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(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示?２０１６ 年交通事故發(fā)生數(shù)總計(jì) ２１. ２８ 萬起?其中傷亡人數(shù) ６. ３ 萬
人?經(jīng)濟(jì)財(cái)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(hù)欄是交通安全的重要設(shè)施?護(hù)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(jì)埋深也將直接影響對車輛的防護(hù)能力?但由于各種原因?部分施工單位遇到堅(jiān)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(shí)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(jìn)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(dòng)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(diǎn)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(hù)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(shí)驗(yàn)采用四川升拓技術(shù)有限公司研發(fā)的鋼質(zhì)護(hù)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(jī)、專用電腦、加速度傳感器、自動(dòng)激振錘、激振控制器等? 護(hù)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)參數(shù)作為路基填土的土質(zhì)參數(shù)開展實(shí)驗(yàn)研究( 這里的實(shí)驗(yàn)用土均為烘干土體?含水率對測試精度的影響有待進(jìn)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(jìn)行采樣?每個(gè)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/div>
室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?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(shí)際護(hù)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(shí)?控制好每層填土的夯擊力度和次數(shù)?確保土質(zhì)密實(shí)度基本一致? 實(shí)際工程要求護(hù)欄立柱埋深不低于 １. １ ｍ?考慮到本實(shí)驗(yàn)研究目標(biāo)為不同土質(zhì)對檢測精
度的影響及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件限制等因素?本實(shí)驗(yàn)?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(jìn)行隔離?室內(nèi)實(shí)驗(yàn)立柱模型制作過程及土質(zhì)分布示意見圖 ３、圖 ４?
圖 ３ 實(shí)驗(yàn)立柱模型制作 圖 ４ 實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照設(shè)備使用安裝操作流程進(jìn)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(dòng)采集模式進(jìn)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(dòng)保存解析結(jié)果文件并截圖?形成實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果文件?實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果匯總見表 １?
圖 ５ 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)測結(jié)果分析? 由圖可知?純黏土工況下的實(shí)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(shí)測精度要高于純砂土的實(shí)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(shí)?純砂土工況下的測值均略小于實(shí)際長度?最大偏差的立柱長度
為 １. ４６０ ｍ?比實(shí)際值小 ４ ｃｍ( － ２. ６％ ) ?最小偏差
的立柱長度為 １. ４７７ ｍ? 比實(shí)際值小 ２. ３ ｃｍ ( － １. ５％ ) ? 純黏土工況下的實(shí)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(shí)際值大 ２. ３ ｃｍ( ＋ １. ５％ ) ?其實(shí)測最小偏差的立柱長度為 １. ４３７ ｍ?比實(shí)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(shí)( < １０ 次) ?純黏土工況下的實(shí)測偏差值和離散程度要明顯高于純砂土工況的實(shí)測值?且可能出現(xiàn)超規(guī)范情況?
７３
當(dāng)單根立柱采樣數(shù)據(jù)量在 １０ 次以上時(shí)?上述兩個(gè)工況下的實(shí)測精度均有所提高?純黏土工況下的實(shí)測偏差( ＋ ０. ６％ ) 卻明顯低于純砂土工況的實(shí)測偏差( － １. ６％ ) ?且純黏土工況下實(shí)測值總體表現(xiàn)出略大于實(shí)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(shí)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(shí)測數(shù)據(jù)具有更高的精度?其實(shí)測結(jié)果表現(xiàn)出略大于實(shí)際值( 約 ＋ ０. ５％ ) ?上黏下砂工況下的實(shí)測結(jié)果表現(xiàn)出略小于實(shí)際值( 約 － １. ５％ ) ?說明砂土對實(shí)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(shí)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(shí)測值略大于實(shí)際長度?最大偏差的立柱長度為 １. ５３０ ｍ?比實(shí)際值大 ３ ｃｍ( ＋ ２. ０％ ) ? 上黏下砂工況下的實(shí)測值略小于實(shí)際長度?其最大偏差的立柱長度為 １. ４５４ ｍ?比實(shí)際值小 ４. ６ ｃｍ ( － ３. ０％ ) ?上砂下黏工況下的實(shí)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(shí)?上砂下黏工況下實(shí)測最大偏差的立柱長度為 １. ５１７ ｍ?比
實(shí)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(shí)際值小 ３. ９ ｃｍ ( － ２. ６％ ) ?上砂下黏工況下的實(shí)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(gè)實(shí)測值的平均值作為該工況下的實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)測最大偏差的立柱長度為１. ５１６ ｍ( ＋ １. １％ ) ?
實(shí)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(shí)際值小２. ７ ｃｍ( － １. ８％ ) ?最大偏差的立柱長
度為 １. ５０７ ｍ?比實(shí)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(hù)欄立柱埋
深時(shí)?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(shí)測結(jié)果?
２. ４ 影響檢測精度的其他情況
在實(shí)際測量數(shù)據(jù)時(shí)?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(shí)驗(yàn)結(jié)果來看?當(dāng)激振錘的錘擊力度過大或過小時(shí)?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(gè)別實(shí)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(shí)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?
７４
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(shí)驗(yàn)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(shí)?純黏土工況下的實(shí)測精度高于純砂土的實(shí)測精度?
(２) 當(dāng)路基填土采用復(fù)合土質(zhì)作為填料時(shí)?上砂下黏工況下的實(shí)測精度比上黏下砂工況下的實(shí)測精度高?說明當(dāng)路基填土粒徑從上往下逐漸減小時(shí)?其實(shí)測精度較高?
(３) 單根立柱采樣數(shù)據(jù)量越大其實(shí)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(shí)際工程檢測過程中視具體情況做適當(dāng)修正?
(５) 自動(dòng)激振錘的力度過大或過小則無法識取數(shù)據(jù)?極個(gè)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(xiàn) ]
[１] 新華社. 新浪財(cái)經(jīng)報(bào)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(jì)局. 中國統(tǒng)計(jì)年鑒 ２０１７[ Ｍ]. 北京:中國統(tǒng)計(jì)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(hù)欄立柱埋深檢測[ Ｊ]. 中國公路學(xué)報(bào)?２００８?２１(６):３７￣４２. [４] 梁世斌. 護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)欄立柱埋置深度無損檢測方法和實(shí)驗(yàn)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(hù)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(bào)?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(jì)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(yàn)檢疫總局?中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 鋼質(zhì)護(hù)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(yáng)
( 黎明職業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 福建 泉州 ３６２０００)
