利用超声导波无损检测公路护栏立柱基础土压实度的方法.pdf

本发明是利用超声导波无损检测公路护栏立柱基础土压实度的方法，属于无损检测领域。该方法是先确定埋置前护栏立柱的参数，计算埋地前立柱的群速度频散曲线和衰减频散曲线；从群速度频散曲线上选取检测频率并输入任意函数发生器生成单音频信号，经功率放大模块、转换开关模块、导波收发元件，在立柱中激励纵向轴对称导波模态；该导波模态遇到立柱端部产生端面回波，该端面回波经导波收发元件、转换开关模块传至示波器。确定两次端面回波的幅值并计算出导波信号衰减；通过计算衰减系数的大小即可判断基础土压实度的高低。本发明具有不破坏立柱及基础土结构、快速、检测成本低等优点。

1、  利用超声导波无损检测公路护栏立柱基础土压实度的方法，其特征在于，该种方法是按以下步骤进行检测的：
1)确定被检测立柱的内径、外径、立柱材料的密度、纵波波速、横波波速、纵波衰减系数、横波衰减系数，计算出未埋地立柱的群速度频散曲线和衰减频散曲线；
2)从埋置前立柱的群速度频散曲线上选取频率在50～270kHz范围内，群速度在5150～5420m/s范围内的纵向轴对称模态所对应的频率作为检测频率。
3)将所选检测频率输入任意函数发生器(1)，任意函数发生器(1)生成中心频率为该检测频率的单音频信号，经功率放大模块(2)得到放大后的激励电压，通过信号分离开关(3)传输至置于埋于路基(7)中的护栏立柱(6)的上端部的导波收发元件(4)，在护栏立柱中激励纵向轴对称导波模态；该导波模态会在立柱的上下端面间来回反射，形成一次以上的端面回波信号，由同一导波收发元件(4)接收此端面回波信号，经转换开关模块(3)传输至示波器(5)；通过示波器(5)显示的端面反射波形图确定第一次下端面回波的峰峰值A₁和第二次下端面回波的峰峰值A₂；
4)从未埋地立柱的衰减频散曲线中读出检测频率下的未埋地立柱的衰减系数，并乘以立柱的长度，计算出信号在埋地前在立柱中的衰减值Att₀；
5)按下式计算检测频率下部分埋地立柱的衰减值Att：
Att＝—20log₁₀(A₂/A₁)
按下式计算由于土壤吸收引起的衰减系数

6)不同衰减系数的值表示不同的护栏基础土压实度，衰减系数值的大小，表明立柱周围基础土压实度的高低。

2、  根据权利要求1所述的利用超声导波无损检测公路护栏立柱基础土压实度的方法，其特征在于：所述的导波收发元件(4)为超声导波传感器或磁致伸缩传感器。

利用超声导波无损检测公路护栏立柱基础土压实度的方法
技术领域
本发明涉及一种利用超声导波无损检测部分埋置于路基中的高速公路护栏立柱周围基础土压实度的方法，属于无损检测领域。
背景技术
为防止在高速公路上行驶的汽车冲出公路或驶入公路的对向车道引发交通事故，现代高速公路的路侧及中央隔离带内都架设有防撞护栏，而护栏立柱是护栏的主要承载部件。由于护栏周围的条件复杂，在埋设过程中容易造成立柱周围的基础土压实度不足，引起护栏立柱的防撞性能下降，给交通运输造成事故隐患。由于公路护栏立柱部分埋置于公路的路基中，其失效形式存在着很强的隐蔽性，对其进行有效的检测特别是埋地部分存在很大的困难。
国家标准目前采用方法是灌沙法及环刀法等检测公路路基的压实度，会对公路的路基造成一定程度的破坏，目前没有见到利用超声导波方法检测护栏基础土的压实度的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的高速公路护栏立柱周围基础土压实度的检测方法，该方法在不破坏公路路基的前提下，可以简单、快速、准确地检测公路护栏立柱周围基础土的压实度。
本发明为一种利用超声导波无损检测部分埋置于不同介质中护栏立柱周围基础土压实度的方法，该方法是按以下步骤进行检测的：
1)确定被检测护栏立柱的内直径、外直径、壁厚、密度、纵波波速、横波波速，横波衰减系数、纵波衰减系数；计算出未埋地立柱的群速度频散曲线和衰减频散曲线；
2)从未埋地的立柱频散曲线上选取频率在50kHz～270kHz范围内，群速度在5150～5420m/s范围内的纵向轴对称模态所对应频率检测频率，在此频率和群速度范围内，纵向轴对称模态在埋地部分和未埋地部分的传播速度相同，并且衰减值较小，可以传播足够的距离，能够得到计算衰减系数所需要的第一次端面回波和第二次端面回波的幅值；
4)将所选检测频率输入任意函数发生器，任意函数发生器生成中心频率为该检测频率的单音频信号，经功率放大模块放大后得到较高的激励电压，通过信号分离开关模块传输至置于埋于路基中的护栏立柱端部的导波收发装置，在护栏立柱中激励纵向轴对称导波模态；该导波信号遇到立柱的地下部分的端部产生反射，形成回波信号，该导波模态会在立柱的上下端面间来回反射，形成一次以上的端面回波信号；由同一导波收发装置接收此端面回波信号，经转换开关模块传输至示波器；通过示波器显示的端面反射波形图确定第一次下端面回波的峰峰值A₁和第二次下端面回波的峰峰值A₂；
4)从未埋地立柱的衰减频散曲线中读出检测频率下的衰减系数，并乘以立柱的长度，得到立柱在未埋地时的衰减值Att₀；
5)按以下步骤计算衰减系数
按下式计算部分埋地立柱的衰减值：
Att＝—20log₁₀(A₂/A₁)
计算由于土壤吸收引起的衰减系数

6)不同的衰减系数的值可以代表不同的护栏基础土的压实度，衰减系数值的大小，表明立柱周围基础土的压实程度的高低。
所述的导波收发装置为为压电超声导波传感器、或磁致伸缩传感器。
本发明主要具有以下优点：1)可以实现对护栏基础土压实程度的无损检测；2)所用频率范围远超出自然界和常见振动频率范围之外，不受工况影响；3)对公路路基没有破坏，检测速度快，检测成本低。
附图说明
图1检测装置原理图
图2检测方法流程示意图
图3护栏立柱埋地部分和未埋地部分的群速度频散曲线图。图中实线表示埋地部分的频散曲线，虚线代表未埋地部分的频散曲线
图4立柱的衰减曲线
图5激励信号中心频率为180kHz时所接收的护栏立柱端面反射波形
图6土壤密实程度1下，激励信号中心频率为180kHz时所接收的埋于路基中的护栏立柱端面反射波形
图7土壤密实程度3下，激励信号中心频率为180kHz时所接收的埋于路基中的护栏立柱端面反射波形
图8土壤密实程度5下，激励信号中心频率为180kHz时所接收的埋于路基中的护栏立柱端面反射波形
图9土壤密实程度8下，激励信号中心频率为180kHz时所接收的埋于路基中的护栏立柱端面反射波形
图10压实度与衰减系数的关系曲线
具体实施方式
以下结合本发明的内容提供以下实施例：
如图1所示，本实施例中立柱为长度1200mm，内直径105mm，外直径114mm，壁厚4.5mm的无缝钢管。密度为7800kg/m³，纵波波速为5960m/s，横波波速为3260m/s，纵波衰减系数为0.002np/wl，横波衰减系数为0.001np/wl，埋地部分的长度为300mm。
1)根据护栏立柱的参数，计算群速度频散曲线和衰减频散曲线，在50～270kHz范围内、群速度为5400m/s选取频率180kHz作为检测频率；
2)将立柱埋入土壤中，并用击实锤将土壤击实到一定的密实程度。
3)将检测频率输入任意函数发生器1，任意函数发生器1产生一个中心频率为180kHz的单音频信号。经功率放大模块2进行电压放大，经转换开关模块3施加于导波收发元件4上，在被测立柱中产生纵向轴对称导波模态；导波收发元件4由压电探头、磁致伸缩探头组成；
4)上述纵向轴对称导波模态在立柱的另一端部反射，导波收发元件4接收到纵向导波的端部回波信号，经转换开关模块3，放大电流信号后，送入示波器5；
5)根据示波器5上显示的端面反射波形图，确定两次端面回波的幅值。
图7-10为180kHz频率下所接收的，四种不同压实程度下的，部分埋于路基中的高速公路护栏立柱端面反射波形图。
6)计算信号的衰减系数。
以下计算过程只列出压实程度8时的数值和计算过程
在180kHz时，第一次端面回波的峰峰值为198.95mV，第二次端面回波的峰峰值为105.41mV。
未埋地立柱的衰减值Att₀＝0.668×1.2＝0.802dB
半埋地立柱的衰减值
Att＝-20log₁₀(A₂/A₁)
   ＝-20log₁₀(105.41/198.95)
   ＝5.517dB
计算由于土壤吸收引起的衰减系数

   = 5.517 - 0.802 2 × 0.3 ]]>
   = 7.86 dB / m ]]>
7)按照JTJ-051-93《公路土工实验规程》中的环刀法求出压实度。
8)通过改变土壤密实程度的大小，重复步骤3～7，得到衰减系数和土壤不同压实度的关系。
下表为不同土壤压程度下测得的对应的导波衰减系数。
表一