年久公路護(hù)欄立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度控制研究

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(xué)研究院， 山東 濟(jì)南 250104)

0 引言

由鋼質(zhì)護(hù)欄立柱與波形梁護(hù)欄板構(gòu)成的安全防護(hù)體系，在保障公路安全方面起到重要作用。目前對(duì)于立柱埋深檢測(cè)主要有人工拔出法和無(wú)損檢測(cè)法，其中無(wú)損檢測(cè)主要采用沖擊彈性波法。然而養(yǎng)護(hù)期高速公路的護(hù)欄立柱具有時(shí)變性、隱蔽性、不確定性等多重特點(diǎn)，嚴(yán)重影響地下部分立柱埋深的無(wú)損檢測(cè)精度。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)于護(hù)欄立柱埋深無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行了大量的理論研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[1-4]。交通部公路科學(xué)研究院與四川升拓檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司組成聯(lián)合課題組，共同研發(fā)了專用護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)儀，并出版了國(guó)家規(guī)范[5]。本文結(jié)合某高速公路養(yǎng)護(hù)期護(hù)欄改造工程，對(duì)影響精度控制因素進(jìn)行分析，分別從波速校正和反射波準(zhǔn)確判識(shí)兩個(gè)變量出發(fā)，以提高立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度為目的，基于單一變量原理，研究年久公路護(hù)欄立柱埋深的無(wú)損檢測(cè)精度控制。

1 年久公路護(hù)欄立柱特點(diǎn)與精度控制標(biāo)準(zhǔn)

某高速公路已通車15 a以上，期間多次進(jìn)行大中修養(yǎng)護(hù)，立柱與周邊土體介質(zhì)發(fā)生密實(shí)性變化，需對(duì)立柱埋深質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估。通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及對(duì)立柱發(fā)生的物理、化學(xué)變化分析，得出年久護(hù)欄立柱具有特點(diǎn)如下： ①立柱金屬材質(zhì)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(zhì)量難以保證。

規(guī)范[5]對(duì)測(cè)量精確度有明確規(guī)定：①在鋼質(zhì)護(hù)欄立柱的彈性波波速經(jīng)過(guò)事先標(biāo)定的前提下，檢測(cè)儀對(duì)未埋入地下的護(hù)欄立柱長(zhǎng)度測(cè)試時(shí)，平均測(cè)量誤差優(yōu)于±1%或不大于±2 cm；②在鋼質(zhì)護(hù)欄立柱的彈性波波速經(jīng)過(guò)事先標(biāo)定的前提下，檢測(cè)儀對(duì)已埋入地下的護(hù)欄立柱埋深測(cè)試時(shí)，平均測(cè)量誤差優(yōu)于±4%或不大于±8 cm。

2 立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度控制因素分析

2.1 立柱埋深無(wú)損檢測(cè)原理

目前立柱埋深無(wú)損檢測(cè)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(jī)械波，機(jī)械波沿著立柱本身介質(zhì)向下傳播，傳播到柱底發(fā)生反射、散射和透射。當(dāng)反射波逆向傳播到達(dá)樁頂后，由傳感器接收并計(jì)算出傳播時(shí)間，最終可獲知立柱總體長(zhǎng)度，總體長(zhǎng)度減去地面長(zhǎng)度即得出立柱埋深，將設(shè)計(jì)要求與技術(shù)規(guī)范對(duì)比，得出立柱埋深質(zhì)量結(jié)論。

利用傳感器接收到的反射信號(hào)，根據(jù)傳播時(shí)間，按式(1)即可計(jì)算出立柱總體長(zhǎng)度和埋深。

L=Ls+V·(TR-Ts)/2

(1)

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

2.2 立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度控制分析

無(wú)損檢測(cè)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(cè)試中，激振的剩余信號(hào)能量、與周邊土體介質(zhì)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(hào)的相互疊加導(dǎo)致反射信號(hào)難以對(duì)樁底辨識(shí)，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)誤差。

2) 隨機(jī)誤差：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，激振工具、擊打柱頂微小變化導(dǎo)致的激振信號(hào)變化、周邊環(huán)境變化等都會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)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(shí)水平和操作熟練程度上，也包括采集信號(hào)的初期辨識(shí)能力等因素直接導(dǎo)致的人為誤差。

客觀條件主要包括波速校正和反射波準(zhǔn)確判識(shí)兩個(gè)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(shí)間，T=(TR-TS)/2，TR為反射波到達(dá)時(shí)刻，TS為發(fā)振波到達(dá)時(shí)刻。

根據(jù)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(zhuǎn)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(shí)間控制精度。

由以上分析可知，立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度控制因素主要為波速控制和傳播時(shí)間。

3 年久公路護(hù)欄立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度控制研究

依托某高速公路護(hù)欄改造工程，針對(duì)新打入立柱和年久立柱分別開展無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)，并就立柱埋深精度控制對(duì)比分析。以波速校正和反射波準(zhǔn)確判識(shí)為兩個(gè)控制因素，提高年久公路護(hù)欄立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度。

3.1 新打入立柱

對(duì)于新打入立柱埋深，因存在時(shí)間較短，與周圍土體接觸密實(shí)性較低，處于未完全耦合狀態(tài)。當(dāng)沖擊彈性波通過(guò)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(dá)到控制立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度要求。

采用自動(dòng)激振裝置，通過(guò)調(diào)整脈沖時(shí)間來(lái)影響測(cè)試波形。一般而言，較長(zhǎng)的脈沖時(shí)間有利于獲得更好的測(cè)試波形；同時(shí)也可依據(jù)改變激振裝置的擊打能量使傳出的彈性波獲得更好的測(cè)試波形。對(duì)于自動(dòng)激振裝置采用P1～P6共6個(gè)檔位，隨著檔位增加，彈性波能量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

選取10根新打入護(hù)欄立柱開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其波形分析見圖1。在立柱底端存在明顯反射信號(hào)，易于辨識(shí)。同時(shí)將測(cè)試深度與設(shè)計(jì)深度進(jìn)行對(duì)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(hù)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(cè)量誤差呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。且在P1、P2擊打檔位時(shí)，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(dǎo)致傳播時(shí)間減小，進(jìn)而計(jì)算出的立柱埋深較小，最終導(dǎo)致與設(shè)計(jì)深度誤差較大。在P3～P6擊打能級(jí)時(shí)，新打入立柱埋深精度控制在測(cè)量誤差之內(nèi)，完全滿足要求。故新打入立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度控制應(yīng)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(hù)欄立柱埋深精度變化曲線

3.2 年久公路護(hù)欄立柱

某高速公路護(hù)欄改造工程，立柱尺寸為：Φ114×4.5 mm，原立柱總長(zhǎng)度為1.97 m，立柱埋深為1.25 m。針對(duì)年久公路立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度控制問(wèn)題，采用3種試驗(yàn)方案(見表1)。

表1 試驗(yàn)方案試驗(yàn)方案試驗(yàn)參數(shù)立柱狀態(tài) 試驗(yàn)數(shù)量/根備注1P3、P4、P5、P6埋入土體52P5拔出立柱5校準(zhǔn)波速3P5 3條測(cè)線埋入土體5

現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)的試驗(yàn)方案1立柱傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2：

由表2可知，對(duì)于年久護(hù)欄立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度，擊打能級(jí)越大，彈性波傳播時(shí)間越長(zhǎng)，反射信號(hào)越明顯，柱底反射信號(hào)越容易辨識(shí)。主要由于擊打能級(jí)大時(shí)，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(jí)小時(shí)，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(jí)，現(xiàn)場(chǎng)拔出5根立柱后進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)行誤差計(jì)算(見表3、表4)。

表3 試驗(yàn)方案2拔出立柱長(zhǎng)度m擊打能級(jí)立柱1立柱2立柱3立柱4立柱5P51.961.971.971.961.97

表4 試驗(yàn)方案2拔出立柱精度立柱P5T/ms測(cè)試長(zhǎng)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(cè)長(zhǎng)度-拔出立柱長(zhǎng)度,檢測(cè)長(zhǎng)度按立柱彈性波波速為5 180 m/s計(jì)算。

由表3、4可知，對(duì)于年久公路護(hù)欄立柱埋深無(wú)損檢測(cè)，彈性波波速直接影響測(cè)試精度，需要對(duì)年久公路立柱彈性波波速進(jìn)行修正。

經(jīng)分析年久護(hù)欄立柱特點(diǎn)及數(shù)據(jù)計(jì)算可知，需要對(duì)立柱彈性波波速進(jìn)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(zhì)傳播時(shí)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(jù)式(5)、式(6)可知，

(7)

該高速護(hù)欄立柱專項(xiàng)大中修項(xiàng)目，需對(duì)其近64 km立柱進(jìn)行更換，前期對(duì)養(yǎng)護(hù)中的護(hù)欄立柱質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估，為業(yè)主和設(shè)計(jì)提供依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)采用1根/km的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(見圖3)，并對(duì)年久護(hù)欄立柱開展波速修正和傳播時(shí)間辨識(shí)等研究。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)

依據(jù)拔出實(shí)際立柱埋深進(jìn)行彈性波波速校正，引入修正因子對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后得出年久立柱埋深。

現(xiàn)場(chǎng)選取3根立柱測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，并計(jì)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(duì)其波速進(jìn)行校正(見表5)。

由表5可知，無(wú)損檢測(cè)計(jì)算立柱埋深與拔出法測(cè)量實(shí)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(shí)間較長(zhǎng)，與土體密實(shí)性發(fā)生顯著變化。故采用原始彈性波波速計(jì)算立柱埋深時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤判、錯(cuò)判問(wèn)題，需要進(jìn)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(duì)方案2的波速進(jìn)行修正,具體計(jì)算結(jié)果見表6、表7。

表5 立柱彈性波波速校正立柱位置設(shè)計(jì)立柱深度/m無(wú)損檢測(cè)計(jì)算試立柱深度/m拔出法測(cè)量實(shí)際立柱深度/m計(jì)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(yàn)方案2彈性波波速修正后立柱長(zhǎng)度立柱P5T/ms檢測(cè)長(zhǎng)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(cè)長(zhǎng)度-拔出立柱長(zhǎng)度,檢測(cè)長(zhǎng)度按照修正后立柱彈性波波速為4 800 m/s計(jì)算。

表7 試驗(yàn)方案2年久公路立柱彈性波波速立柱長(zhǎng)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(jìn)行計(jì)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(shì)，立柱彈性波波速會(huì)損失10%左右，反射波逸散特性明顯。

為了進(jìn)一步提高年久公路立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度，對(duì)各測(cè)試立柱采用3條測(cè)線，并對(duì)每條測(cè)線測(cè)試信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化解譯，去除影響較大的雜波(見表8)。

表8 試驗(yàn)方案3測(cè)試立柱3條測(cè)線信號(hào)傳播時(shí)間分析立柱P5測(cè)線1/ms測(cè)線2/ms測(cè)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(cè)線傳播時(shí)間差異性較大問(wèn)題。每條測(cè)線傳播時(shí)間與平均值相差應(yīng)不超過(guò)10%，否則應(yīng)作為離散性較大傳播時(shí)間去除，以免造成立柱長(zhǎng)度的誤判、錯(cuò)判現(xiàn)象。同時(shí)可得出年久公路立柱埋深無(wú)損檢測(cè)應(yīng)將擊打能級(jí)控制在P5檔以上,即可滿足精度控制要求。

4 結(jié)論

1) 依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大量年久立柱材質(zhì)、腐蝕狀況、變形情況，分析了年久公路護(hù)欄立柱特點(diǎn)，得出年久公路護(hù)欄立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度控制因素主要有

波速控制和傳播時(shí)間兩個(gè)方面。

2) 新打入立柱埋深無(wú)損檢測(cè)精度控制結(jié)果表明，隨著彈性波能量增大，立柱埋深測(cè)量誤差呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。擊打能量低時(shí)，激發(fā)出的彈性波在柱底反射不明顯或提前反射，導(dǎo)致傳播時(shí)間減短，進(jìn)而計(jì)算出的立柱埋深較小，最終導(dǎo)致與設(shè)計(jì)深度誤差較大。高擊打能量時(shí)，新打入立柱埋深精度控制在測(cè)量誤差之內(nèi)，完全滿足要求。

3) 立柱與土體的接觸時(shí)間在15 a左右時(shí)，立柱彈性波波速會(huì)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(zhǔn)，結(jié)合優(yōu)化測(cè)線方位能準(zhǔn)確辨識(shí)反射波。該研究成果可應(yīng)用于類似試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目。