截至 ２０１７ 年末?我國(guó)公路總里程達(dá)到 ４７７. ３５ 萬(wàn)公里? 其中?高速公路 １３. ６５ 萬(wàn)公里?里程規(guī)模居
世界第一 [１] ? 國(guó)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(wàn)起?其中傷亡人數(shù) ６. ３ 萬(wàn)
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(chē)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(chēng)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(duì)車(chē)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(wú)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(huì)公眾和 交通行業(yè)的廣泛關(guān)注?
采用無(wú)損檢測(cè)設(shè)備對(duì)立柱埋深進(jìn)行檢測(cè)是目前常用的方法? 而基于彈性波理論的檢測(cè)設(shè)備能否滿(mǎn)足不同工況下的精度要求?相關(guān)學(xué)者也對(duì)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(duì)檢測(cè)精度的影響? 梁世斌[４] 、張瀟等[５￣６] 提出波在立柱埋深檢測(cè)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(huì)對(duì)波信號(hào)產(chǎn)生衰減吸收等問(wèn)題?并研究了不同狀態(tài)對(duì)檢測(cè)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(huì)影響波的幅值而不影響波速? 趙星[１１] 提出由于波信號(hào)衰減引發(fā)的畸變對(duì)測(cè)量精度有影響? 賈志絢等[１２] 指出傳感器類(lèi)型及安裝位置、波形鋼護(hù)欄、激振方式等對(duì)檢測(cè)精度的影響?
１. １ 無(wú)損檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)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(cè)儀( ＩＥ) ?詳見(jiàn)圖 １? 該設(shè)備組成包括儀器主機(jī)、專(zhuān)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(cè)儀的測(cè)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(guò)量測(cè)彈性波在鋼質(zhì)立柱中的傳播時(shí)間來(lái)推算立柱的長(zhǎng)度及埋深?測(cè)試原理詳見(jiàn)圖 ２?
１. ２研究參數(shù)選定
從現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看?對(duì)立柱埋深范圍內(nèi)路基填土類(lèi)別的精度影響未開(kāi)展深入實(shí)驗(yàn)研究? 目前大多數(shù)
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(kāi)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(duì)測(cè)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(duì)立柱埋深檢測(cè)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(cè)試 ２ 次?并通過(guò)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(zhǎng)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(duì)檢測(cè)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(duì)立柱埋深檢測(cè)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(guò)程及土質(zhì)分布示意見(jiàn)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(zhǎng)度測(cè)試
由于立柱埋深等于立柱總長(zhǎng)減去立柱外露長(zhǎng)度?為減少由于外露長(zhǎng)度的人為測(cè)量誤差造成影響?這里的結(jié)果分析指標(biāo)均取立柱總長(zhǎng)? 立柱埋深檢測(cè)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(wú)量綱?是衡量錘擊力度的指標(biāo)?數(shù)值過(guò)大或過(guò)小無(wú)法獲得采樣數(shù)據(jù)) ?當(dāng)確定環(huán)境噪音滿(mǎn)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(wú)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(cè)試結(jié)果文件?實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果匯總見(jiàn)表 １?
圖 ５ 實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
表 １ 測(cè)試結(jié)果匯總( 鋼質(zhì)立柱總長(zhǎng)) 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(duì)測(cè)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(cè)儀( ＩＥ) 的實(shí)測(cè)結(jié)果分析? 由圖可知?純黏土工況下的實(shí)測(cè)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(lái)看?純黏土工況下的實(shí)測(cè)精度要高于純砂土的實(shí)測(cè)精度?說(shuō)明砂土對(duì)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(cè)值均略小于實(shí)際長(zhǎng)度?最大偏差的立柱長(zhǎng)度
為 １. ４６０ ｍ?比實(shí)際值小 ４ ｃｍ( － ２. ６％ ) ?最小偏差
的立柱長(zhǎng)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(cè)最大偏差的立柱
圖 ６ 單一土層對(duì)長(zhǎng)度測(cè)試精度影響分析圖
長(zhǎng)度為 １. ５２３ ｍ?比實(shí)際值大 ２. ３ ｃｍ( ＋ １. ５％ ) ?其實(shí)測(cè)最小偏差的立柱長(zhǎng)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(shuō)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(cè)偏差值和離散程度要明顯高于純砂土工況的實(shí)測(cè)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(cè)精度均有所提高?純黏土工況下的實(shí)測(cè)偏差( ＋ ０. ６％ ) 卻明顯低于純砂土工況的實(shí)測(cè)偏差( － １. ６％ ) ?且純黏土工況下實(shí)測(cè)值總體表現(xiàn)出略大于實(shí)際立柱長(zhǎng)度( 約 ＋ ０. ５％ ) ?
２. ２ 復(fù)合土質(zhì)對(duì)測(cè)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(cè)儀( ＩＥ) 的實(shí)測(cè)結(jié)果分析? 由圖可知?在復(fù)合土層工況下?無(wú)論是上黏下砂還是上砂下黏工況?二者測(cè)試的離散程度相當(dāng)?但從數(shù)據(jù)總體精度來(lái)看?上砂下黏工況下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有更高的精度?其實(shí)測(cè)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(cè)結(jié)果表現(xiàn)出略小于實(shí)際值( 約 － １. ５％ ) ?說(shuō)明砂土對(duì)實(shí)測(cè)精度的影響主要集中在立柱的根部?即砂土對(duì)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(cè)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(duì)長(zhǎng)度測(cè)試精度影響分析圖
砂工況的實(shí)測(cè)值略大于實(shí)際長(zhǎng)度?最大偏差的立柱長(zhǎng)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(cè)值略小于實(shí)際長(zhǎng)度?其最大偏差的立柱長(zhǎng)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(cè)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(cè)最大偏差的立柱長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)精度也要略高一些?
２. ３ 采樣數(shù)據(jù)量大小對(duì)測(cè)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(duì)立柱長(zhǎng)度測(cè)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(cè)值的平均值作為該工況下的實(shí)測(cè)值? 由圖可知?無(wú)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(cè)結(jié)果的精度逐漸提高?當(dāng)超過(guò)一定數(shù)據(jù)量后(１０ 次) ?對(duì)實(shí)測(cè)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(cè)試結(jié)果精度較
低?實(shí)測(cè)最大偏差的立柱長(zhǎng)度為１. ５１６ ｍ( ＋ １. １％ ) ?
實(shí)測(cè)最小偏差的立柱長(zhǎng)度為 １. ４６４ ｍ( － ２. ４％ ) ?而
當(dāng)采樣數(shù)據(jù)次數(shù)超過(guò) １０ 次后?采樣數(shù)據(jù)量大小對(duì)結(jié)
圖 ８ 采樣數(shù)據(jù)量對(duì)測(cè)試精度影響分析圖
果精度基本沒(méi)影響?最小偏差的立柱長(zhǎng)度為１. ４７３ ｍ?比實(shí)際值小２. ７ ｃｍ( － １. ８％ ) ?最大偏差的立柱長(zhǎng)
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(cè)儀( ＩＥ) 測(cè)定鋼質(zhì)護(hù)欄立柱埋
深時(shí)?建議單根立柱埋深測(cè)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(cè)結(jié)果?
２. ４ 影響檢測(cè)精度的其他情況
在實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)?除土質(zhì)的不同存在檢測(cè)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(cè)試結(jié)果? 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看?當(dāng)激振錘的錘擊力度過(guò)大或過(guò)小時(shí)?出現(xiàn)無(wú)法采集到測(cè)試數(shù)據(jù)的情況( 表中“—” 表示無(wú)數(shù)據(jù)結(jié)果) ?即電腦提示“ 數(shù)據(jù)溢出” 或者“ 無(wú)法識(shí)取數(shù)據(jù)” 的情況?個(gè)別實(shí)測(cè)結(jié)果精度偏差較大( 偏差值約 ± ３％ ) ? 所以?經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試?對(duì)于錘擊力度就在土質(zhì)工況下測(cè)試時(shí)力度取值為 ９? 傳感器接觸面光滑工況下的測(cè)試精度明顯高于接觸面不光滑工況的測(cè)試精度?說(shuō)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(cè)試結(jié)果匯總( 鋼質(zhì)立柱總長(zhǎng)) 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(guò)純黏土、純砂土、砂黏復(fù)合土 ３ 種工況下的立柱長(zhǎng)度測(cè)試精度開(kāi)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(cè)精度高于純砂土的實(shí)測(cè)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(cè)精度比上黏下砂工況下的實(shí)測(cè)精度高?說(shuō)明當(dāng)路基填土粒徑從上往下逐漸減小時(shí)?其實(shí)測(cè)精度較高?
(３) 單根立柱采樣數(shù)據(jù)量越大其實(shí)測(cè)精度越高?當(dāng)超過(guò)一定數(shù)據(jù)量(１０ 次) 后趨于穩(wěn)定?
(４) 砂土對(duì)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(cè)過(guò)程中視具體情況做適當(dāng)修正?
(５) 自動(dòng)激振錘的力度過(guò)大或過(guò)小則無(wú)法識(shí)取數(shù)據(jù)?極個(gè)別可識(shí)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(huì)影響檢測(cè)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) ]
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轉(zhuǎn)自：《公路》2020年第1期251-256,共6頁(yè) 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)
