摘要 立柱埋深是影響護(hù)欄抗沖擊能力的重要指標(biāo)，目前，沖擊彈性波無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)5年以上運(yùn)營(yíng)公路檢測(cè)準(zhǔn)確率一直不能穩(wěn)定滿足現(xiàn)行有效的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，為了提高沖擊彈性波在運(yùn)營(yíng)高速公路立柱埋深檢測(cè)的準(zhǔn)確率，文章通過優(yōu)化設(shè)備、人員技術(shù)、環(huán)境工況調(diào)查等方面來進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊彈性波對(duì)立柱埋深的檢測(cè)關(guān)鍵在于工況調(diào)查分析、數(shù)據(jù)采集手法、圖形分析經(jīng)驗(yàn)、傳感器與擊振錘的交叉匹配度進(jìn)行綜合研判，來提升檢測(cè)準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞 運(yùn)營(yíng)高速；立柱埋深；沖擊彈性波；檢測(cè)技術(shù)提升

中圖分類號(hào) U491.59 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）07-0142-03

0 引言

隨著交通事業(yè)的不斷發(fā)展，運(yùn)營(yíng)高速里程逐年增加，交通安全隱患也不斷浮現(xiàn)，從而導(dǎo)致交通安全事故后果被放大，波形梁護(hù)欄立柱作為交通安全保障中極為重要的抗沖擊支撐結(jié)構(gòu)[1-2]，它的埋入深度和質(zhì)量對(duì)交通事故后果的嚴(yán)重性具有重要影響。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn)，多次實(shí)踐驗(yàn)證，“立柱埋入深度彈性波無損檢測(cè)技術(shù)”對(duì)新建項(xiàng)目高速有著很好的檢測(cè)精度和效果，但針對(duì)5年以上運(yùn)營(yíng)高速公路不能滿足現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)精度偏差。因此，研究和掌握5年以上復(fù)雜地質(zhì)工況和材質(zhì)變化的運(yùn)營(yíng)高速立柱埋置深度無損檢測(cè)技術(shù)尤為重要，對(duì)交通安全運(yùn)營(yíng)管理具有重要意義。

1 研究?jī)?nèi)容

該文主要研究利用彈性波反射信號(hào)進(jìn)行鋼制護(hù)欄立柱埋置深度無損檢測(cè)方法，在不同的地質(zhì)工況條件下、不同運(yùn)營(yíng)周期條件下及不同材質(zhì)時(shí)，探討該方法的理論可行性以及進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)，分析其檢測(cè)精度是否滿足工程檢測(cè)需要。

主要研究?jī)?nèi)容有以下幾點(diǎn)：

（1）新建高速與5年以上運(yùn)營(yíng)高速的立柱安裝情況調(diào)查研究。

（2）研究彈性波理論和反射特性。

（3）立柱中振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域與頻域分析。

（4）開展彈性波反射信號(hào)在金屬立柱中傳播特性的理論和試驗(yàn)研究[3]。

（5）彈性波頻率、速度等對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響的研究。

（6）不同地質(zhì)工況對(duì)反射信號(hào)的影響。

（7）擊振錘的匹配性。

（8）敲擊手法。

（9）分析與結(jié)論。

2 試驗(yàn)方法

準(zhǔn)確率驗(yàn)證：先進(jìn)行沖擊彈性波無損檢測(cè)；再使用拔樁機(jī)將其拔出進(jìn)行尺量，作為真實(shí)值；將沖擊彈性波檢測(cè)結(jié)果與尺量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)計(jì)算偏差。

（1）拔樁法：拔樁法可同時(shí)進(jìn)行立柱埋深檢測(cè)和完整性檢測(cè)，為目前施工過程檢測(cè)的常用方法，結(jié)果準(zhǔn)確、直觀。立柱埋深質(zhì)量出現(xiàn)爭(zhēng)議時(shí)，該方法可作為質(zhì)量鑒定方法。但人工抽檢，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測(cè)效率低，有二次埋深問題，很難形成有效的監(jiān)督檢測(cè)。

（2）沖擊彈性波無損檢測(cè)法：基于沖擊彈性波的立柱埋深測(cè)試的基本原理與基樁的完整性檢測(cè)基本相同，即利用彈性波的反射特性，根據(jù)標(biāo)定所得的彈性波波速，并通過立柱底部的反射時(shí)刻，推算立柱的長(zhǎng)度及埋深[3]?？稍诟鞣N復(fù)雜工況下展開檢測(cè)工作，系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、采集頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、采集精度高等特點(diǎn)，能確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。該產(chǎn)品適用于埋入立柱（素土中、混凝土、碎石、宕渣等）的埋置深度檢測(cè)，不受車流震動(dòng)、風(fēng)噪、環(huán)境靜電、高壓線纜等復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)條件影響。

3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）收集工程項(xiàng)目概況、地質(zhì)條件、護(hù)欄設(shè)置類型等。

（2）收集工程項(xiàng)目的護(hù)欄立柱設(shè)計(jì)布置圖、施工工藝、施工記錄、里程樁號(hào)等。

（3）應(yīng)對(duì)檢測(cè)儀器設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

（4）檢測(cè)前應(yīng)清除護(hù)欄立柱測(cè)試面雜質(zhì)，分離待檢護(hù)欄立柱蓋帽。

（5）對(duì)被測(cè)護(hù)欄立柱的外露長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量記錄。

（6）在不明確立柱波速前提下，可采用默認(rèn) 5 180 m/s

進(jìn)行計(jì)算，提高測(cè)試精度。在有條件的前提下，可對(duì)同一材質(zhì)的立柱進(jìn)行波速確認(rèn)，一般護(hù)欄立柱波速參考范圍5 100～5 180 m/s，可根據(jù)材料差異進(jìn)行微調(diào)波速。在不明確立柱波速前提下，可采用默認(rèn)5 180 m/s進(jìn)行計(jì)算。

4 試驗(yàn)

該次檢測(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)先由3個(gè)檢測(cè)小組各持1臺(tái)不同廠家型號(hào)的檢測(cè)設(shè)備，在未進(jìn)行各方面優(yōu)化調(diào)試的情況下分別測(cè)試A高速10根立柱和B高速10根立柱，再由3個(gè)檢測(cè)小組按照研究?jī)?nèi)容進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化、方法優(yōu)化、設(shè)備優(yōu)化、檢測(cè)環(huán)境工況考察等多方面進(jìn)行輔助檢測(cè)，對(duì)運(yùn)營(yíng)C高速10根立柱進(jìn)行第二次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在總長(zhǎng)度小于2 000 mm時(shí)，絕對(duì)示值誤差為±80 mm；總長(zhǎng)度大于2 000 mm時(shí)，相對(duì)示值誤差為4%[4]。該次試驗(yàn)立柱長(zhǎng)度均在2 000 mm以下。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，對(duì)于新建項(xiàng)目A高速的立柱埋深檢測(cè)，沖擊彈性波無損檢測(cè)更準(zhǔn)確，3組準(zhǔn)確率均能夠達(dá)到100%，整體偏差在0～3 cm之間，其中有個(gè)別異常點(diǎn)偏差在8 cm左右。

對(duì)于建設(shè)年限較長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)路段B高速檢測(cè)，偏差較大，3組準(zhǔn)確率均在20%以下，經(jīng)分析可能存在以下幾個(gè)因素：

（1）立柱金屬材質(zhì)老化：路段建設(shè)年限超過20年，立柱本身金屬材質(zhì)發(fā)生了較大變化，金屬密度均勻性不穩(wěn)定（金屬密度影響聲波速度）、管體有銹蝕現(xiàn)象。

（2）立柱埋置環(huán)境：立柱底部與混凝土固結(jié)形成整體，再上覆土壤，可能產(chǎn)生誤差。

（3）年限較老路段驗(yàn)證不足：對(duì)5年之前運(yùn)營(yíng)高速因立柱材質(zhì)不同帶來的數(shù)據(jù)影響，驗(yàn)證不足。

第二次試驗(yàn)，C高速檢測(cè)主要從方法、設(shè)備、手法等多方面，對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)于建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)高速準(zhǔn)確率從20%提升至90%以上，偏差在0～8 cm之間。C高速主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：

（1）增加數(shù)據(jù)采集量，搜集適宜的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以滿足無損檢測(cè)方式在運(yùn)營(yíng)路段的適應(yīng)性。

（2）通過波形識(shí)別鋼管底部是否包裹混凝土，采用低頻振動(dòng)的方式敲擊，并結(jié)合高頻震動(dòng)，準(zhǔn)確識(shí)別鋼管立柱底部反射回波，區(qū)分并規(guī)避混凝土底部回波。

（3）加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析，提高波形圖的識(shí)別能力，通過同一立柱多個(gè)數(shù)據(jù)波形的對(duì)比分析后，再給出最終的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。

（4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼管立柱的材質(zhì)、涂層工藝、建成年限等參考因素，按經(jīng)驗(yàn)值給出合理的彈性波波速數(shù)據(jù)，標(biāo)定設(shè)備并開展檢測(cè)。

（5）結(jié)合雙通道檢測(cè)設(shè)備、仔細(xì)標(biāo)定不同工況的多根立柱，分析數(shù)據(jù)后選定標(biāo)準(zhǔn)立柱，自校設(shè)備后開展檢測(cè)。

（6）新的方案中更多考慮不同的工況，對(duì)鋼管立柱底部包裹混凝土的工況、鋼管立柱打入無混凝土的土路肩的工況等進(jìn)行檢測(cè)、驗(yàn)證、數(shù)據(jù)分析。

6 試驗(yàn)成果

根據(jù)該次試驗(yàn)研究，針對(duì)建設(shè)年限較長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)高速立柱埋深檢測(cè)的準(zhǔn)確率大幅提升，掌握了沖擊彈性波無損檢測(cè)技術(shù)，并得出了以下幾個(gè)方面的檢測(cè)技術(shù)成果：

6.1 傳感器及激振錘選取

護(hù)欄立柱分為打入式和埋入式兩種[5]，打入式在護(hù)欄立柱端面有擊打痕跡，埋入式則立柱端面完好。測(cè)試前可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)立柱端面狀況初步判斷，有利于信號(hào)分析，避免信號(hào)誤判。打入式護(hù)欄立柱、埋入式護(hù)欄立柱都可進(jìn)行傳感器和激振錘的選取，如表2～3所示。

6.2 傳感器安裝

（1）接收傳感器應(yīng)安裝在立柱端面，安裝時(shí)應(yīng)采用適量橡皮泥進(jìn)行耦合，敲擊點(diǎn)距離傳感器3 cm間距為宜。

（2）傳感器應(yīng)用手輕按，測(cè)試時(shí)不得晃動(dòng)。

（3）接收傳感器布置應(yīng)避開螺栓孔等立柱存在缺陷的部位。

6.3 激振方式

（1）立柱的激振點(diǎn)宜選擇在管壁中心位置。

（2）激振力度盡可能小，信號(hào)最大電壓控制在10 V范圍內(nèi)。

（3）對(duì)于信號(hào)特征不明確的立柱可選用多種激振方式和傳感器組合方式進(jìn)行校核，直至信號(hào)特征利于辨識(shí)。

（4）激振時(shí)盡量選擇較輕的力度，較大的激振力度易引起“立柱系”的波動(dòng)和敲擊噪聲，較輕的力度有利于解決這一問題，獲取品質(zhì)較好的波形。

6.4 信號(hào)選取

（1）選弱不選強(qiáng)，一般情況下立柱自身反射信號(hào)微弱，很難形成較強(qiáng)的反射信號(hào)特征，在信號(hào)選取時(shí)應(yīng)注意。

（2）找周期，一般情況下立柱測(cè)試信號(hào)會(huì)形成一個(gè)頻帶變化的周期和一個(gè)較為明顯的阻滯衰減帶，根據(jù)這一原則在其附近尋找立柱特征點(diǎn)信號(hào)。

（3）選同向（相位），立柱模量相對(duì)其周圍材料較高，一般立柱底部會(huì)形成同相位的反射信號(hào)。

（4）選起點(diǎn)，一般情況下首波較弱時(shí)，其信號(hào)由于衰減原因很難在回波中復(fù)現(xiàn)，此時(shí)應(yīng)選擇第二個(gè)波峰作為時(shí)刻起點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，如果首波起振良好可直接選擇第一波峰。

（5）找突變，一般情況下立柱反射信號(hào)隱藏于信號(hào)時(shí)程中，會(huì)在波形中形成一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（非平滑粒子波動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)）或形成一個(gè)疊加特征。

在信號(hào)選取時(shí)應(yīng)盡量滿足以上5個(gè)特征，同時(shí)具備以上5個(gè)特征時(shí)，檢測(cè)結(jié)果可信度會(huì)極大增加，檢測(cè)結(jié)果也更接近真值。

6.5 信號(hào)選取圖形分析

6.5.1 埋入式護(hù)欄立柱

（1）立柱底部被混凝土包裹。該類型護(hù)欄立柱，立柱底部反射信號(hào)與混凝土信號(hào)混在一起，立柱反射信號(hào)需在混凝土底端反射信號(hào)之前進(jìn)行選取。如圖1（a）所示。

（2）立柱底部與混凝土底面基本齊平。該類型護(hù)欄立柱，立柱底部反射信號(hào)與混凝土反射信號(hào)相隔較近，立柱反射信號(hào)需在靠近混凝土底端反射信號(hào)進(jìn)行選取。如圖1（b）所示。

（3）立柱中部被混凝土包裹。該類型護(hù)欄立柱，立柱底部反射信號(hào)在混凝土反射信號(hào)之后，立柱反射信號(hào)需在混凝土底端反射信號(hào)之后進(jìn)行選取。如圖1（c）所示。

6.5.2 打入式護(hù)欄立柱

打入式護(hù)欄立柱無混凝土信號(hào)干擾，直接在波形圖中選取反射位置即可。如圖1（d）所示。

7 結(jié)論

該次沖擊彈性波應(yīng)用研究通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證得出沖擊彈性波屬于綜合性研判，不可完全依賴儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、圖形識(shí)別等功能，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況來選擇不同的傳感器、擊振錘，采用不同的研判手段，對(duì)圖形應(yīng)具有大量識(shí)別經(jīng)驗(yàn)。實(shí)際檢測(cè)工作中，應(yīng)了解設(shè)計(jì)，調(diào)查地質(zhì)工況，對(duì)立柱管體的金屬材質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)污染情況進(jìn)行分析，選取合適的擊振錘，保持穩(wěn)定的敲擊手法，從而提高測(cè)量精度。

波形梁護(hù)欄是高速公路中最為重要的安全設(shè)施，立柱是護(hù)欄的主要受力支撐結(jié)構(gòu)，檢測(cè)精度不可忽視。該次應(yīng)用研究對(duì)高速公路的安裝質(zhì)量檢測(cè)以及高速公路運(yùn)營(yíng)管理具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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[5]公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則： JTG/T D81—2017[S]. 北京：人民交通出版社， 2017.