截至 ２０１７ 年末ꎬ我国公路总里程达到 ４７７. ３５ 万公里ꎮ 其中ꎬ高速公路 １３. ６５ 万公里ꎬ里程规模居
世界第一 [１] ꎮ 国家统计年鉴数据显示ꎬ２０１６ 年交通事故发生数总计 ２１. ２８ 万起ꎬ其中伤亡人数 ６. ３ 万
人ꎬ经济财产损失约 １２. ０７ 亿元ꎬ２０１５ 年交通事故伤亡人数占比高达 ８７. ９１％ ꎬ每 ３ 人死亡事故中就有 １ 人死于车辆驶离道路的事故[２] ꎮ 公路护栏是交通安全的重要设施ꎬ护栏立柱作为主要抗力装置被称为驾驶员的“ 最后一道安全屏障” ꎮ 立柱能否达到设计埋深也将直接影响对车辆的防护能力ꎬ但由于各种原因ꎬ部分施工单位遇到坚硬路基无法正常插打立柱而选择将立柱直接切割ꎬ导致立柱埋深不足ꎮ ２００６ 年山西祁临高速发生的特大交通事故的主要原因就是由于立柱埋深不足导致ꎬ当时引发了社会公众和 交通行业的广泛关注ꎮ
采用无损检测设备对立柱埋深进行检测是目前常用的方法ꎮ 而基于弹性波理论的检测设备能否满足不同工况下的精度要求ꎬ相关学者也对此做了广泛的研究ꎮ 何存富等[３] 在弹性动力学理论基础上系统分析了导波群速度、衰减和频散等对检测精度的影响ꎮ 梁世斌[４] 、张潇等[５￣６] 提出波在立柱埋深检测中的优点和应用潜力ꎬ但也指出立柱埋深内土体会对波信号产生衰减吸收等问题ꎬ并研究了不同状态对检测方法及精度的影响并提出各状态因素的影响校正因子ꎮ 张明启[７] 、Ｖｏｇｔ 等[８￣１０] 指出弹性波在波阻抗界面处发生的反射和透射遵循斯奈尔定律ꎬ反射效应会影响波的幅值而不影响波速ꎮ 赵星[１１] 提出由于波信号衰减引发的畸变对测量精度有影响ꎮ 贾志绚等[１２] 指出传感器类型及安装位置、波形钢护栏、激振方式等对检测精度的影响ꎮ
综上所述ꎬ
护栏立柱埋深内的地基土类别、采样数据量等是否对检测精度有影响ꎬ论述的较少ꎮ 不同土质类别工况下对埋深单立柱无损检测精度实验研究较为必要ꎬ本文采用冲击弹性波检测仪来测量 采集数据分析ꎮ
１ 实验方案制定与测试
１. １ 无损检测设备简介
本实验采用四川升拓技术有限公司研发的钢质护栏立柱埋深检测仪( ＩＥ) ꎬ详见图 １ꎮ 该设备组成包括仪器主机、专用电脑、加速度传感器、自动激振锤、激振控制器等ꎮ 护栏立柱埋深检测仪的测试基本原理是利用冲击弹性波的反射特性ꎬ在已知标定波速条件下ꎬ通过量测弹性波在钢质立柱中的传播时间来推算立柱的长度及埋深ꎬ测试原理详见图 ２ꎮ
图 １ 钢质护栏立柱埋深检测仪( ＩＥ) 图 ２ 立柱埋深测试基本原理示意图
１. ２研究参数选定
从现有文献来看ꎬ对立柱埋深范围内路基填土类别的精度影响未开展深入实验研究ꎮ 目前大多数
路基填土为黏土、砂土等ꎮ 因此这里的实验研究中ꎬ以纯黏土、纯砂土、砂黏复合土( 上黏下砂、上砂下黏)３ 个参数作为路基填土的土质参数开展实验研究( 这里的实验用土均为烘干土体ꎬ含水率对测试精度的影响有待进一步研究) ꎮ 为研究采样数据量大小对立柱埋深检测精度的影响ꎬ每种路基填土的采样数据按 ５、１０、１５、２０ 次 ４ 种工况进行采样ꎬ每个工况测试 ２ 次ꎬ并通过调节激振控制器数值严格控制每次锤击力度ꎬ确保每次锤击力度基本一致ꎮ 土质厚度设定为 ０. ３ ｍꎬ复合土设定为黏、砂土厚度各为
０. １５ ｍꎮ
１. ３ 实验模型制作
室内实验模型采用将一根长度 １. ５０ ｍ、直径 ０. １１４ ｍ、壁厚 ４ ｍｍ 的钢质立柱( 接近实际护栏立柱规格[１４] ) 埋入钢质圆桶ꎬ在圆桶内分层填土并夯实ꎬ控制好每层填土的夯击力度和次数ꎬ确保土质密实度基本一致ꎮ 实际工程要求护栏立柱埋深不低于 １. １ ｍꎬ考虑到本实验研究目标为不同土质对检测精
度的影响及室内实验条件限制等因素ꎬ本实验模型的立柱埋深取 ０. ３ ｍꎮ 为避免钢桶底板对立柱埋深检测的影响ꎬ在立柱底部放置一块硬纸板进行隔离ꎬ室内实验立柱模型制作过程及土质分布示意见图 ３、图 ４ꎮ
图 ３ 实验立柱模型制作 图 ４ 实验模型土质分布
１. ４ 立柱长度测试
由于立柱埋深等于立柱总长减去立柱外露长度ꎬ为减少由于外露长度的人为测量误差造成影响ꎬ这里的结果分析指标均取立柱总长ꎮ 立柱埋深检测仪的系统结构图如图 ５ 所示ꎬ本次实验严格按照设备使用安装操作流程进行安装连接ꎮ 钢管波速取为 ５. １９ ｋｍ / ｓꎬ激振控制器的力度大小控制在 ９. ０( 此数值为激振器显示数值ꎬ无量纲ꎬ是衡量锤击力度的指标ꎬ数值过大或过小无法获得采样数据) ꎬ当确定环境噪音满足要求后ꎬ使用自动采集模式进行数据采集ꎬ数据分析统一采用批量解析ꎬ不存在无效解析结果ꎬ最后自动保存解析结果文件并截图ꎬ形成实验测试结果文件ꎬ实验测试结果汇总见表 １ꎮ
图 ５ 实验仪器系统结构图
表 １ 测试结果汇总( 钢质立柱总长) ｍ
土质参数 采样次数/ 次
5 5 １０ 10 １５ １５ ２０ ２０
纯黏土( 埋深 ３０ ｃｍ) １. ５０８ １. ４４２ １. ５０６ １. ４３７ １. ５２３ １. ４９４ １. ５１２ １. ５０５
纯砂土( 埋深 ３０ ｃｍ) １. ４６８ １. ４６０ １. ４７４ １. ４７７ １. ４７６ １. ４７６ １. ４７７ １. ４７７
下黏上砂( 各 １５ ｃｍ) １. ５３０ １. ５０１ １. ５１１ １. ５０４ １. ５０７ １. ５０８ １. ４９７ １. ５１７
下砂上黏( 各 １５ ｃｍ) １. ４７７ １. ４５４ １. ４６９ １. ４６３ １. ４８４ １. ４６１ １. ４７８ １. ４６９
２ 实验结果分析
２. １ 单一土质对测试精度的影响分析
图 ６ 给出了立柱埋置在单一土层工况下ꎬ采用检测仪( ＩＥ) 的实测结果分析ꎮ 由图可知ꎬ纯黏土工况下的实测数据离散程度要略高于纯砂土工况下的离散程度ꎬ从数据的总体精度来看ꎬ纯黏土工况下的实测精度要高于纯砂土的实测精度ꎬ说明砂土对弹性波的传递的干扰程度高于黏土ꎮ
当单根立柱采样数据量在 ５ 次时ꎬ纯砂土工况下的测值均略小于实际长度ꎬ最大偏差的立柱长度
为 １. ４６０ ｍꎬ比实际值小 ４ ｃｍ( － ２. ６％ ) ꎬ最小偏差
的立柱长度为 １. ４７７ ｍꎬ 比实际值小 ２. ３ ｃｍ ( － １. ５％ ) ꎮ 纯黏土工况下的实测最大偏差的立柱
图 ６ 单一土层对长度测试精度影响分析图
长度为 １. ５２３ ｍꎬ比实际值大 ２. ３ ｃｍ( ＋ １. ５％ ) ꎬ其实测最小偏差的立柱长度为 １. ４３７ ｍꎬ比实际值小
６. ３ ｃｍ( － ４. ２％ ꎬ超规范限值 ４％ [１５] ) ꎬ说明在采样数据量较小时( < １０ 次) ꎬ纯黏土工况下的实测偏差值和离散程度要明显高于纯砂土工况的实测值ꎬ且可能出现超规范情况ꎮ
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当单根立柱采样数据量在 １０ 次以上时ꎬ上述两个工况下的实测精度均有所提高ꎬ纯黏土工况下的实测偏差( ＋ ０. ６％ ) 却明显低于纯砂土工况的实测偏差( － １. ６％ ) ꎬ且纯黏土工况下实测值总体表现出略大于实际立柱长度( 约 ＋ ０. ５％ ) ꎮ
２. ２ 复合土质对测试精度的影响分析
图 ７ 给出了立柱埋置在复合土层工况下ꎬ采用检测仪( ＩＥ) 的实测结果分析ꎮ 由图可知ꎬ在复合土层工况下ꎬ无论是上黏下砂还是上砂下黏工况ꎬ二者测试的离散程度相当ꎬ但从数据总体精度来看ꎬ上砂下黏工况下的实测数据具有更高的精度ꎬ其实测结果表现出略大于实际值( 约 ＋ ０. ５％ ) ꎬ上黏下砂工况下的实测结果表现出略小于实际值( 约 － １. ５％ ) ꎬ说明砂土对实测精度的影响主要集中在立柱的根部ꎬ即砂土对弹性波的反射干扰程度要略高于黏土ꎮ
当单根立柱采样数据量在 ５ 次工况下ꎬ上述两
工况下的实测数据偏差和离散程度均较大ꎬ下黏上
图 ７ 复合土层对长度测试精度影响分析图
砂工况的实测值略大于实际长度ꎬ最大偏差的立柱长度为 １. ５３０ ｍꎬ比实际值大 ３ ｃｍ( ＋ ２. ０％ ) ꎬ 上黏下砂工况下的实测值略小于实际长度ꎬ其最大偏差的立柱长度为 １. ４５４ ｍꎬ比实际值小 ４. ６ ｃｍ ( － ３. ０％ ) ꎬ上砂下黏工况下的实测精度略高一些ꎮ
当单根立柱采样数据量在 １０ 次以上时ꎬ上砂下黏工况下实测最大偏差的立柱长度为 １. ５１７ ｍꎬ比
实际值大 １. ７ ｃｍ( ＋ １. ３％ ) ꎮ 上黏下砂工况下最大偏差的立柱长度为 １. ４６１ ｍꎬ比实际值小 ３. ９ ｃｍ ( － ２. ６％ ) ꎬ上砂下黏工况下的实测精度也要略高一些ꎮ
２. ３ 采样数据量大小对测试精度的影响分析
图 ８ 给出了单根立柱采样数据量大小对立柱长度测试精度的影响ꎬ本组数据采用相同工况下的两个实测值的平均值作为该工况下的实测值ꎮ 由图可知ꎬ无论立柱埋置在何种土层工况下ꎬ随着单根立柱采样数据量的增大ꎬ其实测结果的精度逐渐提高ꎬ当超过一定数据量后(１０ 次) ꎬ对实测精度的影响趋于稳定ꎮ
当采样次数在 ５ 次工况下ꎬ其测试结果精度较
低ꎬ实测最大偏差的立柱长度为１. ５１６ ｍ( ＋ １. １％ ) ꎬ
实测最小偏差的立柱长度为 １. ４６４ ｍ( － ２. ４％ ) ꎬ而
当采样数据次数超过 １０ 次后ꎬ采样数据量大小对结
图 ８ 采样数据量对测试精度影响分析图
果精度基本没影响ꎬ最小偏差的立柱长度为１. ４７３ ｍꎬ比实际值小２. ７ ｃｍ( － １. ８％ ) ꎬ最大偏差的立柱长
度为 １. ５０７ ｍꎬ比实际值大 ０. ７ ｃｍ( ＋ ０. ５％ ) ꎮ 因此当采用立柱埋深检测仪( ＩＥ) 测定钢质护栏立柱埋
深时ꎬ建议单根立柱埋深测试的采样数据量不小于 １０ 次ꎬ可以获得较为精确的实测结果ꎮ
２. ４ 影响检测精度的其他情况
在实际测量数据时ꎬ除土质的不同存在检测精度的主要原因外ꎬ外设条件虽然影响不是主要的ꎬ但也存在不可忽视的影响ꎮ 如激振锤的力度、传感器接触面的光滑程度ꎮ
表 ２ 给出了不同锤击力度、传感器接触面工况下的测试结果ꎮ 从实验结果来看ꎬ当激振锤的锤击力度过大或过小时ꎬ出现无法采集到测试数据的情况( 表中“—” 表示无数据结果) ꎬ即电脑提示“ 数据溢出” 或者“ 无法识取数据” 的情况ꎬ个别实测结果精度偏差较大( 偏差值约 ± ３％ ) ꎮ 所以ꎬ经过反复的测试ꎬ对于锤击力度就在土质工况下测试时力度取值为 ９ꎮ 传感器接触面光滑工况下的测试精度明显高于接触面不光滑工况的测试精度ꎬ说明将传感器与立柱接触面打磨光滑是非常必要的ꎮ
７４
表 ２ 其他参数测试结果汇总( 钢质立柱总长) ｍ
影响参数 采样次数/ 次
５ ５ １０ １０ １５ １５ ２０ ２０
激振锤力度值( ≤５) — — — — — １. ４５６ — —
激振锤力度值( ≥１５) — — — １. ５４２ — — １. ５４３ —
传感器接触面光滑 １. ５０２ １. ５０１ １. ５０５ １. ５０６ １. ４９６ １. ５０８ １. ４９５ １. ５１０
传感器接触面不光滑 １. ４６７ １. ４５４ １. ４５６ １. ５４１ １. ４６４ １. ４７２ １. ４６８ １. ５４０
３ 结 论
通过纯黏土、纯砂土、砂黏复合土 ３ 种工况下的立柱长度测试精度开展实验研究ꎬ得出如下结论: (１) 当路基填土采用单一土质作为填料时ꎬ纯黏土工况下的实测精度高于纯砂土的实测精度ꎻ
(２) 当路基填土采用复合土质作为填料时ꎬ上砂下黏工况下的实测精度比上黏下砂工况下的实测精度高ꎬ说明当路基填土粒径从上往下逐渐减小时ꎬ其实测精度较高ꎻ
(３) 单根立柱采样数据量越大其实测精度越高ꎬ当超过一定数据量(１０ 次) 后趋于稳定ꎻ
(４) 砂土对弹性波的传递和反射的干扰程度要高于黏土ꎬ建议实际工程检测过程中视具体情况做适当修正ꎻ
(５) 自动激振锤的力度过大或过小则无法识取数据ꎬ极个别可识取的数据偏差较大ꎬ采用本设备的激振控制器力度宜在 ８ ~ １０ 之间ꎻ
(６) 传感器与立柱接触面的光滑度会影响检测精度ꎬ建议适当打磨二者的接触面ꎬ注意避免将传感器安装在钢管焊缝处ꎮ
[ 参 考 文 献 ]
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转自：《公路》2020年第1期251-256,共6页 朱
朴
肖启扬
( 黎明职业大学 土木建筑工程学院 福建 泉州 ３６２０００)
