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1、基于导波技术的高速公路护栏立柱埋深检测第21卷第6期2008年11月中国公路学报VoI.21Nov.NO.62008ChinaJournalofHighwayandTransport文章编号:1001-7372(2008)06—0037-06基于导波技术的高速公路护栏立柱埋深检测何存富,王学浦,王秀彦,孙雅欣,昊斌(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京100022)摘要:为了研究导波在半埋地护栏立柱结构中的传播特性,并从中选择适合检测立柱长度的导波模态和频率,在弹性动力学理论基础上,分另q对立柱朱埋地部分和埋地部分的导波群速度,衰减和频散进行计算分析.结果表
2、明:80～130kHz的纵向模态L(0,2)在未埋地部分和埋地部分中的群速度相同,衰减程度最小,传播距离可以满足检测要求,可以用来对半埋地立柱埋深进行检测;试验验23证结果和理论分析相吻合,所获得的端面回波信号清晰,有较高的信噪比,测量的最大相对误差小于0.8%,可以满足工程实际要求.关键词:道路工程;护栏立柱;超声导波技术;埋深检测;弹性动力学中图分类号:U417.12文献标志码:A引言度和损失.护栏立柱埋设状况的优劣,直接关系到高速公路及车辆的运行安全.特别是在施工过程中,由于人为缩短立柱的埋人深度,导致施工质量达高速公路护栏可以有效降低交通事故的严重程收稿日期
3、:2008—02-23基金项目:国家自然科学基金项目(10602004)l北京市自然科学基金项目(8062008)作者简介:何存富(1958一),男,山西大同人,教授.博士研究生导师.工学博士,E—mail:hecunfu@bjut.edu.cn.万方数据38中国公路学报2008年不到设计标准,造成重大事故时有发生.因此很有必要对立柱的埋入深度进行检测.公路护栏立柱23的施工属于隐蔽工程,现在常用的方法是拔出后检测,这不仅会破坏路基的完整性,而且按国标JTJ074—94的规定u],需要对路基重新夯实后方可再波.在实心和空心圆柱体中传播的超声导波存在3种模态,即纵向模
4、态L(0,优),扭转模态T(0,irn)和弯曲模态F(n,仇).其中L模态和T模态是轴对称模态,F模态为非对称模态.当,2=0时,有无限多个扭转模态和无限多个纵向模态;当1'1—1,2,3,…时,有双倍无限多个弯曲模态.对于给定的第,z阶模态,可以做出优个模态的频散曲线.半埋地护栏立柱可以简化为图1所示的模型,护栏的上半部分内外壁表面没有受外D次打入,这给施工监理带来较大的困难.本文中笔者就针对这一具体工程问题,提出基于超声导波技术的立柱埋深检测方法.超声导波检测是一种成本相对较低的能够进行快速,长距离,大范围无损检测的方法.超声导波不受材料种类的限制,接收信号能够
5、包含有关发射和接收2点间结构的整体信息,可以反映构件内部及周围介质的整体情况口].对于埋地,带有包覆层,高力作用,可以视为自由边界条件.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'/;‖形彳砭架等不易接触的非金属和金属构件,导波技术是目前较好的无损检测手段之一.特别适合对杆,管,板等结构进行大量,快速的无损检测.各国的研究者对用导波理论解决类似的问题进行了多方面的研埋地部分Ⅱ,lI//II况比较复杂.考虑极限情况,即假设周围土壤和立柱结合紧密,则立柱在路基土中的部分可以看图1Ⅲ',=究.英国帝国理工大学的Long等∞]研究了导波技23术对埋地输水
6、管道缺陷的检测能力.指出在埋地管道中低频纵向模态可以在管壁中传播较远的距离.Pu等¨3利用导波技术对水泥灰浆的固结过程进行了检测.对锚固结构和钢筋混凝土结构进行无损检测是导波应用的另一个方面,Madenga等∞1研究了水泥固结时间,埋深对导波信号的影响.Cui等聃1使用有限元方法对部分埋地锚杆中的导播传播特性进行了研究,在群速度等参数上取得了与试验比较Ⅱj'立柱结构模型Modelof作外围为无限大土壤的3层柱状结构.Fig.1PostStructure导波信号的一部分能量会泄漏到周围的土壤中,这种系统称为导波的泄漏模式.立柱的边界条件称为受载条件.以下就这2种情况分
7、别进行讨论.1.1未埋地部分吻合的结果.超声导波技术用于对护栏立柱施工质量的检测立柱上半部分可以看作自由立柱.从而建立柱面坐标系,并设z向为导波的传播方向,口,6分别为立柱的内外半径.具有一定的优势.高速公路护栏立柱主要为钢管,直径11423mm或140mm,长度最大为l800mm,这根据弹性力学的知识,各向同性的弹性固体介质的运动方程为(A+卢)VVu+t坐V种尺寸范围处于导波检测的最佳范围.使用脉冲回波法可以实现在立柱的端部激励和接收信号.此外.导波存在2个重要的特性:其一是导波的频散特性,不同的频率下导波具有不同的传播速度,即导波的速度随频率变化而变化;其
