沖擊彈性波法檢測護欄立柱埋深的對比驗證分析

收稿日期：2024-01-09

作者簡介：劉陽（1986—），男，本科，工程師，研究方向：公路交通工程（公路機電工程與交通安全設施）試驗檢測。

摘要 文章采用不同沖擊彈性波法的立柱埋深測試儀，對在建與運營的高速立柱埋深開展檢測，并拔樁驗證數據。通過計算檢測結果的測量誤差、變異系數等，對比驗證分析沖擊彈性波法檢測護欄立柱埋深的準確性與適用性，為沖擊彈性波法的改進提升提供理論支撐。發現沖擊彈性波法在不同設備和不同測試工況下存在的問題，論證該方法的適用范圍及目前亟待改進的問題。

關鍵詞 沖擊彈性波法；立柱埋深；在建高速；運營高速；準確性；適用性；拔樁驗證；數據對比分析

中圖分類號 U417.12文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0104-03

0 引言

公路護欄是公路安全防護的重要設施，護欄立柱的埋置深度在護欄整體力學性能中起到至關重要的作用。護欄立柱的埋置是一項隱蔽工程，在公路建設期不易直觀暴露問題，出現良莠不齊的質量現象。公路護欄數量龐大，缺陷與隱患排查難度大，后期缺陷整治產生的影響不容小覷。縱觀歷年發生的交通安全事故調查結果，立柱埋深不足導致的交通安全事故不在少數，并在社會上引起了廣泛關注。

常規的護欄立柱檢測方法為拔樁法。該方法直觀準確，但實施難度較大，不僅需要機械拔樁作業，還需要對護欄立柱進行分解拆裝。這種方法在消耗大量人力、物力和時間的同時，運營路段的檢測作業還會帶來風險劇增。基于此，一種簡單、高效、準確的無損檢測方法需求變得尤為迫切。

隨著科學技術的不斷進步和交通安全設施檢驗檢測的迫切需求，在國內外研究者的不懈努力下，公路護欄立柱埋深檢測技術得到了進步與發展。目前的無損檢測技術主要有三種，即電磁感應法、超聲波法、沖擊彈性波法。經過市場的篩選和技術人員的不斷實踐驗證，沖擊彈性波法已成為目前市面的主流技術。該方法設備簡單、測試精度較高，可作為目前檢測設備的首選[1]。

1 對比驗證試驗設計

基于公路護欄立柱廣泛存在的問題，對沖擊彈性波法檢測立柱埋深開展驗證分析。選取在建高速公路與運營10年以上的高速公路作為驗證試驗場地，采用國內技術較為成熟、設備穩定性與準確性較高的兩家沖擊彈性波法立柱埋深檢測設備，開展驗證分析。試驗設計的重點如下：

場地準備。選取新建高速公路的20根護欄立柱進行隨機長度截取，打亂立柱編號，采用打入式埋入試驗場地路側，立柱長度測試前未知。選取運營高速公路中央分隔帶的6根未知長度的立柱，立柱底部工況未知。

操作準備。驗證分析由6名技能熟練人員均分為3組開展，第1操作組使用A1品牌沖擊彈性波立柱埋深檢測設備，第2操作組使用A2品牌沖擊彈性波立柱埋深檢測設備，第3操作組使用B品牌沖擊彈性波立柱埋深檢測設備。

數據計算與分析。記錄每根立柱長度，計算測量相對誤差、誤差均值、變異系數。

新建高速公路與運營高速公路的驗證試驗場地，如圖1和圖2所示：

圖1 新建高速公路的圖2 運營高速公路的

驗證試驗場地 驗證試驗場地

2 試驗數據計算

（1）測量相對誤差：

（1）

式中，R——測量相對誤差；R測——沖擊彈性波立柱埋深檢測設備所測得數據的平均值；R實——拔樁法用標準量具測得數據的平均值（mm）。

（2）誤差均值：

（2）

式中，——測量誤差均值；R測——沖擊彈性波立柱埋深檢測設備所測得數據的平均值；R實——拔樁法用標準量具測得數據（mm）。

（3）變異系數：

（3）

式中，δ——誤差變異系數；S——誤差標準偏差；——測量誤差均值（mm）。

3 試驗分組

A1組采用A品牌沖擊彈性波立柱埋深檢測設備（單通道）。A2組采用A品牌沖擊彈性波立柱埋深檢測設備（雙通道）。B組采用B品牌沖擊彈性波立柱埋深檢測設備（單通道）。

4 新建高速立柱埋深檢測驗證對比分析

4.1 驗證試驗數據

對新建高速公路預設的20根不同長度立柱的埋入深度，由3個檢測組分別開展檢測，檢測結果如表1所示。

4.2 驗證對比分析

根據表1中檢測數據可知，A1組最大誤差數據為82 mm，最小誤差數據為1 mm，整體測試結果偏大；A2組最大誤差數據為98 mm，最小誤差數據為0，整體檢測結果偏大；B組最大誤差數據為90 mm，最小誤差數據為0，整體測試結果偏小。從相對誤差來看，B組優于A1與A2組，但從檢測結果離散性看，B組的變異系數大于A1組與A2組，穩定性不足。三組整體結果均接近真值。

通過驗證對比分析，新建高速公路立柱護欄埋深的3個檢測組的數據與真值的差異較小，大部分數據滿足設備標準[2]中5.1.4中測量誤差不大于8 cm的要求。由此可知，沖擊彈性波法適用于新建高速公路的護欄立柱埋深檢測。

5 運營高速立柱埋深檢測驗證對比分析

5.1 驗證試驗數據

從運營高速公路隨機選取6根立柱的埋入深度，由3個檢測組開展檢測，檢測結果如表2所示。

5.2 驗證對比分析

根據表2中檢測數據可知，A1組最大數據誤差為?720 mm，最小數據誤差為?21 mm，誤差絕對值平均值為?24 mm；A2組最大數據誤差為?651 mm，最小數據誤差為96 mm，誤差絕對值平均值為34 mm；B組最大數據誤差為340 mm，最小數據誤差為28 mm，誤差絕對值平均值為138 mm。綜合分析，三個檢測組的測量偏差均較大，因三組的檢測數據與真值差異較大，變異系數的分析參考價值不高，此處未對本組數據的變異系數進行分析。

通過驗證對比分析，運營高速公路立柱護欄埋深的3個檢測組的數據與真值的差異較大，數據準確性均低于17%，不滿足規范[1]中5.1.4中測量誤差不大于8 cm的要求。由此可見，目前的該沖擊彈性波法在運營高速公路的護欄立柱埋深檢測的適用性上仍有所欠缺。

6 誤差原因分析

對于在運營高速公路上出現的結果偏差大的情況，通過分析檢測結果和了解近年來沖擊彈性波法的應用情況及現場施工安裝的實際工況，并結合河北省[3]和江西省地方標準[4]規定的“沖擊彈性波無損檢測方法適用于使用年限不超過5年打入式鋼質立柱，超過5年的應通過拔樁尺量方法驗證方法的適用性”檢測條件說明，綜合分析誤差偏大的因素，可能來源于以下幾個方面：

（1）對于年限較久的運營路段經驗數據少、數據樣本量不足，缺乏經驗與驗證，在數據分析中無法準確掌握。

（2）建成年限較短的路段立柱埋置工況較為單一，數據圖形穩定，易識別。運營高速，特別是運營時間超過5年的路段，立柱埋置環境多樣且復雜。對于立柱底部包裹混凝土的埋置工況，混凝土波速與立柱波速較為接近，底部回波大，易誤將混凝土的底部反射識別為立柱的底部反射。對波形的識別不準確，對現場經驗判斷不足，測試結果偏大。

（3）各建設階段立柱金屬材質存在差異，不同材質的沖擊彈性波傳播速度不同，導致檢測結果存在誤差。

（4）分析軟件平臺的智能識別力不足，無法準確輔助技術人員正確識別波長，對技術人員的經驗判斷要求甚為嚴苛，極易產生誤判。如圖3所示。

7 改進建議

基于護欄立柱埋深無損檢測方法的迫切需求，根據對驗證檢測運營高速公路出現的數據偏差進行分析，提出以下改進建議：

（1）提高數據采集樣本。建立不同工況（土中立柱、巖石放入立柱、巖石灌漿立柱、混凝土中立柱、砂漿中立柱、各種工況結合的立柱等）立柱埋置條件下的數據庫，以滿足無損檢測方式在運營路段的適應性。

（2）優化沖擊波敲擊方式。過波形識別鋼管底部是否包裹混凝土的工況，采用低頻震動的方式敲擊，并結合高頻震動，準確識別鋼管立柱底部的反射回波。同時，引入修正因子開展波速校準，并結合優化測線方位準確辨識反射波[5]。

（3）加強數據分析，提高波形圖的識別能力。采用同組多次敲擊，多波形圖對位分析，減低誤判波形，并采用智能識別方式，輔助識別反射點位，進行精準定位。

（4）結合鋼管立柱的材質、涂層工藝、建成年限、敲擊震動方式等因素，標準化標準波速的選定，標定設備并開展檢測。

（5）提高傳感器精度，降低底波噪音，準確識別微小的立柱底部反射，減少誤判、誤識。

（6）對運營高速立柱埋深檢測進行充分論證，特別是鋼管立柱底部包裹混凝土、鋼管立柱打入無混凝土的土路肩的工況等進行檢測、驗證和數據分析。

8 結語

運營高速公路的護欄立柱埋深問題根深蒂固，短缺、非標、違規切割的立柱在高速公路中比較隱蔽，排查難度大、安全隱患重。如何快速、準確識別護欄立柱埋深是目前交通安全設施檢測的一大難題，解決運營高速立柱護欄埋深排查的檢測工作很有必要。

護欄安裝的路線長、存量大，檢測作業的安全責任風險重，拔樁法并不適合大面積的立柱埋深檢測排查工作，應對沖擊彈性波法檢測立柱護欄埋深進行方法優化改進，以增強檢測人員的數據識別能力，提高對運營路段立柱檢測的準確性。同時，科學客觀地開展持續驗證和技術優化，為后續相關工作提供數據支撐，增強管理者與技術人員的信心，提高檢測活動的可信性。

參考文獻

[1]賈志絢， 陳永會， 趙星， 等. 基于彈性波法的高速公路護欄立柱埋深檢測方法研究[J]. 公路交通科技， 2010（11）： 127-131.

[2]鋼質護欄立柱埋深沖擊彈性波檢測儀： GB/T 24967—2010[S]. 北京：中國標準出版社， 2010.

[3]公路護欄鋼質立柱埋深無損檢測規程： DB13/T 2728—2018[S]. 河北：河北省質量技術監督局， 2018.

[4]公路工程鋼質護欄立柱埋深（沖擊彈性波）無損檢測技術規程： DB36/T 1613—2022[S]. 江西：江西省市場監督管理局， 2022.

[5]楊永奇， 惠冰， 付建村. 年久公路護欄立柱埋深無損檢測精度控制研究[J]. 湖南交通科技， 2022（1）： 162-165+174.