收稿日期：2024-01-09

作者簡(jiǎn)介：劉陽（1986—），男，本科，工程師，研究方向：公路交通工程（公路機(jī)電工程與交通安全設(shè)施）試驗(yàn)檢測(cè)。

摘要 文章采用不同沖擊彈性波法的立柱埋深測(cè)試儀，對(duì)在建與運(yùn)營(yíng)的高速立柱埋深開展檢測(cè)，并拔樁驗(yàn)證數(shù)據(jù)。通過計(jì)算檢測(cè)結(jié)果的測(cè)量誤差、變異系數(shù)等，對(duì)比驗(yàn)證分析沖擊彈性波法檢測(cè)護(hù)欄立柱埋深的準(zhǔn)確性與適用性，為沖擊彈性波法的改進(jìn)提升提供理論支撐。發(fā)現(xiàn)沖擊彈性波法在不同設(shè)備和不同測(cè)試工況下存在的問題，論證該方法的適用范圍及目前亟待改進(jìn)的問題。

關(guān)鍵詞 沖擊彈性波法；立柱埋深；在建高速；運(yùn)營(yíng)高速；準(zhǔn)確性；適用性；拔樁驗(yàn)證；數(shù)據(jù)對(duì)比分析

中圖分類號(hào) U417.12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0104-03

0 引言

公路護(hù)欄是公路安全防護(hù)的重要設(shè)施，護(hù)欄立柱的埋置深度在護(hù)欄整體力學(xué)性能中起到至關(guān)重要的作用。護(hù)欄立柱的埋置是一項(xiàng)隱蔽工程，在公路建設(shè)期不易直觀暴露問題，出現(xiàn)良莠不齊的質(zhì)量現(xiàn)象。公路護(hù)欄數(shù)量龐大，缺陷與隱患排查難度大，后期缺陷整治產(chǎn)生的影響不容小覷。縱觀歷年發(fā)生的交通安全事故調(diào)查結(jié)果，立柱埋深不足導(dǎo)致的交通安全事故不在少數(shù)，并在社會(huì)上引起了廣泛關(guān)注。

常規(guī)的護(hù)欄立柱檢測(cè)方法為拔樁法。該方法直觀準(zhǔn)確，但實(shí)施難度較大，不僅需要機(jī)械拔樁作業(yè)，還需要對(duì)護(hù)欄立柱進(jìn)行分解拆裝。這種方法在消耗大量人力、物力和時(shí)間的同時(shí)，運(yùn)營(yíng)路段的檢測(cè)作業(yè)還會(huì)帶來風(fēng)險(xiǎn)劇增?；诖耍环N簡(jiǎn)單、高效、準(zhǔn)確的無損檢測(cè)方法需求變得尤為迫切。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和交通安全設(shè)施檢驗(yàn)檢測(cè)的迫切需求，在國(guó)內(nèi)外研究者的不懈努力下，公路護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)技術(shù)得到了進(jìn)步與發(fā)展。目前的無損檢測(cè)技術(shù)主要有三種，即電磁感應(yīng)法、超聲波法、沖擊彈性波法。經(jīng)過市場(chǎng)的篩選和技術(shù)人員的不斷實(shí)踐驗(yàn)證，沖擊彈性波法已成為目前市面的主流技術(shù)。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)試精度較高，可作為目前檢測(cè)設(shè)備的首選[1]。

1 對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于公路護(hù)欄立柱廣泛存在的問題，對(duì)沖擊彈性波法檢測(cè)立柱埋深開展驗(yàn)證分析。選取在建高速公路與運(yùn)營(yíng)10年以上的高速公路作為驗(yàn)證試驗(yàn)場(chǎng)地，采用國(guó)內(nèi)技術(shù)較為成熟、設(shè)備穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性較高的兩家沖擊彈性波法立柱埋深檢測(cè)設(shè)備，開展驗(yàn)證分析。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)如下：

場(chǎng)地準(zhǔn)備。選取新建高速公路的20根護(hù)欄立柱進(jìn)行隨機(jī)長(zhǎng)度截取，打亂立柱編號(hào)，采用打入式埋入試驗(yàn)場(chǎng)地路側(cè)，立柱長(zhǎng)度測(cè)試前未知。選取運(yùn)營(yíng)高速公路中央分隔帶的6根未知長(zhǎng)度的立柱，立柱底部工況未知。

操作準(zhǔn)備。驗(yàn)證分析由6名技能熟練人員均分為3組開展，第1操作組使用A1品牌沖擊彈性波立柱埋深檢測(cè)設(shè)備，第2操作組使用A2品牌沖擊彈性波立柱埋深檢測(cè)設(shè)備，第3操作組使用B品牌沖擊彈性波立柱埋深檢測(cè)設(shè)備。

數(shù)據(jù)計(jì)算與分析。記錄每根立柱長(zhǎng)度，計(jì)算測(cè)量相對(duì)誤差、誤差均值、變異系數(shù)。

新建高速公路與運(yùn)營(yíng)高速公路的驗(yàn)證試驗(yàn)場(chǎng)地，如圖1和圖2所示：

圖1 新建高速公路的圖2 運(yùn)營(yíng)高速公路的

驗(yàn)證試驗(yàn)場(chǎng)地 驗(yàn)證試驗(yàn)場(chǎng)地

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算

（1）測(cè)量相對(duì)誤差：

（1）

式中，R——測(cè)量相對(duì)誤差；R測(cè)——沖擊彈性波立柱埋深檢測(cè)設(shè)備所測(cè)得數(shù)據(jù)的平均值；R實(shí)——拔樁法用標(biāo)準(zhǔn)量具測(cè)得數(shù)據(jù)的平均值（mm）。

（2）誤差均值：

（2）

式中，——測(cè)量誤差均值；R測(cè)——沖擊彈性波立柱埋深檢測(cè)設(shè)備所測(cè)得數(shù)據(jù)的平均值；R實(shí)——拔樁法用標(biāo)準(zhǔn)量具測(cè)得數(shù)據(jù)（mm）。

（3）變異系數(shù)：

（3）

式中，δ——誤差變異系數(shù)；S——誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差；——測(cè)量誤差均值（mm）。

3 試驗(yàn)分組

A1組采用A品牌沖擊彈性波立柱埋深檢測(cè)設(shè)備（單通道）。A2組采用A品牌沖擊彈性波立柱埋深檢測(cè)設(shè)備（雙通道）。B組采用B品牌沖擊彈性波立柱埋深檢測(cè)設(shè)備（單通道）。

4 新建高速立柱埋深檢測(cè)驗(yàn)證對(duì)比分析

4.1 驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)新建高速公路預(yù)設(shè)的20根不同長(zhǎng)度立柱的埋入深度，由3個(gè)檢測(cè)組分別開展檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

4.2 驗(yàn)證對(duì)比分析

根據(jù)表1中檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，A1組最大誤差數(shù)據(jù)為82 mm，最小誤差數(shù)據(jù)為1 mm，整體測(cè)試結(jié)果偏大；A2組最大誤差數(shù)據(jù)為98 mm，最小誤差數(shù)據(jù)為0，整體檢測(cè)結(jié)果偏大；B組最大誤差數(shù)據(jù)為90 mm，最小誤差數(shù)據(jù)為0，整體測(cè)試結(jié)果偏小。從相對(duì)誤差來看，B組優(yōu)于A1與A2組，但從檢測(cè)結(jié)果離散性看，B組的變異系數(shù)大于A1組與A2組，穩(wěn)定性不足。三組整體結(jié)果均接近真值。

通過驗(yàn)證對(duì)比分析，新建高速公路立柱護(hù)欄埋深的3個(gè)檢測(cè)組的數(shù)據(jù)與真值的差異較小，大部分?jǐn)?shù)據(jù)滿足設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)[2]中5.1.4中測(cè)量誤差不大于8 cm的要求。由此可知，沖擊彈性波法適用于新建高速公路的護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)。

5 運(yùn)營(yíng)高速立柱埋深檢測(cè)驗(yàn)證對(duì)比分析

5.1 驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從運(yùn)營(yíng)高速公路隨機(jī)選取6根立柱的埋入深度，由3個(gè)檢測(cè)組開展檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

5.2 驗(yàn)證對(duì)比分析

根據(jù)表2中檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，A1組最大數(shù)據(jù)誤差為?720 mm，最小數(shù)據(jù)誤差為?21 mm，誤差絕對(duì)值平均值為?24 mm；A2組最大數(shù)據(jù)誤差為?651 mm，最小數(shù)據(jù)誤差為96 mm，誤差絕對(duì)值平均值為34 mm；B組最大數(shù)據(jù)誤差為340 mm，最小數(shù)據(jù)誤差為28 mm，誤差絕對(duì)值平均值為138 mm。綜合分析，三個(gè)檢測(cè)組的測(cè)量偏差均較大，因三組的檢測(cè)數(shù)據(jù)與真值差異較大，變異系數(shù)的分析參考價(jià)值不高，此處未對(duì)本組數(shù)據(jù)的變異系數(shù)進(jìn)行分析。

通過驗(yàn)證對(duì)比分析，運(yùn)營(yíng)高速公路立柱護(hù)欄埋深的3個(gè)檢測(cè)組的數(shù)據(jù)與真值的差異較大，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性均低于17%，不滿足規(guī)范[1]中5.1.4中測(cè)量誤差不大于8 cm的要求。由此可見，目前的該沖擊彈性波法在運(yùn)營(yíng)高速公路的護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)的適用性上仍有所欠缺。

6 誤差原因分析

對(duì)于在運(yùn)營(yíng)高速公路上出現(xiàn)的結(jié)果偏差大的情況，通過分析檢測(cè)結(jié)果和了解近年來沖擊彈性波法的應(yīng)用情況及現(xiàn)場(chǎng)施工安裝的實(shí)際工況，并結(jié)合河北省[3]和江西省地方標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定的“沖擊彈性波無損檢測(cè)方法適用于使用年限不超過5年打入式鋼質(zhì)立柱，超過5年的應(yīng)通過拔樁尺量方法驗(yàn)證方法的適用性”檢測(cè)條件說明，綜合分析誤差偏大的因素，可能來源于以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)于年限較久的運(yùn)營(yíng)路段經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)少、數(shù)據(jù)樣本量不足，缺乏經(jīng)驗(yàn)與驗(yàn)證，在數(shù)據(jù)分析中無法準(zhǔn)確掌握。

（2）建成年限較短的路段立柱埋置工況較為單一，數(shù)據(jù)圖形穩(wěn)定，易識(shí)別。運(yùn)營(yíng)高速，特別是運(yùn)營(yíng)時(shí)間超過5年的路段，立柱埋置環(huán)境多樣且復(fù)雜。對(duì)于立柱底部包裹混凝土的埋置工況，混凝土波速與立柱波速較為接近，底部回波大，易誤將混凝土的底部反射識(shí)別為立柱的底部反射。對(duì)波形的識(shí)別不準(zhǔn)確，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)判斷不足，測(cè)試結(jié)果偏大。

（3）各建設(shè)階段立柱金屬材質(zhì)存在差異，不同材質(zhì)的沖擊彈性波傳播速度不同，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果存在誤差。

（4）分析軟件平臺(tái)的智能識(shí)別力不足，無法準(zhǔn)確輔助技術(shù)人員正確識(shí)別波長(zhǎng)，對(duì)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷要求甚為嚴(yán)苛，極易產(chǎn)生誤判。如圖3所示。

7 改進(jìn)建議

基于護(hù)欄立柱埋深無損檢測(cè)方法的迫切需求，根據(jù)對(duì)驗(yàn)證檢測(cè)運(yùn)營(yíng)高速公路出現(xiàn)的數(shù)據(jù)偏差進(jìn)行分析，提出以下改進(jìn)建議：

（1）提高數(shù)據(jù)采集樣本。建立不同工況（土中立柱、巖石放入立柱、巖石灌漿立柱、混凝土中立柱、砂漿中立柱、各種工況結(jié)合的立柱等）立柱埋置條件下的數(shù)據(jù)庫，以滿足無損檢測(cè)方式在運(yùn)營(yíng)路段的適應(yīng)性。

（2）優(yōu)化沖擊波敲擊方式。過波形識(shí)別鋼管底部是否包裹混凝土的工況，采用低頻震動(dòng)的方式敲擊，并結(jié)合高頻震動(dòng)，準(zhǔn)確識(shí)別鋼管立柱底部的反射回波。同時(shí)，引入修正因子開展波速校準(zhǔn)，并結(jié)合優(yōu)化測(cè)線方位準(zhǔn)確辨識(shí)反射波[5]。

（3）加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析，提高波形圖的識(shí)別能力。采用同組多次敲擊，多波形圖對(duì)位分析，減低誤判波形，并采用智能識(shí)別方式，輔助識(shí)別反射點(diǎn)位，進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

（4）結(jié)合鋼管立柱的材質(zhì)、涂層工藝、建成年限、敲擊震動(dòng)方式等因素，標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)波速的選定，標(biāo)定設(shè)備并開展檢測(cè)。

（5）提高傳感器精度，降低底波噪音，準(zhǔn)確識(shí)別微小的立柱底部反射，減少誤判、誤識(shí)。

（6）對(duì)運(yùn)營(yíng)高速立柱埋深檢測(cè)進(jìn)行充分論證，特別是鋼管立柱底部包裹混凝土、鋼管立柱打入無混凝土的土路肩的工況等進(jìn)行檢測(cè)、驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析。

8 結(jié)語

運(yùn)營(yíng)高速公路的護(hù)欄立柱埋深問題根深蒂固，短缺、非標(biāo)、違規(guī)切割的立柱在高速公路中比較隱蔽，排查難度大、安全隱患重。如何快速、準(zhǔn)確識(shí)別護(hù)欄立柱埋深是目前交通安全設(shè)施檢測(cè)的一大難題，解決運(yùn)營(yíng)高速立柱護(hù)欄埋深排查的檢測(cè)工作很有必要。

護(hù)欄安裝的路線長(zhǎng)、存量大，檢測(cè)作業(yè)的安全責(zé)任風(fēng)險(xiǎn)重，拔樁法并不適合大面積的立柱埋深檢測(cè)排查工作，應(yīng)對(duì)沖擊彈性波法檢測(cè)立柱護(hù)欄埋深進(jìn)行方法優(yōu)化改進(jìn)，以增強(qiáng)檢測(cè)人員的數(shù)據(jù)識(shí)別能力，提高對(duì)運(yùn)營(yíng)路段立柱檢測(cè)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，科學(xué)客觀地開展持續(xù)驗(yàn)證和技術(shù)優(yōu)化，為后續(xù)相關(guān)工作提供數(shù)據(jù)支撐，增強(qiáng)管理者與技術(shù)人員的信心，提高檢測(cè)活動(dòng)的可信性。

參考文獻(xiàn)

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