升拓技术——护栏立柱埋深的检测 升拓资料库—X—护栏立柱检测02 走进升拓 感受未来 sensingthefuture 护栏立柱埋深的检测 （四川升拓检测技术有限责任公司，四川 成都 610045） 摘要：我公司研发的钢质护栏立柱冲击弹性波检测仪是基于冲击弹性波的检测方 法，该方法的基本原理与相同，所不同的是采用电磁激振的方式诱发冲击弹性波。 其具有激振能量较大、波长较长（衰减相对较小）、基本参数（波速）稳定等优点，使 得其测试深度较深，不仅适合于新设立柱，也能够适合于埋设时间较长的既设立柱。 关键词：护栏立柱埋深，冲击弹性波，立柱埋深检测，立柱无损检测 本技术及设备的研究开发直接来源于公路建设市场的紧迫需求。 从已建成的高速公路项目来看，大部分项目质量达到了规范要求，成为促进经济发 展和社会进步的重要基础设施。但由于技术手段有限，部分项目隐蔽工程存在隐患，安 全问题令人勘忧。2004年12月，焦点访谈所报道的曝光了山西祁县到临汾的祁临高速 公路护栏立柱埋入深度严重不足的问题后，更是引起了道路使用者、交通行业乃至全社 会的高度关注。 高速公路的中外侧护栏被称为“驾驶员的最后一条安全带”，起着有效降低车辆冲 击力、减缓车速、防止车辆冲出路基的作用。因此，护栏、立柱甚至使用的螺丝、螺栓 在设计规范中都有严格的设计要求。其中高速公路波形梁护栏和缆索护栏是应用最广泛 的安全防护设施。但是，焦点访谈记者调查发现，山西祁临高速公路第六标段的护栏存 在质量隐患。从山西祁县到临汾的祁临高速公路经预验收后，已经通车近两年时间。按 照施工要求，道路外侧护栏立柱总长应为1.97米，埋入地下部分应达到1.25米。记者 在现场随机选定一个有护栏的位置起出四根立柱，发现地下埋入部分短的仅有30厘米， 最长的也只有60厘米左右。虽然记者无法严格按照业内抽样标准进行检查，但拔出的 四根立柱确实与设计要求相差太远。该标段承包商承认，整个标段都不同程度地存在立 柱长度不够的现象。 该焦点访谈节目播出后，在社会上反响很大，交通行业也承受了很大的压力。交通 部主管领导曾多次在会议上强调科研机构和检测部门要下工夫研发隐蔽工程质量无损 检测技术和设备，解决现已存在的问题并对新建的工程项目增加检测项目。 2006年交通部西部项目设立了公路交通安全研究项目，交通部公路科学研究院根 据项目安排和自身优势，承担了“护栏立柱埋深冲击弹性波测试技术”课题，其中交通 部公路科学研究院做为承担单位、四川升拓检测技术有限责任公司做为参加单位，组成 联合课题组共同开展研发工作。 1 028 四川升拓检测技术有限责任公司 升拓技术——护栏立柱埋深的检测 升拓资料库—X—护栏立柱检测02 走进升拓 感受未来 sensingthefuture 本课题的研究周期为2006年7至2010年3月，历时近4年。其间，申请了3项国 家发明专利，其中3项已获得授权。在完善了测试理论的基础上，开发了钢质护栏立柱 埋深专用测试设备钢质护栏立柱埋深冲击弹性波检测仪EDMA（Impact Elastic Wave－ Based Embedding Depth Measurement Apparatus for Steel Guard Rail Post）。经过 3年多在北京、江苏、浙江、山东、安徽、云南、四川等10多条高速公路的实际验证， 以及在交通部公路科学研究院、四川理工学院等试验场的测试验证，证明了该设备的测 试精度和可靠性。 以EDMA为基础编写的国家标准《钢质护栏立柱埋深冲击弹性波检测仪》于2008年 11月通过全国交通工程设施(公路)标准化技术委员会审核，并在2010年8月正式颁布 （编号：GB/T 24967—2010），2010年12月1日起正式实施。 测试的基本原理 基于冲击弹性波的立柱埋深测试的基本原理与基桩的健全性测试相同，即利用弹性 波的反射特性，根据标定所得的弹性波波速，并通过立柱底部的反射时刻进而推算立柱 的长度及埋深。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。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。 单频道测试 双频道测试 图1 测试原理概要 图1 测试原理概要 图图11 测测试试原原理理概概要要 利用自动激振装置在柱头截面上发出一个脉冲信号，该脉冲信号在立柱的端面发生 反射。通过对发射信号及反射信号的抽出，从而可以计算立柱长度及埋深。 2 028 四川升拓检测技术有限责任公司 升拓技术——护栏立柱埋深的检测 升拓资料库—X—护栏立柱检测02 走进升拓 感受未来 sensingthefuture 图2 发射信号及反射信号 单一反射法 利用首次反射信号，根据其传播时间按下式即可计算出立柱长度和埋深。 L= L +V⋅(T −T )/2 S R S 其中， ：为立柱长度， ：传感器与立柱顶部间距离 L L S ：反射波到达时刻， ：发振波到达时刻 T T R S V：在立柱中的弹性波波速，在本系统中采用P波。其波速可以通过下式计算或 实测。把立柱作为1维物体，其中传播的P波波速 E V=V = P ρ 其中，E为立柱材料（钢材）的弹性模量（杨氏模量），一般在200到210GPa之间。 ρ为立柱材料（钢材）的密度 重复反射法 在立柱较短，弹性波衰减较小时，发振的弹性波会在立柱内重复反射。此时，立柱 的长度按下式计算： L=V⋅T/2 其中， ：在立柱中弹性波1个往返所需的时间，可以通过FFT，MEM 等频谱分析的 T 3 028 四川升拓检测技术有限责任公司 升拓技术——护栏立柱埋深的检测 升拓资料库—X—护栏立柱检测02 走进升拓 感受未来 sensingthefuture 方法来确定。 V的取值 可以看出， 是测试立柱埋深时非常重要的参数。我们对多种立柱材料的 进行了 V V 测试。测试时采用空置方式以提高测试精度，其结果如下表1所示，可以看出，不同材 料之间的P波波速变化较小。同时，我们也用理论值进行了对比（表2）。 表1空置立柱检测结果一览表 表1空置立柱检测结果一览表 表表11空空置置立立柱柱检检测测结结果果一一览览表表 编号 测试地点 长度(m) 测定波速 1 山东 2.150 5.161 2 云南 1.875 5.131 3 云南 1.875 5.125 4 四川 2.020 5.102 5 四川 2.500 5.135 6 北京 2.000 5.083 表2 理论波速及实测波速(单位：km/s) 表2 理论波速及实测波速(单位：km/s) 表表22 理理论论波波速速及及实实测测波波速速((单单位位：：kkmm//ss)) 弹性模量E 密度ρ 理论VP 实测范围VP 200Gpa 5.06 7800kg/m3 5.08—5.16 210Gpa 5.19 可以看出，实测值与理论值吻合得很好。但是，当立柱埋入土中时，由于土体的约束等 原因，我们发现其P 波速度略有提高。因此，在EDMA 的各项测试中，如无特别说明，立 柱中的弹性波P 波波速均取为5.18km/s。当然，在实测之前，对立柱的波速进行标定也是有 益的。 系统组成概要 概要 在EDMA系统中，包括硬件和软件2大部分。 系统一览表 系统一览表 系系统统一一览览表表 项目 内容 包括的关键技术 主要功能 A/D 硬件 仪器主机 测试信号的放大、 转换等 部分 笔记本电脑 现场测试、数据保存等 4 028 四川升拓检测技术有限责任公司 升拓技术——护栏立柱埋深的检测 升拓资料库—X—护栏立柱检测02 走进升拓 感受未来 sensingthefuture 加速度传感器 振动信号的转换 激振系统 冲击弹性波自由振动抑制技术 激励产生高质量的信号 测试系统 现场测试数据及现场数据处理 频谱分析与相关分析技术 软件 高精度反射信号抽取及分析技术 部分 解析系统 数据处理 自由振动消减软件处理方法 测试结果的智能判断技术 硬件组成简介 1）仪器主机 图 仪器主机 图 仪器主机 图图 仪仪器器主主机机 仪器主机的主要功能为信号放大和A/D转换的功能，其相关参数叙述如下： 表 仪器主机相关参数 表 仪器主机相关参数 表表 仪仪器器主主机机相相关关参参数数 功能 主要参数 灵敏度切换： 3档切换（1/10/100倍） 信号放大 灵敏度设定与范围：设定：3位数字开关，范围：0.03～999pC/m/s2 （放大器） 灵敏度精度：±1.5％以内 环境温度温度：-10～40℃ 湿度:20～80%RH 最高分辨率：16Bit 最大采集频率: 500KHz A/D转换 最大采集点数：20000个 环境温度：0℃～40℃ 相对湿度：30%RH～85%RH 信号输入范围：±10V 2）加速度传感器 5 028 四川升拓检测技术有限责任公司 升拓技术——护栏立柱埋深的检测 升拓资料库—X—护栏立柱检测02 走进升拓 感受未来 sensingthefuture 加速度传感器选用了轻量（3g）的压电式传感器，利用特制的磁性卡座固定在立 柱的侧壁。 图 加速度传感器及其固定 图 加速度传感器及其固定 图图 加加速速度度传传感感器器及及其其固固定定 3） 激振系统 本部分主要是利用自动激振系统激励产生冲击弹性波信号，具有抑制打击声在立柱 内部产生共鸣，保证激振信号均一性的特点。该装置由自动激振及激振器两部分 组成，并具有以下机能： (1) 有效地防止激振时产生打击声响，避免内部空腔的共鸣； (2) 可以有效地抑制激振后的残留振动； 因此，本系统可以大大提高激振信号的质量和信噪比，为本设备中的重要组成部分。 图 激振 图 激振器 图 激振 图 激振器 图图 激激振振控控制制器器 图图 激激振振器器 表 自动激励装置规格 表 自动激励装置规格 表表 自自动动激激励励装装置置规规格格 激振 固定装置及激振器 驱动电源 激振时间 监视指示 激振方式 共鸣消声装置 DC12v充电电池 可调 LED显示 电磁/IC驱动 专用橡胶帽 6 028 四川升拓检测技术有限责任公司 升拓技术——护栏立柱埋深的检测 升拓资料库—X—护栏立柱检测02 走进升拓 感受未来 sensingthefuture 软件组成简介 EDMA的软件包括两个，即POL_PCCSTS和POL_SANTS。其中，POL_PCCSTS用于现场 测试和解析，具备数据采集、分析、保存等功能。POL_SANTS则用于对测试数据的解析。 POL_PCCSTS和POL_SANTS具有相同的解析机能，所不同的是POL_PCCSTS只能用于 安装有AD卡驱动软件的计算机上，并需要有加密狗才可运行。而 POL_SANTS则可以运 行在任何

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