高速公路护栏立柱埋深安全性分析
时间：2022-09-29 14:30:07 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李喆
摘要 高速公路护栏是关系到交通安全的重要措施，公路护栏的立柱是承受车辆驶出路外冲击力的主体，立柱的埋深决定了交通的安全性。文章采用冲击弹性波法对公路护栏立柱进行无损检测，通过冲击弹性波法的检测原理以及检测步骤，得到高速公路护栏立柱埋深的检测方案。依托京哈高速公路段护栏检测项目，基于冲击弹性波法，对该公路段波形护栏的立柱埋深进行无损检测，得到该公路段护栏立柱埋深合格率为91%，波形护栏安全性符合规范要求。
关键词 高速公路;波形护栏;立柱埋深;安全性分析
中图分类号 U417.12 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）13-0050-03
0 引言
高速公路波形防撞护栏是车辆高速行驶的安全保证，是驾驶员生命安全的最后一道防线。因此要求波形护栏必须具有抵抗冲击力的能力，护栏的安全性与立柱的埋置深度相關[1]。护栏长度达到2.3 m左右，但外露长度仅为1 m，其地下部分为典型的隐蔽工程。所以对立柱埋深的检测很困难，需要在不破坏护栏整体结构的情况下进行检测，要求立柱埋深的检测必须采用无损检测技术。无损检测技术检测方便、快捷但检测精度较低，因此需要新型无损检测技术提高检测精度[2]。该文基于冲击弹性波法，依托京哈高速公路段护栏检测项目，对护栏立柱埋深安全性进行分析。
1 钢制护栏立柱埋深检测原理
1.1 检测方法
1.1.1 现场拔桩法
即使用拔桩设备将已经安装好的钢制护栏拔出，现场测定立柱埋深，检测完成后，再将拔出的钢制护栏进行安装。这种方法属于有损检测的范畴，破坏护栏结构本身，该种方法测试精度高且检测步骤简单，但是使用拔桩设备直接拔出护栏易破坏边坡和路基的整体稳定性，并且需要大量检测人员进入现场，费时费力，无法作为日常检测方法。
1.1.2 冲击弹性波无损检测法
即在不破坏钢制护栏结构本身的前提下，基于冲击弹性波检测原理，通过传感器对冲击弹性波反射信号的采集，对钢制护栏立柱埋深进行检测。无损检测方法与现场拔桩法相比，检测精度较高，对路基和边坡无破坏，操作简便且需要检测人员较少，能够作为钢制护栏立柱埋深的日常检测方法[3]。
1.2 冲击弹性波无损检测原理
冲击弹性波法测定钢制护栏立柱埋深的检测原理是依据冲击弹性波的反射特性，通过在立柱顶端放置自动激振装置。在实际的测试中，可以利用1个频道的重复反射法测试，适合短立柱的测试。也可以利用2个频道的单一反射法测试，适合长立柱的测试。如图1所示，EDMA中将这2种测试方法合并，采用的是2个通道的测试方法，只是在数据处理方式上加以区分。
冲击弹性波法测定护栏立柱埋深的检测原理依据冲击弹性波的反射特性，如图2所示。在立柱顶部安装自动激振装置，通过激振在立柱顶部截面上发出一个脉冲信号，产生冲击弹性波。弹性波传递至立柱底部时发生反射，产生反射信号。同时仪器在另一端接收到弹性波反射信号，通过数据分析软件对冲击弹性波在立柱内的传播周期进行分析，结合钢制护栏的波速以及立柱的外露长度，能够计算出立柱长度及立柱埋深。
如图2所示，利用首次反射信号，根据其传播时间按式（1）即可计算出立柱长度和埋深。
式中，L——立柱长度;LS——传感器与立柱顶部间距离;TR——反射波到达时刻;TS——发振波到达时刻;V——在立柱中的弹性波波速，在该系统中采用P波。其波速可以通过式（2）计算或实测。
式中，E——立柱材料的弹性模量，一般在200～
210 GPa之间;ρ——立柱材料的密度。
2 钢制护栏立柱埋深检测设备及步骤
2.1 检测设备
检测设备采用IE钢制护栏立柱埋深检测仪，设备组成如图3所示。该设备包括仪器主机、工业平板、2个S305M传感器、磁性卡座、电荷电缆以及自动激振装置。
2.2 测试准备
（1）打开钢制护栏柱帽，使用锉刀将激振装置安装位置打磨平整。激振控制器与激振头通过电荷电缆相连接，将激振装置安装在立柱顶部，安装时保证激振头轻轻接触立柱端面。避免安装在焊缝位置，激振头中心打击在立柱端面中心位置。
（2）将两个S305M传感器分别与磁性卡座及电荷电缆相连接，再将电荷电缆与主机CH0及CH1通道相连接，最后将主机与工业平板相连接。
（3）将传感器组装套件放在立柱对应位置，CH0通道安装在距离立柱顶端10 cm处，CH1通道安装在距离立柱顶端60 cm处，保证激振头与两个传感器套件在同一竖直线。
2.3 数据采集
（1）在工业平板中打开数据采集软件，设置检测项目保存文件夹，点击确定按钮，进入数据采集系统。点击保存名称按钮，按照立柱编号进行设置，点击保存[4]。
（2）基本参数设置，根据现场实际选择立柱种类，激振方式选择柱顶激振，检测项目选择柱长及埋深测试。量取柱内、柱外外露长度，依据设计书设置立柱长度，点击OK，完成参数设置。
（3）点击零点标定按钮，标定3次，电压小于0.05 V表明仪器可用，进入数据采集，点击数据采集按钮，在10 s内点击激振控制器打击产生波形，得到波形明显的数据后点击保存数据按钮，保存5～8组有效数据即可。
3 高速公路护栏立柱埋深安全性分析
3.1 检测项目概况
依托京哈高速公路段护栏工程改造项目，对京哈高速段钢制护栏进行立柱埋深检测，起始桩号为K257+012
～K264+056。依据北京地标要求，对于中央分隔带的立柱，抽检频率一般不低于15%。对于一般路段两侧的立柱，抽检频率不低于20%。对于连续下坡路段、路基高填方路段、线形指标偏低等特殊路段两侧的立柱，抽检频率不低于30%，且每检测路段不少于20根。该公路段护栏立柱包含土中埋入立柱以及混凝土中立柱两类，故抽检23根立柱，其中土中埋入立柱为18根，混凝土中立柱为5根。土中埋入立柱设计长度分为2.38 m、2.67 m、2.63 m三类，混凝土中立柱设计长度为1.68 m、1.63 m两类。
3.2 冲击弹性波法检测京哈高速护栏立柱埋深
3.2.1 确定钢制护栏标定波速
根据冲击弹性波法测定钢制护栏立柱埋深检测原理，需要对京哈高速的护栏进行波速标定，通过对护栏外观材质巡检，得到该公路段内护栏状况良好，护栏本身基本无锈蚀，护栏埋入材料性质良好[5]。依据实际工程检测经验，对护栏标定波速进行取值，如表1所示，由于该公路段护栏质量良好，故将土中埋入立柱波速取5.18 km/s，混凝土中立柱波速取中指5.14 km/s。
3.2.2 檢测结果分析
通过冲击弹性波无损检测法对京哈高速K257～K264段公路波形防撞护栏进行抽检，得到23根护栏检测结果如表2所示。
由表2京哈高速公路波形护栏检测结果可得，土中埋入立柱的长度要大于混凝土中立柱的长度。在18根土中埋入立柱检测长度结果中，14根立柱长度达到设计长度要求，占比达到77.8%，未达到设计长度的4根立柱，检测长度达到设计长度的99%以上，可以认为土中埋入立柱长度满足检测要求。在5根混凝土中立柱检测长度结果中，5根立柱长度达到设计长度的99%以上，满足混凝土立柱长度检测要求。由此可得，该公路段波形护栏长度全部合格。
该公路段土中埋入立柱设计长度分别为2.38 m、2.67 m、2.63 m，根据《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2017），确定土中埋入立柱的设计埋深分别为1.38 m、1.67 m、1.63 m，其中14根立柱埋深到达检测要求，占比77.8%，4根未达到设计埋深的立柱中，2根到达设计埋深的99%可以认为合格，另外2根仅达到设计埋深的85%不满足检测要求。混凝土中立柱设计长度分别为1.38 m、1.63 m，确定设计埋深为0.38 m，5根混凝土中立柱埋深符合设计埋深要求，属于合格产品。因此，根据检测结果可得，该公路段波形护栏立柱埋深合格率为91.3%，大于规范要求的90%合格率，该公路波形护栏立柱埋深符合安全性要求。
4 结论
综上所述，冲击弹性波法在不破坏护栏整体性的前提下，能够完成高速公路波形护栏立柱埋深的检测。依托钢制护栏立柱埋深无损检测设备，分析钢制护栏立柱埋深检测原理及检测步骤。以京哈高速公路波形护栏检测项目为例，使用立柱埋深无损检测设备对23根护栏埋深进行无损检测，其中21根立柱埋深满足检测要求，根据《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2017），京哈高速公路护栏安全性符合规范要求。
参考文献
[1]杨永奇， 惠冰， 付建村.年久公路护栏立柱埋深无损检测精度控制研究[J].湖南交通科技， 2022（1）：
162-165+174.
[2]惠冰， 李玉宝， 尚勇， 等.弹性波在公路护栏立柱传播中的声固耦合分析[J].公路， 2020（1）：
251-256.
[3]叶强.高速公路旧护栏立柱埋深改造方法[J].公路交通科技（应用技术版）， 2018（9）：
134-135.
[4]张子豪， 杨朝辉， 王月钱.冲击弹性波法在高速公路钢质护栏立柱埋深检测中的应用[J].北京工业职业技术学院学报， 2017（4）：
10-13.
[5]柳伟续， 唐志峰， 吕福在， 等.高速公路护栏立柱导波相位特性分析与试验研究[J].振动与冲击， 2017（6）：
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