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1、基于導波技術的高速公路護欄立柱埋深檢測第21卷第6期2008年11月中國公路學報VoI.21Nov.NO.62008ChinaJournalofHighwayandTransport文章編號:1001-7372(2008)06—0037-06基于導波技術的高速公路護欄立柱埋深檢測何存富,王學浦,王秀彥,孫雅欣,昊斌(北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院,北京100022)摘要:為了研究導波在半埋地護欄立柱結構中的傳播特性,并從中選擇適合檢測立柱長度的導波模態(tài)和頻率,在彈性動力學理論基礎上,分另q對立柱朱埋地部分和
2、埋地部分的導波群速度,衰減和頻散進行計算分析.結果表明: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要求,可以用來對半埋地立柱埋深進行檢測;試驗驗23證結果和理論分析相吻合,所獲得的端面回波信號清晰,有較高的信噪比,測量的最大相對誤差小于0.8%,可以滿足工程實際要求.關鍵詞:道路工程;護欄立柱;超聲導波技術;埋深檢測;彈性動力學中圖分類號:U417.12文獻標志碼:A引言度和損失.護欄立柱埋設狀況的優(yōu)劣,直接關系到高速公路及車輛的運行安全.特別是
3、在施工過程中,由于人為縮短立柱的埋人深度,導致施工質(zhì)量達高速公路護欄可以有效降低交通事故的嚴重程收稿日期:2008—02-23基金項目:國家自然科學基金項目(10602004)l北京市自然科學基金項目(8062008)作者簡介:何存富(1958一),男,山西大同人,教授.博士研究生導師.工學博士,E—mail:hecunfu@bjut.edu.cn.萬方數(shù)據(jù)38中國公路學報2008年不到設計標準,造成重大事故時有發(fā)生.因此很有必要對立柱的埋入深度進行檢測.公路護欄立柱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,這不僅會破壞路基的完整性,而且按國標JTJ074—94的規(guī)定u],需要對路基重新夯實后方可再波.在實心和空心圓柱體中傳播的超聲導波存在3種模態(tài),即縱向模態(tài)L(0,優(yōu)),扭轉模態(tài)T(0,irn)和彎曲模態(tài)F(n,仇).其中L模態(tài)和T模態(tài)是軸對稱模態(tài),F模態(tài)為非對稱模態(tài).當,2=0時,有無限多個扭轉模態(tài)和無限多個縱向模態(tài);當1'1—1,2,3,…時,有雙倍無限多個彎曲模態(tài).對于給定的第,z階模態(tài),可以做出優(yōu)個模態(tài)的頻散曲線.半埋地護欄立柱可以簡化為圖1所示的模型,護欄的上半部分內(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.本文中筆者就針對這一具體工程問題,提出基于超聲導波技術的立柱埋深檢測方法.超聲導波檢測是一種成本相對較低的能夠進行快速,長距離,大范圍無損檢測的方法.超聲導波不受材料種類的限制,接收信號能夠包含有關發(fā)射和接收2點間結構的整體信息,可以反映構件內(nèi)部及周圍介質(zhì)的整體情況口].對于埋地,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件,導波技術是目前較好的無損檢測手段之一.特別適合對桿,管,板等結構進行大量
6、,快速的無損檢測.各國的研究者對用導波理論解決類似的問題進行了多方面的研埋地部分Ⅱ,lI//II況比較復雜.考慮極限情況,即假設周圍土壤和立柱結合緊密,則立柱在路基土中的部分可以看圖1Ⅲ',=究.英國帝國理工大學的Long等∞]研究了導波技23術對埋地輸水管道缺陷的檢測能力.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的距離.Pu等¨3利用導波技術對水泥灰漿的固結過程進行了檢測.對錨固結構和鋼筋混凝土結構進行無損檢測是導波應用的另一個方面,Madenga等∞1研究了水泥固結時間,埋深對導波信號的影響.Cui
7、等聃1使用有限元方法對部分埋地錨桿中的導播傳播特性進行了研究,在群速度等參數(shù)上取得了與試驗比較Ⅱj'立柱結構模型Modelof作外圍為無限大土壤的3層柱狀結構.Fig.1PostStructure導波信號的一部分能量會泄漏到周圍的土壤中,這種系統(tǒng)稱為導波的泄漏模式.立柱的邊界條件稱為受載條件.以下就這2種情況分別進行討論.1.1未埋地部分吻合的結果.超聲導波技術用于對護欄立柱施工質(zhì)量的檢測立柱上半部分可以看作自由立柱.從而建立柱面坐標系,并設z向為導波的傳播方向,口,6分別為立柱的內(nèi)外半徑.具有一定的優(yōu)勢.高速公路
8、護欄立柱主要為鋼管,直徑11423mm或140mm,長度最大為l800mm,這根據(jù)彈性力學的知識,各向同性的彈性固體介質(zhì)的運動方程為(A+盧)VVu+t坐V種尺寸范圍處于導波檢測的最佳范圍.使用脈沖回波法可以實現(xiàn)在立柱的端部激勵和接收信號.此外.導波存在2個重要的特性:其一是導波的頻散特性,不同的頻率下導波具有不同的傳播速度,即導波的速度隨頻率變化而變化;其
