年久公路护栏立柱埋深无损检测精度控制研究

2022-04-14杨永奇付建村

湖南交通科技 2022年1期

杨永奇，惠冰，付建村

(1.山东高速股份有限公司，山东淄博 255086； 2.山东省交通科学研究院，山东济南 250104)

0 引言

由钢质护栏立柱与波形梁护栏板构成的安全防护体系，在保障公路安全方面起到重要作用。目前对于立柱埋深检测主要有人工拔出法和无损检测法，其中无损检测主要采用冲击弹性波法。然而养护期高速公路的护栏立柱具有时变性、隐蔽性、不确定性等多重特点，严重影响地下部分立柱埋深的无损检测精度。国内外相关学者对于护栏立柱埋深无损检测进行了大量的理论研究与现场应用[1-4]。交通部公路科学研究院与四川升拓检测技术有限责任公司组成联合课题组，共同研发了专用护栏立柱埋深检测仪，并出版了国家规范[5]。本文结合某高速公路养护期护栏改造工程，对影响精度控制因素进行分析，分别从波速校正和反射波准确判识两个变量出发，以提高立柱埋深无损检测精度为目的，基于单一变量原理，研究年久公路护栏立柱埋深的无损检测精度控制。

1 年久公路护栏立柱特点与精度控制标准

某高速公路已通车15 a以上，期间多次进行大中修养护，立柱与周边土体介质发生密实性变化，需对立柱埋深质量进行检测与评估。通过大量现场试验及对立柱发生的物理、化学变化分析，得出年久护栏立柱具有特点如下： ①立柱金属材质发生变化；②立柱与周边土体挤密耦合性好；③立柱更换频繁，施工质量难以保证。

规范[5]对测量精确度有明确规定：①在钢质护栏立柱的弹性波波速经过事先标定的前提下，检测仪对未埋入地下的护栏立柱长度测试时，平均测量误差优于±1%或不大于±2 cm；②在钢质护栏立柱的弹性波波速经过事先标定的前提下，检测仪对已埋入地下的护栏立柱埋深测试时，平均测量误差优于±4%或不大于±8 cm。

2 立柱埋深无损检测精度控制因素分析

2.1 立柱埋深无损检测原理

目前立柱埋深无损检测主要采用冲击弹性波法，该方法主要采用激振方式，在柱顶发生机械波，机械波沿着立柱本身介质向下传播，传播到柱底发生反射、散射和透射。当反射波逆向传播到达桩顶后，由传感器接收并计算出传播时间，最终可获知立柱总体长度，总体长度减去地面长度即得出立柱埋深，将设计要求与技术规范对比，得出立柱埋深质量结论。

利用传感器接收到的反射信号，根据传播时间，按式(1)即可计算出立柱总体长度和埋深。

L=Ls+V·(TR-Ts)/2

(1)

式中：L为立柱长度，m；Ls为传感器与立柱顶部间距离，m；TR为反射波到达时刻，s；Ts为发振波到达时刻，s；V为立柱中弹性波波速，m/s。

2.2 立柱埋深无损检测精度控制分析

无损检测精度控制主要包括控制误差和客观条件两种。

误差主要分系统误差、偶然误差和人为误差。

1) 系统误差：立柱埋深测试中，激振的剩余信号能量、与周边土体介质接触的立柱底部反射波形、立柱外露部分受环境干扰信号的相互叠加导致反射信号难以对桩底辨识，进而引发系统误差。

2) 随机误差：现场试验过程中，激振工具、击打柱顶微小变化导致的激振信号变化、周边环境变化等都会产生随机误差。

3) 人为误差：作为主观因素，人为误差主要体现在知识水平和操作熟练程度上，也包括采集信号的初期辨识能力等因素直接导致的人为误差。

客观条件主要包括波速校正和反射波准确判识两个控制因素，由公式可知:

Lh=V·T

(2)

其中：Lh为立柱埋深；V为波速；T为传播时间，T=(TR-TS)/2，TR为反射波到达时刻，TS为发振波到达时刻。

根据以上公式分析:

Lh=(V±V精)·(T±T精)

(3)

由于V精·T精≈0，故式(4)可转化为：

Lh=V·T±V·T精±V精·T

(4)

式中：V精为波速控制精度；T精为传播时间控制精度。

由以上分析可知，立柱埋深无损检测精度控制因素主要为波速控制和传播时间。

3 年久公路护栏立柱埋深无损检测精度控制研究

依托某高速公路护栏改造工程，针对新打入立柱和年久立柱分别开展无损检测试验，并就立柱埋深精度控制对比分析。以波速校正和反射波准确判识为两个控制因素，提高年久公路护栏立柱埋深无损检测精度。

3.1 新打入立柱

对于新打入立柱埋深，因存在时间较短，与周围土体接触密实性较低，处于未完全耦合状态。当冲击弹性波通过立柱传至柱底与土体界面处，弹性波向周围土体逸散特性较弱，故传感器接收到立柱反射波较明显，易达到控制立柱埋深无损检测精度要求。

采用自动激振装置，通过调整脉冲时间来影响测试波形。一般而言，较长的脉冲时间有利于获得更好的测试波形；同时也可依据改变激振装置的击打能量使传出的弹性波获得更好的测试波形。对于自动激振装置采用P1～P6共6个档位，随着档位增加，弹性波能量呈现增大趋势。

选取10根新打入护栏立柱开展现场试验，其波形分析见图1。在立柱底端存在明显反射信号，易于辨识。同时将测试深度与设计深度进行对比分析，绘制不同击打能量下新打入立柱埋深精度变化曲线(见图2)。

图1 新打入护栏立柱埋深波形图

从图2可以发现，随着弹性波能量增大，立柱埋深测量误差呈现降低趋势。且在P1、P2击打档位时，存在少量新打入立柱埋深不能满足精度要求现象。由于P1、P2击打能量激发出的弹性波在柱底反射不明显或提前反射，导致传播时间减小，进而计算出的立柱埋深较小，最终导致与设计深度误差较大。在P3～P6击打能级时，新打入立柱埋深精度控制在测量误差之内，完全满足要求。故新打入立柱埋深无损检测精度控制应将击打档位控制在P3档以上，即可满足要求。

图2 不同击打能量下10根新打入护栏立柱埋深精度变化曲线

3.2 年久公路护栏立柱

某高速公路护栏改造工程，立柱尺寸为：Φ114×4.5 mm，原立柱总长度为1.97 m，立柱埋深为1.25 m。针对年久公路立柱埋深无损检测精度控制问题，采用3种试验方案(见表1)。

表1 试验方案试验方案试验参数立柱状态试验数量/根备注1P3、P4、P5、P6埋入土体52P5拔出立柱5校准波速3P5 3条测线埋入土体5

现场采集数的试验方案1立柱传播时间统计数据见表2：

由表2可知，对于年久护栏立柱埋深无损检测精度，击打能级越大，弹性波传播时间越长，反射信号越明显，柱底反射信号越容易辨识。主要由于击打能级大时，向周边土体透射能量要小于反射能量，反射波更易传播到桩端，逸散特性较小。反之，击打能级小时，向周边土体透射能量大于反射能量，反射波不易传播到桩端，逸散特性较大。

采用P5击打能级，现场拔出5根立柱后进行试验，并进行误差计算(见表3、表4)。

表3 试验方案2拔出立柱长度m击打能级立柱1立柱2立柱3立柱4立柱5P51.961.971.971.961.97

表4 试验方案2拔出立柱精度立柱P5T/ms测试长度/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=检测长度-拔出立柱长度,检测长度按立柱弹性波波速为5 180 m/s计算。

由表3、4可知，对于年久公路护栏立柱埋深无损检测，弹性波波速直接影响测试精度，需要对年久公路立柱弹性波波速进行修正。

经分析年久护栏立柱特点及数据计算可知，需要对立柱弹性波波速进行修正。

由公式可知:

(5)

V修=μV

(6)

式中：V为立柱原始弹性波波速，5.18 km /s；ΔT为弹性波在立柱介质传播时间，s；μ为修正因子；V修为修正后立柱弹性波波速，km/s。

依据式(5)、式(6)可知，

(7)

该高速护栏立柱专项大中修项目，需对其近64 km立柱进行更换，前期对养护中的护栏立柱质量进行检测与评估，为业主和设计提供依据。现场采用1根/km的频率进行数据采集(见图3)，并对年久护栏立柱开展波速修正和传播时间辨识等研究。

图3 现场采集数据

依据拔出实际立柱埋深进行弹性波波速校正，引入修正因子对其数据进行分析，最后得出年久立柱埋深。

现场选取3根立柱测量结果进行分析，并计算出弹性波波速值，其中立柱原始弹性波波速为5.18 km/s，引入修正因子，对其波速进行校正(见表5)。

由表5可知，无损检测计算立柱埋深与拔出法测量实际立柱埋深有较大误差，不能满足立柱埋深精度控制要求。主要是由于立柱埋入土体时间较长，与土体密实性发生显著变化。故采用原始弹性波波速计算立柱埋深时会产生误判、错判问题，需要进行弹性波波速修正。本工程平均修正因子μ=1.20，采用式(7)对方案2的波速进行修正,具体计算结果见表6、表7。

表5 立柱弹性波波速校正立柱位置设计立柱深度/m无损检测计算试立柱深度/m拔出法测量实际立柱深度/m计算弹性波波速/(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 试验方案2弹性波波速修正后立柱长度立柱P5T/ms检测长度/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=检测长度-拔出立柱长度,检测长度按照修正后立柱弹性波波速为4 800 m/s计算。