沖擊彈性波立柱埋深檢測技術的應用研究

摘要 立柱埋深是影響護欄抗沖擊能力的重要指標，目前，沖擊彈性波無損檢測技術對5年以上運營公路檢測準確率一直不能穩定滿足現行有效的標準要求。因此，為了提高沖擊彈性波在運營高速公路立柱埋深檢測的準確率，文章通過優化設備、人員技術、環境工況調查等方面來進行研究。試驗結果表明，沖擊彈性波對立柱埋深的檢測關鍵在于工況調查分析、數據采集手法、圖形分析經驗、傳感器與擊振錘的交叉匹配度進行綜合研判，來提升檢測準確度。

關鍵詞 運營高速；立柱埋深；沖擊彈性波；檢測技術提升

中圖分類號 U491.59 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）07-0142-03

0 引言

隨著交通事業的不斷發展，運營高速里程逐年增加，交通安全隱患也不斷浮現，從而導致交通安全事故后果被放大，波形梁護欄立柱作為交通安全保障中極為重要的抗沖擊支撐結構[1-2]，它的埋入深度和質量對交通事故后果的嚴重性具有重要影響。經查閱相關文獻及標準，多次實踐驗證，“立柱埋入深度彈性波無損檢測技術”對新建項目高速有著很好的檢測精度和效果，但針對5年以上運營高速公路不能滿足現有相關標準的檢測精度偏差。因此，研究和掌握5年以上復雜地質工況和材質變化的運營高速立柱埋置深度無損檢測技術尤為重要，對交通安全運營管理具有重要意義。

1 研究內容

該文主要研究利用彈性波反射信號進行鋼制護欄立柱埋置深度無損檢測方法，在不同的地質工況條件下、不同運營周期條件下及不同材質時，探討該方法的理論可行性以及進行試驗驗證，同時，分析其檢測精度是否滿足工程檢測需要。

主要研究內容有以下幾點：

（1）新建高速與5年以上運營高速的立柱安裝情況調查研究。

（2）研究彈性波理論和反射特性。

（3）立柱中振動信號的時域與頻域分析。

（4）開展彈性波反射信號在金屬立柱中傳播特性的理論和試驗研究[3]。

（5）彈性波頻率、速度等對檢測結果影響的研究。

（6）不同地質工況對反射信號的影響。

（7）擊振錘的匹配性。

（8）敲擊手法。

（9）分析與結論。

2 試驗方法

準確率驗證：先進行沖擊彈性波無損檢測；再使用拔樁機將其拔出進行尺量，作為真實值；將沖擊彈性波檢測結果與尺量結果進行比對計算偏差。

（1）拔樁法：拔樁法可同時進行立柱埋深檢測和完整性檢測，為目前施工過程檢測的常用方法，結果準確、直觀。立柱埋深質量出現爭議時，該方法可作為質量鑒定方法。但人工抽檢，費時費力，檢測效率低，有二次埋深問題，很難形成有效的監督檢測。

（2）沖擊彈性波無損檢測法：基于沖擊彈性波的立柱埋深測試的基本原理與基樁的完整性檢測基本相同，即利用彈性波的反射特性，根據標定所得的彈性波波速，并通過立柱底部的反射時刻，推算立柱的長度及埋深[3]?？稍诟鞣N復雜工況下展開檢測工作，系統具有抗干擾能力強、采集頻帶寬、動態范圍大、采集精度高等特點，能確保檢測結果的準確性和穩定性。該產品適用于埋入立柱（素土中、混凝土、碎石、宕渣等）的埋置深度檢測，不受車流震動、風噪、環境靜電、高壓線纜等復雜現場條件影響。

3 試驗準備

（1）收集工程項目概況、地質條件、護欄設置類型等。

（2）收集工程項目的護欄立柱設計布置圖、施工工藝、施工記錄、里程樁號等。

（3）應對檢測儀器設備進行調試，保證設備正常運行。

（4）檢測前應清除護欄立柱測試面雜質，分離待檢護欄立柱蓋帽。

（5）對被測護欄立柱的外露長度進行測量記錄。

（6）在不明確立柱波速前提下，可采用默認 5 180 m/s

進行計算，提高測試精度。在有條件的前提下，可對同一材質的立柱進行波速確認，一般護欄立柱波速參考范圍5 100～5 180 m/s，可根據材料差異進行微調波速。在不明確立柱波速前提下，可采用默認5 180 m/s進行計算。

4 試驗

該次檢測驗證試驗先由3個檢測小組各持1臺不同廠家型號的檢測設備，在未進行各方面優化調試的情況下分別測試A高速10根立柱和B高速10根立柱，再由3個檢測小組按照研究內容進行技術優化、方法優化、設備優化、檢測環境工況考察等多方面進行輔助檢測，對運營C高速10根立柱進行第二次試驗，試驗結果統計如表1所示。

根據相關標準規定，在總長度小于2 000 mm時，絕對示值誤差為±80 mm；總長度大于2 000 mm時，相對示值誤差為4%[4]。該次試驗立柱長度均在2 000 mm以下。

5 試驗結果分析

根據以上數據可知，對于新建項目A高速的立柱埋深檢測，沖擊彈性波無損檢測更準確，3組準確率均能夠達到100%，整體偏差在0～3 cm之間，其中有個別異常點偏差在8 cm左右。

對于建設年限較長的運營路段B高速檢測，偏差較大，3組準確率均在20%以下，經分析可能存在以下幾個因素：

（1）立柱金屬材質老化：路段建設年限超過20年，立柱本身金屬材質發生了較大變化，金屬密度均勻性不穩定（金屬密度影響聲波速度）、管體有銹蝕現象。

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

（3）年限較老路段驗證不足：對5年之前運營高速因立柱材質不同帶來的數據影響，驗證不足。

第二次試驗，C高速檢測主要從方法、設備、手法等多方面，對研究內容進行了優化改進，對于建設時間較長的運營高速準確率從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方面進行優化改進：

（1）增加數據采集量，搜集適宜的數據進行分析，以滿足無損檢測方式在運營路段的適應性。

（2）通過波形識別鋼管底部是否包裹混凝土，采用低頻振動的方式敲擊，并結合高頻震動，準確識別鋼管立柱底部反射回波，區分并規避混凝土底部回波。

（3）加強數據分析，提高波形圖的識別能力，通過同一立柱多個數據波形的對比分析后，再給出最終的長度數據。

（4）根據現場鋼管立柱的材質、涂層工藝、建成年限等參考因素，按經驗值給出合理的彈性波波速數據，標定設備并開展檢測。

（5）結合雙通道檢測設備、仔細標定不同工況的多根立柱，分析數據后選定標準立柱，自校設備后開展檢測。

（6）新的方案中更多考慮不同的工況，對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行檢測、驗證、數據分析。

6 試驗成果

根據該次試驗研究，針對建設年限較長的運營高速立柱埋深檢測的準確率大幅提升，掌握了沖擊彈性波無損檢測技術，并得出了以下幾個方面的檢測技術成果：

6.1 傳感器及激振錘選取

護欄立柱分為打入式和埋入式兩種[5]，打入式在護欄立柱端面有擊打痕跡，埋入式則立柱端面完好。測試前可根據現場立柱端面狀況初步判斷，有利于信號分析，避免信號誤判。打入式護欄立柱、埋入式護欄立柱都可進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）接收傳感器應安裝在立柱端面，安裝時應采用適量橡皮泥進行耦合，敲擊點距離傳感器3 cm間距為宜。

（2）傳感器應用手輕按，測試時不得晃動。

（3）接收傳感器布置應避開螺栓孔等立柱存在缺陷的部位。

6.3 激振方式

（1）立柱的激振點宜選擇在管壁中心位置。

（2）激振力度盡可能小，信號最大電壓控制在10 V范圍內。

（3）對于信號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行校核，直至信號特征利于辨識。

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

6.4 信號選取

（1）選弱不選強，一般情況下立柱自身反射信號微弱，很難形成較強的反射信號特征，在信號選取時應注意。

（2）找周期，一般情況下立柱測試信號會形成一個頻帶變化的周期和一個較為明顯的阻滯衰減帶，根據這一原則在其附近尋找立柱特征點信號。

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

（4）選起點，一般情況下首波較弱時，其信號由于衰減原因很難在回波中復現，此時應選擇第二個波峰作為時刻起點進行計算，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隱藏于信號時程中，會在波形中形成一個明顯的轉折點（非平滑粒子波動現場）或形成一個疊加特征。

在信號選取時應盡量滿足以上5個特征，同時具備以上5個特征時，檢測結果可信度會極大增加，檢測結果也更接近真值。

6.5 信號選取圖形分析

6.5.1 埋入式護欄立柱

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

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

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

6.5.2 打入式護欄立柱

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

7 結論

該次沖擊彈性波應用研究通過多次試驗驗證得出沖擊彈性波屬于綜合性研判，不可完全依賴儀器設備的數據采集、圖形識別等功能，需要結合現場實際工況來選擇不同的傳感器、擊振錘，采用不同的研判手段，對圖形應具有大量識別經驗。實際檢測工作中，應了解設計，調查地質工況，對立柱管體的金屬材質、內部結構污染情況進行分析，選取合適的擊振錘，保持穩定的敲擊手法，從而提高測量精度。

波形梁護欄是高速公路中最為重要的安全設施，立柱是護欄的主要受力支撐結構，檢測精度不可忽視。該次應用研究對高速公路的安裝質量檢測以及高速公路運營管理具有重要意義。

參考文獻

[1]公路工程質量檢驗評定標準（第一冊 土建工程）： JTG F80/1—2017[S]. 北京：人民交通出版社， 2017.

[2]波形梁鋼護欄： GB/T 31439. 1—2015[S]. 北京：中國標準出版社， 2015.

[3]呂小彬， 吳佳曄. 沖擊彈性波理論與應用[M]. 北京：中國水利水電出版社出版， 2016.

[4]鋼質護欄立柱埋深沖擊彈性波檢測儀： JJG（交通）173

—2021[S]. 北京：人民交通出版社， 2021.

[5]公路交通安全設施設計細則： JTG/T D81—2017[S]. 北京：人民交通出版社， 2017.