基于導(dǎo)波技術(shù)的高速公路護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)

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1、基于導(dǎo)波技術(shù)的高速公路護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)第21卷第6期2008年11月中國(guó)公路學(xué)報(bào)VoI.21Nov.NO.62008ChinaJournalofHighwayandTransport文章編號(hào):1001-7372(2008)06—0037-06基于導(dǎo)波技術(shù)的高速公路護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)何存富,王學(xué)浦,王秀彥,孫雅欣,昊斌(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院,北京100022)摘要:為了研究導(dǎo)波在半埋地護(hù)欄立柱結(jié)構(gòu)中的傳播特性,并從中選擇適合檢測(cè)立柱長(zhǎng)度的導(dǎo)波模態(tài)和頻率,在彈性動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上,分另q對(duì)立柱朱埋地部分和

2、埋地部分的導(dǎo)波群速度,衰減和頻散進(jìn)行計(jì)算分析.結(jié)果表明:80～130kHz的縱向模態(tài)L(0,2)在未埋地部分和埋地部分中的群速度相同,衰減程度最小,傳播距離可以滿足檢測(cè)要求,可以用來對(duì)半埋地立柱埋深進(jìn)行檢測(cè);試驗(yàn)驗(yàn)23證結(jié)果和理論分析相吻合,所獲得的端面回波信號(hào)清晰,有較高的信噪比,測(cè)量的最大相對(duì)誤差小于0.8%,可以滿足工程實(shí)際要求.關(guān)鍵詞:道路工程;護(hù)欄立柱;超聲導(dǎo)波技術(shù);埋深檢測(cè);彈性動(dòng)力學(xué)中圖分類號(hào):U417.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A引言度和損失.護(hù)欄立柱埋設(shè)狀況的優(yōu)劣,直接關(guān)系到高速公路及車輛的運(yùn)行安全.特別是

3、在施工過程中,由于人為縮短立柱的埋人深度,導(dǎo)致施工質(zhì)量達(dá)高速公路護(hù)欄可以有效降低交通事故的嚴(yán)重程收稿日期:2008—02-23基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10602004)l北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(8062008)作者簡(jiǎn)介:何存富(1958一),男,山西大同人,教授.博士研究生導(dǎo)師.工學(xué)博士,E—mail:hecunfu@bjut.edu.cn.萬方數(shù)據(jù)38中國(guó)公路學(xué)報(bào)2008年不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),造成重大事故時(shí)有發(fā)生.因此很有必要對(duì)立柱的埋入深度進(jìn)行檢測(cè).公路護(hù)欄立柱23的施工屬于隱蔽工程,現(xiàn)在常用的方法是拔出后檢

4、測(cè),這不僅會(huì)破壞路基的完整性,而且按國(guó)標(biāo)JTJ074—94的規(guī)定u],需要對(duì)路基重新夯實(shí)后方可再波.在實(shí)心和空心圓柱體中傳播的超聲導(dǎo)波存在3種模態(tài),即縱向模態(tài)L(0,優(yōu)),扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,irn)和彎曲模態(tài)F(n,仇).其中L模態(tài)和T模態(tài)是軸對(duì)稱模態(tài),F模態(tài)為非對(duì)稱模態(tài).當(dāng),2=0時(shí),有無限多個(gè)扭轉(zhuǎn)模態(tài)和無限多個(gè)縱向模態(tài);當(dāng)1'1—1,2,3,…時(shí),有雙倍無限多個(gè)彎曲模態(tài).對(duì)于給定的第,z階模態(tài),可以做出優(yōu)個(gè)模態(tài)的頻散曲線.半埋地護(hù)欄立柱可以簡(jiǎn)化為圖1所示的模型,護(hù)欄的上半部分內(nèi)外壁表面沒有受外D次打入,這給施工監(jiān)

5、理帶來較大的困難.本文中筆者就針對(duì)這一具體工程問題,提出基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的立柱埋深檢測(cè)方法.超聲導(dǎo)波檢測(cè)是一種成本相對(duì)較低的能夠進(jìn)行快速,長(zhǎng)距離,大范圍無損檢測(cè)的方法.超聲導(dǎo)波不受材料種類的限制,接收信號(hào)能夠包含有關(guān)發(fā)射和接收2點(diǎn)間結(jié)構(gòu)的整體信息,可以反映構(gòu)件內(nèi)部及周圍介質(zhì)的整體情況口].對(duì)于埋地,帶有包覆層,高力作用,可以視為自由邊界條件.立柱的下半部分被打入23到公路路基中,其情耒里地部分,ji'/;‖形彳砭架等不易接觸的非金屬和金屬構(gòu)件,導(dǎo)波技術(shù)是目前較好的無損檢測(cè)手段之一.特別適合對(duì)桿,管,板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量

6、,快速的無損檢測(cè).各國(guó)的研究者對(duì)用導(dǎo)波理論解決類似的問題進(jìn)行了多方面的研埋地部分Ⅱ,lI//II況比較復(fù)雜.考慮極限情況,即假設(shè)周圍土壤和立柱結(jié)合緊密,則立柱在路基土中的部分可以看圖1Ⅲ',=究.英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的Long等∞]研究了導(dǎo)波技23術(shù)對(duì)埋地輸水管道缺陷的檢測(cè)能力.指出在埋地管道中低頻縱向模態(tài)可以在管壁中傳播較遠(yuǎn)的距離.Pu等¨3利用導(dǎo)波技術(shù)對(duì)水泥灰漿的固結(jié)過程進(jìn)行了檢測(cè).對(duì)錨固結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測(cè)是導(dǎo)波應(yīng)用的另一個(gè)方面,Madenga等∞1研究了水泥固結(jié)時(shí)間,埋深對(duì)導(dǎo)波信號(hào)的影響.Cui

7、等聃1使用有限元方法對(duì)部分埋地錨桿中的導(dǎo)播傳播特性進(jìn)行了研究,在群速度等參數(shù)上取得了與試驗(yàn)比較Ⅱj'立柱結(jié)構(gòu)模型Modelof作外圍為無限大土壤的3層柱狀結(jié)構(gòu).Fig.1PostStructure導(dǎo)波信號(hào)的一部分能量會(huì)泄漏到周圍的土壤中,這種系統(tǒng)稱為導(dǎo)波的泄漏模式.立柱的邊界條件稱為受載條件.以下就這2種情況分別進(jìn)行討論.1.1未埋地部分吻合的結(jié)果.超聲導(dǎo)波技術(shù)用于對(duì)護(hù)欄立柱施工質(zhì)量的檢測(cè)立柱上半部分可以看作自由立柱.從而建立柱面坐標(biāo)系,并設(shè)z向?yàn)閷?dǎo)波的傳播方向,口,6分別為立柱的內(nèi)外半徑.具有一定的優(yōu)勢(shì).高速公路

8、護(hù)欄立柱主要為鋼管,直徑11423mm或140mm,長(zhǎng)度最大為l800mm,這根據(jù)彈性力學(xué)的知識(shí),各向同性的彈性固體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方程為(A+盧)VVu+t坐V種尺寸范圍處于導(dǎo)波檢測(cè)的最佳范圍.使用脈沖回波法可以實(shí)現(xiàn)在立柱的端部激勵(lì)和接收信號(hào).此外.導(dǎo)波存在2個(gè)重要的特性:其一是導(dǎo)波的頻散特性,不同的頻率下導(dǎo)波具有不同的傳播速度,即導(dǎo)波的速度隨頻率變化而變化;其