截至 ２０１７ 年末?我國公路總里程達(dá)到 ４７７. ３５ 萬公里? 其中?高速公路 １３. ６５ 萬公里?里程規(guī)模居
世界第一 [１] ? 國家統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示?２０１６ 年交通事故發(fā)生數(shù)總計 ２１. ２８ 萬起?其中傷亡人數(shù) ６. ３ 萬
人?經(jīng)濟財產(chǎn)損失約 １２. ０７ 億元?２０１５ 年交通事故傷亡人數(shù)占比高達(dá) ８７. ９１％ ?每 ３ 人死亡事故中就有 １ 人死于車輛駛離道路的事故[２] ? 公路護欄是交通安全的重要設(shè)施?護欄立柱作為主要抗力裝置被稱為駕駛員的“ 最后一道安全屏障” ? 立柱能否達(dá)到設(shè)計埋深也將直接影響對車輛的防護能力?但由于各種原因?部分施工單位遇到堅硬路基無法正常插打立柱而選擇將立柱直接切割?導(dǎo)致立柱埋深不足? ２００６ 年山西祁臨高速發(fā)生的特大交通事故的主要原因就是由于立柱埋深不足導(dǎo)致?當(dāng)時引發(fā)了社會公眾和 交通行業(yè)的廣泛關(guān)注?
采用無損檢測設(shè)備對立柱埋深進行檢測是目前常用的方法? 而基于彈性波理論的檢測設(shè)備能否滿足不同工況下的精度要求?相關(guān)學(xué)者也對此做了廣泛的研究? 何存富等[３] 在彈性動力學(xué)理論基礎(chǔ)上系統(tǒng)分析了導(dǎo)波群速度、衰減和頻散等對檢測精度的影響? 梁世斌[４] 、張瀟等[５￣６] 提出波在立柱埋深檢測中的優(yōu)點和應(yīng)用潛力?但也指出立柱埋深內(nèi)土體會對波信號產(chǎn)生衰減吸收等問題?并研究了不同狀態(tài)對檢測方法及精度的影響并提出各狀態(tài)因素的影響校正因子? 張明啟[７] 、Ｖｏｇｔ 等[８￣１０] 指出彈性波在波阻抗界面處發(fā)生的反射和透射遵循斯奈爾定律?反射效應(yīng)會影響波的幅值而不影響波速? 趙星[１１] 提出由于波信號衰減引發(fā)的畸變對測量精度有影響? 賈志絢等[１２] 指出傳感器類型及安裝位置、波形鋼護欄、激振方式等對檢測精度的影響?
１. １ 無損檢測設(shè)備簡介
本實驗采用四川升拓技術(shù)有限公司研發(fā)的鋼質(zhì)護欄立柱埋深檢測儀( ＩＥ) ?詳見圖 １? 該設(shè)備組成包括儀器主機、專用電腦、加速度傳感器、自動激振錘、激振控制器等? 護欄立柱埋深檢測儀的測試基本原理是利用沖擊彈性波的反射特性?在已知標(biāo)定波速條件下?通過量測彈性波在鋼質(zhì)立柱中的傳播時間來推算立柱的長度及埋深?測試原理詳見圖 ２?
１. ２研究參數(shù)選定
路基填土為黏土、砂土等? 因此這里的實驗研究中?以純黏土、純砂土、砂黏復(fù)合土( 上黏下砂、上砂下黏)３ 個參數(shù)作為路基填土的土質(zhì)參數(shù)開展實驗研究( 這里的實驗用土均為烘干土體?含水率對測試精度的影響有待進一步研究) ? 為研究采樣數(shù)據(jù)量大小對立柱埋深檢測精度的影響?每種路基填土的采樣數(shù)據(jù)按 ５、１０、１５、２０ 次 ４ 種工況進行采樣?每個工況測試 ２ 次?并通過調(diào)節(jié)激振控制器數(shù)值嚴(yán)格控制每次錘擊力度?確保每次錘擊力度基本一致? 土質(zhì)厚度設(shè)定為 ０. ３ ｍ?復(fù)合土設(shè)定為黏、砂土厚度各為
０. １５ ｍ?
１. ３ 實驗?zāi)Ｐ椭谱?/div>
室內(nèi)實驗?zāi)Ｐ筒捎脤⒁桓L度 １. ５０ ｍ、直徑 ０. １１４ ｍ、壁厚 ４ ｍｍ 的鋼質(zhì)立柱( 接近實際護欄立柱規(guī)格[１４] ) 埋入鋼質(zhì)圓桶?在圓桶內(nèi)分層填土并夯實?控制好每層填土的夯擊力度和次數(shù)?確保土質(zhì)密實度基本一致? 實際工程要求護欄立柱埋深不低于 １. １ ｍ?考慮到本實驗研究目標(biāo)為不同土質(zhì)對檢測精
度的影響及室內(nèi)實驗條件限制等因素?本實驗?zāi)Ｐ偷牧⒅裆钊?０. ３ ｍ? 為避免鋼桶底板對立柱埋深檢測的影響?在立柱底部放置一塊硬紙板進行隔離?室內(nèi)實驗立柱模型制作過程及土質(zhì)分布示意見圖 ３、圖 ４?
圖 ３ 實驗立柱模型制作 圖 ４ 實驗?zāi)Ｐ屯临|(zhì)分布
１. ４ 立柱長度測試
由于立柱埋深等于立柱總長減去立柱外露長度?為減少由于外露長度的人為測量誤差造成影響?這里的結(jié)果分析指標(biāo)均取立柱總長? 立柱埋深檢測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 ５ 所示?本次實驗嚴(yán)格按照設(shè)備使用安裝操作流程進行安裝連接? 鋼管波速取為 ５. １９ ｋｍ / ｓ?激振控制器的力度大小控制在 ９. ０( 此數(shù)值為激振器顯示數(shù)值?無量綱?是衡量錘擊力度的指標(biāo)?數(shù)值過大或過小無法獲得采樣數(shù)據(jù)) ?當(dāng)確定環(huán)境噪音滿足要求后?使用自動采集模式進行數(shù)據(jù)采集?數(shù)據(jù)分析統(tǒng)一采用批量解析?不存在無效解析結(jié)果?最后自動保存解析結(jié)果文件并截圖?形成實驗測試結(jié)果文件?實驗測試結(jié)果匯總見表 １?
圖 ５ 實驗儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
表 １ 測試結(jié)果匯總( 鋼質(zhì)立柱總長) ｍ
土質(zhì)參數(shù) 采樣次數(shù)/ 次
5 5 １０ 10 １５ １５ ２０ ２０
純黏土( 埋深 ３０ ｃｍ) １. ５０８ １. ４４２ １. ５０６ １. ４３７ １. ５２３ １. ４９４ １. ５１２ １. ５０５
純砂土( 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 實驗結(jié)果分析
２. １ 單一土質(zhì)對測試精度的影響分析
圖 ６ 給出了立柱埋置在單一土層工況下?采用檢測儀( ＩＥ) 的實測結(jié)果分析? 由圖可知?純黏土工況下的實測數(shù)據(jù)離散程度要略高于純砂土工況下的離散程度?從數(shù)據(jù)的總體精度來看?純黏土工況下的實測精度要高于純砂土的實測精度?說明砂土對彈性波的傳遞的干擾程度高于黏土?
當(dāng)單根立柱采樣數(shù)據(jù)量在 ５ 次時?純砂土工況下的測值均略小于實際長度?最大偏差的立柱長度
為 １. ４６０ ｍ?比實際值小 ４ ｃｍ( － ２. ６％ ) ?最小偏差
的立柱長度為 １. ４７７ ｍ? 比實際值小 ２. ３ ｃｍ ( － １. ５％ ) ? 純黏土工況下的實測最大偏差的立柱
圖 ６ 單一土層對長度測試精度影響分析圖
長度為 １. ５２３ ｍ?比實際值大 ２. ３ ｃｍ( ＋ １. ５％ ) ?其實測最小偏差的立柱長度為 １. ４３７ ｍ?比實際值小
６. ３ ｃｍ( － ４. ２％ ?超規(guī)范限值 ４％ [１５] ) ?說明在采樣數(shù)據(jù)量較小時( < １０ 次) ?純黏土工況下的實測偏差值和離散程度要明顯高于純砂土工況的實測值?且可能出現(xiàn)超規(guī)范情況?
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當(dāng)單根立柱采樣數(shù)據(jù)量在 １０ 次以上時?上述兩個工況下的實測精度均有所提高?純黏土工況下的實測偏差( ＋ ０. ６％ ) 卻明顯低于純砂土工況的實測偏差( － １. ６％ ) ?且純黏土工況下實測值總體表現(xiàn)出略大于實際立柱長度( 約 ＋ ０. ５％ ) ?
２. ２ 復(fù)合土質(zhì)對測試精度的影響分析
圖 ７ 給出了立柱埋置在復(fù)合土層工況下?采用檢測儀( ＩＥ) 的實測結(jié)果分析? 由圖可知?在復(fù)合土層工況下?無論是上黏下砂還是上砂下黏工況?二者測試的離散程度相當(dāng)?但從數(shù)據(jù)總體精度來看?上砂下黏工況下的實測數(shù)據(jù)具有更高的精度?其實測結(jié)果表現(xiàn)出略大于實際值( 約 ＋ ０. ５％ ) ?上黏下砂工況下的實測結(jié)果表現(xiàn)出略小于實際值( 約 － １. ５％ ) ?說明砂土對實測精度的影響主要集中在立柱的根部?即砂土對彈性波的反射干擾程度要略高于黏土?
當(dāng)單根立柱采樣數(shù)據(jù)量在 ５ 次工況下?上述兩
工況下的實測數(shù)據(jù)偏差和離散程度均較大?下黏上
圖 ７ 復(fù)合土層對長度測試精度影響分析圖
砂工況的實測值略大于實際長度?最大偏差的立柱長度為 １. ５３０ ｍ?比實際值大 ３ ｃｍ( ＋ ２. ０％ ) ? 上黏下砂工況下的實測值略小于實際長度?其最大偏差的立柱長度為 １. ４５４ ｍ?比實際值小 ４. ６ ｃｍ ( － ３. ０％ ) ?上砂下黏工況下的實測精度略高一些?
當(dāng)單根立柱采樣數(shù)據(jù)量在 １０ 次以上時?上砂下黏工況下實測最大偏差的立柱長度為 １. ５１７ ｍ?比
實際值大 １. ７ ｃｍ( ＋ １. ３％ ) ? 上黏下砂工況下最大偏差的立柱長度為 １. ４６１ ｍ?比實際值小 ３. ９ ｃｍ ( － ２. ６％ ) ?上砂下黏工況下的實測精度也要略高一些?
２. ３ 采樣數(shù)據(jù)量大小對測試精度的影響分析
圖 ８ 給出了單根立柱采樣數(shù)據(jù)量大小對立柱長度測試精度的影響?本組數(shù)據(jù)采用相同工況下的兩個實測值的平均值作為該工況下的實測值? 由圖可知?無論立柱埋置在何種土層工況下?隨著單根立柱采樣數(shù)據(jù)量的增大?其實測結(jié)果的精度逐漸提高?當(dāng)超過一定數(shù)據(jù)量后(１０ 次) ?對實測精度的影響趨于穩(wěn)定?
當(dāng)采樣次數(shù)在 ５ 次工況下?其測試結(jié)果精度較
低?實測最大偏差的立柱長度為１. ５１６ ｍ( ＋ １. １％ ) ?
實測最小偏差的立柱長度為 １. ４６４ ｍ( － ２. ４％ ) ?而
當(dāng)采樣數(shù)據(jù)次數(shù)超過 １０ 次后?采樣數(shù)據(jù)量大小對結(jié)
圖 ８ 采樣數(shù)據(jù)量對測試精度影響分析圖
果精度基本沒影響?最小偏差的立柱長度為１. ４７３ ｍ?比實際值小２. ７ ｃｍ( － １. ８％ ) ?最大偏差的立柱長
度為 １. ５０７ ｍ?比實際值大 ０. ７ ｃｍ( ＋ ０. ５％ ) ? 因此當(dāng)采用立柱埋深檢測儀( ＩＥ) 測定鋼質(zhì)護欄立柱埋
深時?建議單根立柱埋深測試的采樣數(shù)據(jù)量不小于 １０ 次?可以獲得較為精確的實測結(jié)果?
２. ４ 影響檢測精度的其他情況
在實際測量數(shù)據(jù)時?除土質(zhì)的不同存在檢測精度的主要原因外?外設(shè)條件雖然影響不是主要的?但也存在不可忽視的影響? 如激振錘的力度、傳感器接觸面的光滑程度?
表 ２ 給出了不同錘擊力度、傳感器接觸面工況下的測試結(jié)果? 從實驗結(jié)果來看?當(dāng)激振錘的錘擊力度過大或過小時?出現(xiàn)無法采集到測試數(shù)據(jù)的情況( 表中“—” 表示無數(shù)據(jù)結(jié)果) ?即電腦提示“ 數(shù)據(jù)溢出” 或者“ 無法識取數(shù)據(jù)” 的情況?個別實測結(jié)果精度偏差較大( 偏差值約 ± ３％ ) ? 所以?經(jīng)過反復(fù)的測試?對于錘擊力度就在土質(zhì)工況下測試時力度取值為 ９? 傳感器接觸面光滑工況下的測試精度明顯高于接觸面不光滑工況的測試精度?說明將傳感器與立柱接觸面打磨光滑是非常必要的?
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表 ２ 其他參數(shù)測試結(jié)果匯總( 鋼質(zhì)立柱總長) ｍ
影響參數(shù) 采樣次數(shù)/ 次
５ ５ １０ １０ １５ １５ ２０ ２０
激振錘力度值( ≤５) — — — — — １. ４５６ — —
激振錘力度值( ≥１５) — — — １. ５４２ — — １. ５４３ —
傳感器接觸面光滑 １. ５０２ １. ５０１ １. ５０５ １. ５０６ １. ４９６ １. ５０８ １. ４９５ １. ５１０
傳感器接觸面不光滑 １. ４６７ １. ４５４ １. ４５６ １. ５４１ １. ４６４ １. ４７２ １. ４６８ １. ５４０
３ 結(jié) 論
通過純黏土、純砂土、砂黏復(fù)合土 ３ 種工況下的立柱長度測試精度開展實驗研究?得出如下結(jié)論: (１) 當(dāng)路基填土采用單一土質(zhì)作為填料時?純黏土工況下的實測精度高于純砂土的實測精度?
(２) 當(dāng)路基填土采用復(fù)合土質(zhì)作為填料時?上砂下黏工況下的實測精度比上黏下砂工況下的實測精度高?說明當(dāng)路基填土粒徑從上往下逐漸減小時?其實測精度較高?
(３) 單根立柱采樣數(shù)據(jù)量越大其實測精度越高?當(dāng)超過一定數(shù)據(jù)量(１０ 次) 后趨于穩(wěn)定?
(４) 砂土對彈性波的傳遞和反射的干擾程度要高于黏土?建議實際工程檢測過程中視具體情況做適當(dāng)修正?
(５) 自動激振錘的力度過大或過小則無法識取數(shù)據(jù)?極個別可識取的數(shù)據(jù)偏差較大?采用本設(shè)備的激振控制器力度宜在 ８ ~ １０ 之間?
(６) 傳感器與立柱接觸面的光滑度會影響檢測精度?建議適當(dāng)打磨二者的接觸面?注意避免將傳感器安裝在鋼管焊縫處?
[ 參 考 文 獻 ]
[１] 新華社. 新浪財經(jīng)報告:我國高速公路里程突破 １４ 萬公里[ Ｒ / ＯＬ]. (２０１８￣１２￣２９)[２０１９￣０８￣１５]. ｈｔｔｐｓ:/ / ｆｉｎａｎｃｅ. ｓｉ￣ ｎａ. ｃｏｍ. ｃｎ / ｒｏｌｌ / ２０１８￣１２￣２９ / ｄｏｃ￣ｉｈｑｈｑｃｉｓ１３５６８００. ｓｈｔｍｌ.
[２] 國家統(tǒng)計局. 中國統(tǒng)計年鑒 ２０１７[ Ｍ]. 北京:中國統(tǒng)計出版社?２０１７.
[３] 何存富?王學(xué)浦?王秀彥?等. 基于導(dǎo)波技術(shù)的高速公路護欄立柱埋深檢測[ Ｊ]. 中國公路學(xué)報?２００８?２１(６):３７￣４２. [４] 梁世斌. 護欄立柱埋深檢測方法應(yīng)用分析[ Ｊ]. 公路交通科技?２０１７?１４８(４):２９￣３０.
[５] 張瀟. 公路護欄立柱埋深無損檢測技術(shù)及影響因素研究[ Ｄ]. 太原:太原科技大學(xué)?２０１１.
[６] 張瀟?賈志絢. 護欄狀態(tài)因素對立柱埋深彈性波檢測法的影響分析[ Ｊ]. 公路工程?２０１１?３６(５):３３￣３９. [７] 張明啟. 基樁反射波法測試技術(shù)的應(yīng)用研究[ Ｄ]. 天津:天津大學(xué)?２００６.
[８] ＶＯＧＴ Ｔ?ＬＯＷＥ Ｍ?ＣＡＷＬＥＹ Ｐ. Ｔｈｅ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｇｕｉｄｅｄ Ｗａｖｅｓ ｉｎ Ｐａｒｔｌｙ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ[ Ｊ]. Ｔｈｅ Ｊｏｕｒ￣ ｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ?２００３?１１３(３):１２５８￣１２７２.
[９] ＣＵＩ Ｙ?ＺＯＵ Ｄ Ｊ. Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｇｒｏｕｐ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ Ｇｕｉｄｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗａｖｅ ｉｎ Ｇｒｏｕｔｅｄ Ｒｏｃｋ Ｂｏｌｔ[Ｊ].
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ?２００６?５９(４):３３７￣３４４.
[１０] ＳＩＮＨＡ Ｓ Ｌ?ＡＲＯＲＡ Ｒ Ｃ?ＲＯＹ Ｓ. Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｒｏｏｍ ａｉｒ ｆｌｏｗ ｗｉｔｈ Ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｂｕｏｙａｎｃｙ[ Ｊ].
Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ２０００?３２:１２１￣１２９.
[１１] 趙星. 高速公路護欄立柱埋置深度無損檢測方法和實驗研究[ Ｄ]. 太原:太原科技大學(xué)?２０１０:２６.
[１２] 賈志絢?張瀟?趙星?等. 基于彈性波法的公路護欄立柱埋深無損檢測技術(shù)及影響因素研究[ Ｊ]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報?２０１２?３８(６):８７０￣８７４.
[１３] 吳佳曄. 土木工程檢測與測試[ Ｍ]. 北京:高等教育出版社?２０１５.
[１４] 交通部公路科學(xué)研究所. 高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則:ＪＴＧ / Ｔ Ｄ８１—２０１７[ Ｓ]. 北京:人民交通出版社?２０１７. [１５] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局?中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 鋼質(zhì)護欄立柱埋深沖擊彈性波檢測
儀:ＧＢ / Ｔ ２４９６７—２０１０[ Ｓ]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社?２０１０.
轉(zhuǎn)自：《公路》2020年第1期251-256,共6頁 朱
樸
肖啟揚
( 黎明職業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 福建 泉州 ３６２０００)
