場試驗及對立柱發(fā)生的物理、化學變化分析，得出年久護欄立柱具有特點如下： ①立柱金屬材質發(fā)生變化；②立柱與周邊土體擠密耦合性好；③立柱更換頻繁，施工質量難以保證。

規(guī)范[5]對測量精確度有明確規(guī)定：①在鋼質護欄立柱的彈性波波速經過事先標定的前提下，檢測儀對未埋入地下的護欄立柱長度測試時，平均測量誤差優(yōu)于±1%或不大于±2 cm；②在鋼質護欄立柱的彈性波波速經過事先標定的前提下，檢測儀對已埋入地下的護欄立柱埋深測試時，平均測量誤差優(yōu)于±4%或不大于±8 cm。

2 立柱埋深無損檢測精度控制因素分析

2.1 立柱埋深無損檢測原理

目前立柱埋深無損檢測主要采用沖擊彈性波法，該方法主要采用激振方式，在柱頂發(fā)生機械波，機械波沿著立柱本身介質向下傳播，傳播到柱底發(fā)生反射、散射和透射。當反射波逆向傳播到達樁頂后，由傳感器接收并計算出傳播時間，最終可獲知立柱總體長度，總體長度減去地面長度即得出立柱埋深，將設計要求與技術規(guī)范對比，得出立柱埋深質量結論。

利用傳感器接收到的反射信號，根據傳播時間，按式(1)即可計算出立柱總體長度和埋深。

L=Ls+V·(TR-Ts)/2

(1)

式中：L為立柱長度，m；Ls為傳感器與立柱頂部間距離，m；TR為反射波到達時刻，s；Ts為發(fā)振波到達時刻，s；V為立柱中彈性波波速，m/s。

2.2 立柱埋深無損檢測精度控制分析

無損檢測精度控制主要包括控制誤差和客觀條件兩種。

誤差主要分系統(tǒng)誤差、偶然誤差和人為誤差。

1) 系統(tǒng)誤差：立柱埋深測試中，激振的剩余信號能量、與周邊土體介質接觸的立柱底部反射波形、立柱外露部分受環(huán)境干擾信號的相互疊加導致反射信號難以對樁底辨識，進而引發(fā)系統(tǒng)誤差。

2) 隨機誤差：現(xiàn)場試驗過程中，激振工具、擊打柱頂微小變化導致的激振信號變化、周邊環(huán)境變化等都會產生隨機誤差。

3) 人為誤差：作為主觀因素，人為誤差主要體現(xiàn)在知識水平和操作熟練程度上，也包括采集信號的初期辨識能力等因素直接導致的人為誤差。

客觀條件主要包括波速校正和反射波準確判識兩個控制因素，由公式可知:

Lh=V·T

(2)

其中：Lh為立柱埋深；V為波速；T為傳播時間，T=(TR-TS)/2，TR為反射波到達時刻，TS為發(fā)振波到達時刻。

根據以上公式分析:

Lh=(V±V精)·(T±T精)

(3)

由于V精·T精≈0，故式(4)可轉化為：

Lh=V·T±V·T精±V精·T

(4)

式中：V精為波速控制精度；T精為傳播時間控制精度。

由以上分析可知，立柱埋深無損檢測精度控制因素主要為波速控制和傳播時間。

3 年久公路護欄立柱埋深無損檢測精度控制研究

依托某高速公路護欄改造工程，針對新打入立柱和年久立柱分別開展無損檢測試驗，并就立柱埋深精度控制對比分析。以波速校正和反射波準確判識為兩個控制因素，提高年久公路護欄立柱埋深無損檢測精度。

3.1 新打入立柱

對于新打入立柱埋深，因存在時間較短，與周圍土體接觸密實性較低，處于未完全耦合狀態(tài)。當沖擊彈性波通過立柱傳至柱底與土體界面處，彈性波向周圍土體逸散特性較弱，故傳感器接收到立柱反射波較明顯，易達到控制立柱埋深無損檢測精度要求。

采用自動激振裝置，通過調整脈沖時間來影響測試波形。一般而言，較長的脈沖時間有利于獲得更好的測試波形；同時也可依據改變激振裝置的擊打能量使傳出的彈性波獲得更好的測試波形。對于自動激振裝置采用P1～P6共6個檔位，隨著檔位增加，彈性波能量呈現(xiàn)增大趨勢。

選取10根新打入護欄立柱開展現(xiàn)場試驗，其波形分析見圖1。在立柱底端存在明顯反射信號，易于辨識。同時將測試深度與設計深度進行對比分析，繪制不同擊打能量下新打入立柱埋深精度變化曲線(見圖2)。

圖1 新打入護欄立柱埋深波形圖

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著彈性波能量增大，立柱埋深測量誤差呈現(xiàn)降低趨勢。且在P1、P2擊打檔位時，存在少量新打入立柱埋深不能滿足精度要求現(xiàn)象。由于P1、P2擊打能量激發(fā)出的彈性波在柱底反射不明顯或提前反射，導致傳播時間減小，進而計算出的立柱埋深較小，最終導致與設計深度誤差較大。在P3～P6擊打能級時，新打入立柱埋深精度控制在測量誤差之內，完全滿足要求。故新打入立柱埋深無損檢測精度控制應將擊打檔位控制在P3檔以上，即可滿足要求。

圖2 不同擊打能量下10根新打入護欄立柱埋深精度變化曲線

3.2 年久公路護欄立柱

某高速公路護欄改造工程，立柱尺寸為：Φ114×4.5 mm，原立柱總長度為1.97 m，立柱埋深為1.25 m。針對年久公路立柱埋深無損檢測精度控制問題，采用3種試驗方案(見表1)。

表1 試驗方案試驗方案試驗參數立柱狀態(tài) 試驗數量/根備注1P3、P4、P5、P6埋入土體52P5拔出立柱5校準波速3P5 3條測線埋入土體5

現(xiàn)場采集數的試驗方案1立柱傳播時間統(tǒng)計數據見表2：

由表2可知，對于年久護欄立柱埋深無損檢測精度，擊打能級越大，彈性波傳播時間越長，反射信號越明顯，柱底反射信號越容易辨識。主要由于擊打能級大時，向周邊土體透射能量要小于反射能量，反射波更易傳播到樁端，逸散特性較小。反之，擊打能級小時，向周邊土體透射能量大于反射能量，反射波不易傳播到樁端，逸散特性較大。

采用P5擊打能級，現(xiàn)場拔出5根立柱后進行試驗，并進行誤差計算(見表3、表4)。

表3 試驗方案2拔出立柱長度m擊打能級立柱1立柱2立柱3立柱4立柱5P51.961.971.971.961.97

表4 試驗方案2拔出立柱精度立柱P5T/ms測試長度/m精度/m立柱11.960.7342.10 0.13立柱21.970.7242.08 0.11立柱31.970.7242.08 0.11立柱4 1.960.7242.08 0.11立柱51.970.7842.23 0.26 注:精度=檢測長度-拔出立柱長度,檢測長度按立柱彈性波波速為5 180 m/s計算。

由表3、4可知，對于年久公路護欄立柱埋深無損檢測，彈性波波速直接影響測試精度，需要對年久公路立柱彈性波波速進行修正。

經分析年久護欄立柱特點及數據計算可知，需要對立柱彈性波波速進行修正。

由公式可知:

(5)

V修=μV

(6)

式中：V為立柱原始彈性波波速，5.18 km /s；ΔT為彈性波在立柱介質傳播時間，s；μ為修正因子；V修為修正后立柱彈性波波速，km/s。

依據式(5)、式(6)可知，

(7)

該高速護欄立柱專項大中修項目，需對其近64 km立柱進行更換，前期對養(yǎng)護中的護欄立柱質量進行檢測與評估，為業(yè)主和設計提供依據。現(xiàn)場采用1根/km的頻率進行數據采集(見圖3)，并對年久護欄立柱開展波速修正和傳播時間辨識等研究。

圖3 現(xiàn)場采集數據

依據拔出實際立柱埋深進行彈性波波速校正，引入修正因子對其數據進行分析，最后得出年久立柱埋深。

現(xiàn)場選取3根立柱測量結果進行分析，并計算出彈性波波速值，其中立柱原始彈性波波速為5.18 km/s，引入修正因子，對其波速進行校正(見表5)。

由表5可知，無損檢測計算立柱埋深與拔出法測量實際立柱埋深有較大誤差，不能滿足立柱埋深精度控制要求。主要是由于立柱埋入土體時間較長，與土體密實性發(fā)生顯著變化。故采用原始彈性波波速計算立柱埋深時會產生誤判、錯判問題，需要進行彈性波波速修正。本工程平均修正因子μ=1.20，采用式(7)對方案2的波速進行修正,具體計算結果見表6、表7。

表5 立柱彈性波波速校正立柱位置設計立柱深度/m無損檢測計算試立柱深度/m拔出法測量實際立柱深度/m計算彈性波波速/(km·s-1)修正因子K24+400右幅21.671.984.431.17K24+320左幅21.8742.004.281.21K51+156左幅中央1.851.6991.864.211.23

表6 試驗方案2彈性波波速修正后立柱長度立柱P5T/ms檢測長度/m精度/m11.960.7341.96 -0.01 21.970.7241.94 -0.03 31.970.7241.94 -0.03 4 1.960.7241.94 -0.03 51.970.7842.08 0.11 注:精度=檢測長度-拔出立柱長度,檢測長度按照修正后立柱彈性波波速為4 800 m/s計算。

表7 試驗方案2年久公路立柱彈性波波速立柱長度年久公路立柱彈性波波速/(m·s-1)損失率/%14 61011.024 66210.034 6729.844 6829.654 61011.0

由表6可知，采用修正后的彈性波波速進行計算，誤差大大降低，且能夠滿足精度控制要求。由表7可知，年久公路立柱彈性波波速均呈現(xiàn)降低趨勢，立柱彈性波波速會損失10%左右，反射波逸散特性明顯。

為了進一步提高年久公路立柱埋深無損檢測精度，對各測試立柱采用3條測線，并對每條測線測試信號進行優(yōu)化解譯，去除影響較大的雜波(見表8)。

表8 試驗方案3測試立柱3條測線信號傳播時間分析立柱P5測線1/ms測線2/ms測線3/ms11.960.7340.5320.73621.970.7240.7320.84331.970.7240.7220.7304 1.960.7240.7310.72251.970.7840.7730.563

由表8可知，立柱1～3存在測線傳播時間差異性較大問題。每條測線傳播時間與平均值相差應不超過10%，否則應作為離散性較大傳播時間去除，以免造成立柱長度的誤判、錯判現(xiàn)象。同時可得出年久公路立柱埋深無損檢測應將擊打能級控制在P5檔以上,即可滿足精度控制要求。

4 結論

1) 依據現(xiàn)場大量年久立柱材質、腐蝕狀況、變形情況，分析了年久公路護欄立柱特點，得出年久公路護欄立柱埋深無損檢測精度控制因素主要有

波速控制和傳播時間兩個方面。

2) 新打入立柱埋深無損檢測精度控制結果表明，隨著彈性波能量增大，立柱埋深測量誤差呈現(xiàn)降低趨勢。擊打能量低時，激發(fā)出的彈性波在柱底反射不明顯或提前反射，導致傳播時間減短，進而計算出的立柱埋深較小，最終導致與設計深度誤差較大。高擊打能量時，新打入立柱埋深精度控制在測量誤差之內，完全滿足要求。

3) 立柱與土體的接觸時間在15 a左右時，立柱彈性波波速會損失10%左右，且彈性波衰減較快；反射波逸散特性明顯。引入修正因子開展波速校準，結合優(yōu)化測線方位能準確辨識反射波。該研究成果可應用于類似試驗檢測項目。