基于冲击弹性波的公路护栏立柱埋深检测技术研究

基于冲击弹性波的公路护栏立柱埋深检测技术研究

金康

浙江爱丽智能检测技术集团有限公司  浙江杭州  310000

摘要：本文利用冲击弹性波理论，研究了公路护栏立柱埋深的检测方法，分析了不同检测方法对检测结果的影响，并基于冲击弹性波理论和有限元分析提出了一种快速、简便、准确的公路护栏立柱埋深检测方法，该方法能够解决公路护栏立柱埋深检测中遇到的问题。应用该方法进行工程实例分析，结果表明：该方法能够准确地对公路护栏立柱埋深进行检测，具有一定的工程实用价值。

关键词：冲击弹性波；公路护栏立柱埋深；检测技术

引言：在公路桥梁护栏的设计中，立柱的埋深是一个重要参数，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。传统的检测方法主要是用拔出法进行检测，但是由于护栏立柱埋深较深，拔出时容易造成路基破坏、成本相对较高，不利于对立柱埋深质量进行筛查。为此，本文采用冲击弹性波方法来检测立柱的埋深。利用有限元分析软件对冲击弹性波在不同厚度的立柱中传播情况进行了模拟分析，并对影响弹性波传播速度和衰减规律的因素进行了探讨。

一、冲击弹性波基本理论

冲击弹性波是由弹性介质中的弹性波以一定的速度由源向目标传播而产生的一种机械波。该波以弹性介质中的弹性应力为传播载体，不同类型的弹性介质可以形成不同频率和波形的弹性波，由其在结构中传播而产生的结构响应。

冲击弹性波传播过程中，首先遇到具有一定厚度和密度的刚性界面，其在界面处产生应力集中现象；然后由于界面自身的原因而产生一定程度的位移，该位移与界面相对运动速度成正比。当传递到目标时，由于该界面对波速的衰减作用，即界面处会产生一个明显的反射；由于该反射波具有较大能量，且能量较强，会对波速进行衰减；由于界面反射波后会产生一个较大的透射，因此可以计算出透射系数；由于界面反射波后会产生一个较小能量的反射，因此可以计算出反射系数[1]。由上述过程可以推导出冲击弹性波在结构中传播时其能量随着传播距离的增加而逐渐减小，直到衰减到一定程度时能量趋于稳定。

在结构工程领域中，通过采用冲击弹性波方法进行埋深检测已经得到广泛应用。冲击弹性波可应用于公路、铁路、桥梁等工程领域。一般情况下，采用冲击弹性波法进行埋深检测时通常需要采用以下方法：首先在现场布置传感器；然后通过对传感器所测信号进行时域和频域分析来计算出结构响应；最后通过对响应信号进行时域和频域分析来获取埋深信息。

二、对埋深检测产生影响的因素

1.传感器类型及其安装位置

传感器是对弹性波反射信号予以接收的重要设备，与被测的立柱之间直接相连，将机械化的振动变量转变为电信号。所选择的传感器类型与安装形式会对波形的效果产生直接的影响，其性能与品质会对波形品质产生一定影响。传感器类型不同，所接收的频率信号也存在差异，在选择传感器时，主要考量的因素是频率响应度与灵敏度。在频响特性与输出方面，加速度传感器呈现出较多优势，比如频响更宽、灵敏度更高、更适合于野外作业，所获取的波形曲线有着明显的反射信号。

2.激振锤与激振方式

试验使用的激振锤材料基本上可以分成铝、尼龙与硬橡胶三类，经过试验发现，激振锤的材质会对测试效果产生较大影响，通常情况下，运用尼龙材质的激振锤所获取的波形效果更佳。在实验室当中，激振锤借助多元化的方式进行激振操作，比如将激振锤安装在传感器立柱的顶端、侧面等不同位置，在经过数次试验之后发现，传感器被安装在顶端时激振所获取的实验数据是最理想的。激振品质会对测试结果水平产生影响，并非激振能量越大越好，激振的力度需要适中。

3.立柱周围介质

    通常情况下，护栏立柱更多的是被埋在土中，在有构造被置于混凝土结构当中时，进行激振操作时，所形成的弹性波会蔓延到周围土壤当中，随着时间的不断推移，波的能量会逐渐弱化，弹性波的反射自由端会进入到周围戒指当中，使得波抗阻出现一定的变化，其会幅值变化产生影响，同时地表密实程度越高，其形成的弹性波衰减速度越快。当路面介质不同时，波阻抗的大小也产生了一定的变化，但是对于弹性波传播速度所产生的影响作用并不强。

三、冲击弹性波检测系统及数据采集

冲击弹性波检测系统由传感器、信号调理电路、数据采集系统、数据传输系统及计算机等部分组成。传感器采用具有高灵敏度和良好线性的ZH-10型振动传感器，该传感器可以检测到冲击弹性波在结构中的传播速度，且具有较高的频率分辨率，采用4通道同步采集数据，能有效地避免系统的参数漂移对测量结果带来的影响[2]。信号调理电路采用带有双滤波功能的TLC2543型数字信号处理器，具有较高的运算速度和精度，可快速处理数据并实现信号滤波等功能。数据采集系统包括数据采集卡、计算机、采集控制软件等。采集控制软件由“波形分析”和“数据分析”两部分组成，用户可根据检测需求在软件中设置具体参数。“波形分析”是通过对传感器采集到的信号进行时域和频域分析，可获得被测对象中弹性波传播速度、衰减情况以及波形特征等信息；“数据分析”是对采集到的数据进行曲线拟合，获得被测对象中弹性波传播速度、衰减系数等相关信息。

为验证该系统的可靠性及检测精度，在现场对护栏立柱埋深进行了现场检测，并采集了冲击弹性波在不同埋深下的波形数据。对检测系统中各传感器进行编号后，在公路护栏立柱埋深检测现场对各传感器进行安装，并进行数据采集。其中ZH-10型振动传感器安装在立柱下部靠近护栏处，主要用于采集冲击弹性波的传播速度和衰减系数；ZH-100型加速度传感器安装在立柱中部靠近护栏处，主要用于采集冲击弹性波的传播速度和衰减系数；ZH-200型磁力传感器安装在立柱顶部靠近护栏处，主要用于采集冲击弹性波的传播速度。待数据采集完毕后将其分别上传至计算机及 PC机中，最后将结果进行整理和分析。

四、工程实例应用分析

以某高速公路为例，该路全长约50 km，全线采用双向四车道高速公路标准设计，道路等级为双向四车道一级公路标准。该路段设有中央分隔带护栏和路侧护栏，其中中央分隔带护栏高度为1.95m，路侧护栏高度为2.35m。该路为桥梁路段，共设置桥梁3座，均为预应力混凝土T梁，桥台采用圆端型柱式。

对该路段进行检测时，将检测仪器置于桥上，检测人员则在地面上进行操作。依据波形分析法原理，波形分析法主要分为三个步骤：确定波源、获得速度剖面和选取测试位置。该路段的波源为1个质量密度为0.37 kg/m3的钢球，由混凝土中传递的冲击弹性波以沿钢球表面传播。该钢球直径为20 mm，在钢球与混凝土接触面处产生的波速最大；根据波形分析法原理，波形分析法主要分为两步：确定波在混凝土中传播过程中的传播速度；确定波在混凝土中传播过程中的传播路径。因此，利用波形分析法可快速地得到钢球与混凝土接触处波速最大值、波速最小值、波速与混凝土表面接触处波速之间的关系曲线。

当钢球处于非接触处时，波形分析法得到的波形曲线为一条直线；当钢球与混凝土接触时，波形分析法得到的波形曲线为一条波动曲线。在非接触处波速最大值、波速最小值与波速之间的关系曲线与波形分析法得到的波速曲线非常相似[3]。当钢球与混凝土接触后形成“接触界面”时，此时波速最大值和波速最小值都与钢球表面以下混凝土表面接触处波速最大值和波速最小值非常接近；当钢球与混凝土接触处形成“接触界面”时，波速最大值和波速最小值都与钢球表面以下混凝土表面接触处波速最大值和波速最小值非常接近。由此可得：波形分析法得到的波速最大值和波速最小值均与钢球表面以下混凝土表面接触处波速最大值和波速最小值非常接近。

结束语

本文在对冲击弹性波基本理论和波形分析法的研究基础上，提出了基于冲击弹性波的护栏立柱埋深检测技术。该技术能够有效地反映护栏立柱埋深情况，具有操作简单、检测结果准确等特点。试验表明：该技术能够快速、准确地反映出护栏立柱埋深情况，具有较高的精度，可用于公路护栏立柱埋深的现场检测。

参考文献：

[1]张燕.高速公路护栏立柱埋深检测方法的探讨[J].机械工程与自动化,2017(10)：23-25.

[2]魏云卓.新时期公路护栏立柱埋深检测技术的发展研究[J].现代机械,2020（8）：126-127.

[3]刘崎.基于冲击弹性波的公路护栏立柱埋深检测技术探索[J].工程建设与管理,2019（8）：226-228.