公路护栏立柱埋深冲击弹性波检测技术.docx

公路护栏立柱埋深冲击弹性波检测技术体系（升拓检测 浙江 宁波 NCIT）摘要：我公司研发的钢质护栏立柱冲击弹性波检测仪是基于冲击弹性波的检测方法，该方法的基本原理与超声波相同，所不同的是采用电磁激振的方式诱发冲击弹性波。其具有激振能量较大、波长较长（衰减相对较小）、基本参数（波速）稳定等优点，使得其测试深度较深，不仅适合于新设立柱，也能够适合于埋设时间较长的既设立柱.关键词：护栏立柱埋深，冲击弹性波，立柱埋深检测，立柱无损检测公路的护栏是关系到交通安全的非常重要的设施。其中，护栏立柱是最主要的抗力装置，被称为“最后一道安全屏障”。立柱作为承受车辆驶出路外冲击力的主体，是否按照设计要求有足够的埋入深度，直接影响到其对车辆的防护能力，是极其重要的指标。从已建成的高速公路项目来看，大部分项目质量达到了要求，成为促进经济发展和社会进步的重要基础设施。但因种种原因，部分项目隐蔽工程存在隐患，安全问题令人勘忧。2006 年底，我国高速公路通车里程已达4.54 万公里，根据国家高速公路网建设规划，未来15 年间，我国建成8.5 万公里国家高速公路网。由于护栏立柱数量庞大，土质条件复杂等客观原因，以及其他主观方面的因素，使得不少护栏立柱未能达到设计埋深，为交通安全带来很大的隐患。在2004 年12 月，中央电视台“焦点访谈”节目中，对山西祁临高速公路护栏立柱埋入深度严重不足的问题作了专题报道后，引起了道路使用者、交通行业乃至全社会的广泛关注。近年来，随着电子技术的飞速发展和交通安全的迫切需要，国内外对此进行了更加积极的研究和开发，并取得了突破性的进展。日本的国土交通省于2010 年3 月颁布了“非破壊試験鋼製防護柵根入長測定要領(案)”（中文译名：钢质护栏埋深无损检测规范），而我国于2010 年8 月正式颁布了国家标准“钢质护栏立柱埋深冲击弹性波检测仪（GB/T 24967-2010）”，更是标志着钢质护栏立柱埋深的无损检测技术进入了实用化阶段。我国在2010 年8 月颁布的国家标准：“钢质护栏立柱埋深冲击弹性波检测仪（GB/T 24967-2010）”中，则对测试设备的原理、构成以及精度等方面提出了明确的要求。从测试方法来看，大致可以分为三类：1) 电磁感应法：该方法是在立柱内侧钻孔，插入电磁感应探头。当探头周围有金属（立柱）和没有金属时，感应的电流会发生明显的变化，据此既可探测立柱的埋深。该方法原理简单，测试精度也较高，但需要在立柱内钻孔，测试工作量大，对土质也有松动，现在较少使用；2) 超声波法：该方法采用超声波测试装置，在立柱的侧面安装探头并激发超声波信号，通过接收从立柱底部的反射信号，并根据其传播时间和传播速度来推算立柱的埋深。何成富等（2008）提出了一种利用超声波导波技术的测试方法9。该方法在立柱周围粘贴24 片压电片，通过激发轴对称导波模态来测试立柱深度3) 冲击弹性波法：本书作者开发了基于冲击弹性波的检测方法1011。该方法的基本原理与超声波相同，所不同的是采用电磁激振的方式诱发冲击弹性波。由于其具有激振能量较大、波长较长（衰减相对较小）、基本参数（波速）稳定等优点，使得其测试深度较深，不仅适合于新设立柱，也能够适合于埋设时间较长的既设立柱。通过对近10 条高速公路的现场测试和大量的验证，证明该方法具有较高的测试精度和信赖性，能够达到工程实际的要求。EDMA-I 型钢质护栏立柱埋深冲击弹性波检测仪测试的基本原理 基于冲击弹性波的立柱埋深测试的基本原理与基桩的健全性测试相同，即利用弹性波的反射特性，根据标定所得的弹性波波速，并通过立柱底部的反射时刻进而推算立柱的长度及埋深。在实际的测试中，可以利用1 个频道的重复反射法测试，适合短立柱的测试；也可以利用2 个频道的单一反射法测试，适合长立柱的测试。EDMA 中将这2 种测试方法合并，采用的是2 个通道的测试方法，只是在数据处理方式上加以区分。单频道测试双频道测试图2-2-1 测试原理概要利用自动激振装置在柱头截面上发出一个脉冲信号，该脉冲信号在立柱的端面发生反射。通过对发射信号及反射信号的抽出，从而可以计算立柱长度及埋深。公路护栏立柱埋深冲击弹性波检测技术体系13图2-2-2A 测试示意图图2-2-2B 发射信号及反射信号2.2.1.1 单一反射法利用首次反射信号，根据其传播时间按下式即可计算出立柱长度和埋深。( ) / 2 S R S L = L +V T -T其中， L ：为立柱长度， S L ：传感器与立柱顶部间距离R T ：反射波到达时刻， S T ：发振波到达时刻V ：在立柱中的弹性波波速，在本系统中采用P 波。其波速可以通过下式计算或实测。把立柱作为1 维物体，其中传播的P 波波速公路护栏立柱埋深冲击弹性波检测技术体系14rV V E P = =其中，E 为立柱材料（钢材）的弹性模量（杨氏模量），一般在200 到210GPa 之间。r 为立柱材料（钢材）的密度2.2.1.2 重复反射法在立柱较短，弹性波衰减较小时，发振的弹性波会在立柱内重复反射。此时，立柱的长度按下式计算：L = V T / 2其中，T ：在立柱中弹性波1 个往返所需的时间，可以通过FFT，MEM 等频谱分析的方法来确定。2.2.1.3 立柱的分类根据立柱的埋入条件、形状以及设置时间等，可以将立柱分为以下几类：1） 土中立柱：打、埋入土质、土石材料中，并无灌浆的护栏立柱；2） 岩石放入立柱：在岩石中钻孔并埋入的钢质立柱，未灌浆；3） 岩石灌浆立柱：在岩石中钻孔并埋入的钢质立柱，周围及内部加以灌浆；4） 混凝土中立柱：埋入混凝土中的护栏立柱；5） 砂浆中立柱：埋入土中，但灌注砂浆的护栏立柱；同时，作为测试对象的立柱，还应满足以下条件：1） 形状、外观：对象护栏应为圆柱形或棱形，不得弯曲；2） 设置时间：原则上应为新设置或设置时间不超过5 年的钢制护栏立柱。2.2.1.4 波速的取值可以看出，计算用V 是测试立柱埋深时非常重要的参数。我们对多种立柱材料的V进行了测试。测试时采用空置方式以提高测试精度，其结果如下表所示，可以看出，不同材料之间的P 波波速变化较小。同时，我们也用理论值进行了对比。表2-2-1 空置立柱检测结果一览表编号测试地点长度(m) 测定波速1 山东2.150 5.161公路护栏立柱埋深冲击弹性波检测技术体系152 云南1.875 5.1313 云南1.875 5.1254 四川2.020 5.1025 四川2.500 5.1356 北京2.000 5.083表2-2-2A 理论波速及实测波速(单位：km/s)弹性模量E 密度r 理论P V 实测范围P V200Gpa7800kg/m35.065.085.16210Gpa 5.19可以看出，实测值与理论值吻合得很好。但是，在实际的工程中，立柱埋入土、岩石、混凝土中时，计算用波速的取值会有一定的变化。表2-2-2B 不同条件下波速的取值(单位：km/s)状况说明建议取值土石材料中打入立柱无锈蚀5.18有锈蚀4.805.00岩石中设置立柱无灌浆5.18有灌浆5.105.18混凝土、砂浆中立柱连续混凝土槽，混凝土块体积大5.105.18单独混凝土块，体积较小