基于壓實(shí)振動信號的路基壓實(shí)度檢測系統(tǒng)研究

摘要：路基施工是公路施工過程中的重要環(huán)節(jié)，但其施工質(zhì)量受環(huán)境因素、施工設(shè)備及施工人員素養(yǎng)等眾多因素的影響易出現(xiàn)質(zhì)量風(fēng)險，常規(guī)的事后檢測方法不能滿足對路基壓實(shí)質(zhì)量的連續(xù)、實(shí)時監(jiān)測的要求。文章建立了壓路機(jī)與路基之間的振動輪-路基動力學(xué)模型，分析了路基壓實(shí)度與壓路機(jī)振動信號的關(guān)系，提出了基于振動加速度信號的路基壓實(shí)度快速實(shí)時檢測方法，并驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：道路工程;路基壓實(shí)度;加速度信號;動力學(xué)模型;壓實(shí)度檢測系統(tǒng)

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：U416.06-A-11-029-5

0 引言

堅(jiān)實(shí)可靠的路基是道路長期高品質(zhì)運(yùn)行的必要保證?，F(xiàn)行規(guī)范及常規(guī)路基壓實(shí)質(zhì)量檢測方法有灌砂法、環(huán)刀法、核子檢測法等[1]。灌砂法操作過程可控，數(shù)值及檢測結(jié)果準(zhǔn)確，是工程實(shí)際中路基壓實(shí)度檢測的常用方法。環(huán)刀法是我國傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測方法，是一種抽檢的方法并且對檢測人員專業(yè)素養(yǎng)依賴較大。核子檢測法則是國際上廣泛應(yīng)用的壓實(shí)度及含水量檢測手段，但是其儀器具有放射性、操作步驟繁瑣等缺點(diǎn)。總之，常規(guī)這些方法都是施工完成的事后檢測，并且對路面破壞性大，檢測過程繁瑣，人為影響因素較多，不能有效保證路基施工的可靠性、及時性、經(jīng)濟(jì)性。

劉東海等研發(fā)了路基壓實(shí)度實(shí)時監(jiān)測裝置，建立了以路基壓實(shí)檢測值為核心變量的路基壓實(shí)質(zhì)量評估模型，實(shí)現(xiàn)了施工面作業(yè)質(zhì)量的快速評估[2]。重慶大學(xué)黃志福等以壓路機(jī)振動輪處加速度為檢測對象，建立了壓路機(jī)-路基系統(tǒng)的動力學(xué)模型，分析了壓路機(jī)垂直方向加速度與路基材料剛度、阻尼之間的關(guān)系，提出了路基壓實(shí)度連續(xù)檢測技術(shù)的設(shè)計(jì)方案[3]。與加速度傳感器采集振動輪振動信號用于反饋路基壓實(shí)度方法不同，譚憶秋等人用光柵傳感器檢測車轍板試件中，通過分析試件的應(yīng)變響應(yīng)和壓實(shí)次數(shù)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對路面壓實(shí)的過程分析[4]。此外，路基壓實(shí)度的實(shí)時監(jiān)測不僅能及時保證工程質(zhì)量，還能引用于某些早期建造公路進(jìn)行二次施工前的快速合理評估工程量[5]。陳鎮(zhèn)金等基于路基壓實(shí)理論開發(fā)出了路基施工過程中的振動壓實(shí)智能化檢測系統(tǒng)，通過對現(xiàn)有壓路機(jī)進(jìn)行加裝加速度傳感器、溫度傳感器、車載電腦等實(shí)現(xiàn)了對壓路機(jī)施工質(zhì)量的實(shí)時檢測，實(shí)現(xiàn)了對路基施工壓實(shí)質(zhì)量的有效管理[6]。居彩梅等利用壓路及振動輪的加速度值與路基的材料的正相關(guān)關(guān)系，提出振蕩壓實(shí)度計(jì)測量系統(tǒng)框圖[7]。鑒于此，本文通過建立振動輪-路基動力學(xué)模型[8]，分析研究振動加速度信號與壓實(shí)度之間的關(guān)系，提出了基于加速度信號的路基壓實(shí)度連續(xù)檢測技術(shù)。

1 理論分析

1.1 振動輪-路基動力學(xué)模型

壓路機(jī)在進(jìn)行路基壓實(shí)作業(yè)中，主要是利用振動輪的靜載荷重量以及振動輪內(nèi)偏心塊的離心力產(chǎn)生的動載荷進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)。其作業(yè)質(zhì)量不僅取決于振動輪的工作條件、壓路機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工況參數(shù)，還與路基材料及狀態(tài)有關(guān)。而要通過安裝在壓路機(jī)上的振動傳感器進(jìn)行路基壓實(shí)度的實(shí)時檢測，就必須建立振動輪-路基動力學(xué)模型[9]，其中質(zhì)量模型如圖1所示。

壓路機(jī)作業(yè)時機(jī)架和振動輪的運(yùn)動可近似看作剛體移動和滾動，而路基隨著施工次數(shù)的增多，其剛度和阻尼都會發(fā)生比較明顯的變化。因此，將壓路機(jī)機(jī)架當(dāng)作集中質(zhì)量m1，壓路機(jī)振動輪主要在路基豎直方向進(jìn)行路基的壓實(shí)作業(yè)，則振動輪也可看作一個具有強(qiáng)迫振動源的集中質(zhì)量m2，隨振路基質(zhì)量為m3;機(jī)架和振動輪之間的剛度及阻尼分別為k1及c1，而路基的剛度和阻尼分別為k2和c2;機(jī)架的位移為x1，振動輪豎直方向上的位移為x2，隨振路基的位移為x3。假設(shè)振動輪與路基面之間始終接觸，則x2=x3，ms=m2+m3。根據(jù)以上假設(shè)及參數(shù)建立壓路機(jī)振動輪-路基動力學(xué)模型為式（1）：

m1x″1+c1（x′1-x′2）+k1（x1-x2）=0

m1x″2+c1（x′1-x′2）+k1（x1-x2）+Fs=F=F0sinωt（1）

m3x″3+c2x′3+k2x3-Fs=0

式中：F0=meω2——振動輪偏心塊離心力;

e——偏心塊的偏心距。

當(dāng)偏心塊以ω角速度轉(zhuǎn)動時，激振力F0帶動振動輪進(jìn)入振動狀態(tài)。則式寫成矩陣形式為式（2）：

由式（2）～（7）可知，在壓路機(jī)作業(yè)過程中，路基剛度k2和阻尼c2發(fā)生變化。因此，在偏心塊激振力作用下，振動輪豎直方向上的加速度僅與路基參數(shù)有關(guān)。

1.2 振動輪加速度幅值及頻譜分析

對振動輪-路基動力學(xué)模型進(jìn)行求解，獲得壓路機(jī)振動輪的加速度值仿真數(shù)據(jù)。當(dāng)壓路機(jī)第一遍作業(yè)時，路基剛度較小、阻尼較大。加速度曲線表現(xiàn)出清晰的正弦曲線特性，而加速度信號頻譜中以振動輪工頻幅值為主，如圖2（a）、圖2（b）所示;而隨著壓路機(jī)第二遍作業(yè)時，路基的剛度加大、阻尼減小，加速度信號頻譜中出現(xiàn)了工頻二倍頻幅值，如圖2（c）所示;而當(dāng)壓路機(jī)第三次作業(yè)時，加速度信號頻譜中二倍頻諧波幅值大于工頻幅值，如圖2（d）所示，這是因?yàn)槁坊粩啾粔簩?shí)后剛度明顯增大，導(dǎo)致振動輪-路基系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)中出現(xiàn)諧波成分?？芍?，加速度二倍頻諧波成分的出現(xiàn)表示路基不斷被壓實(shí)。

1.3 CMV（Compaction Meter Value）壓實(shí)度檢測原理

壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)施工作業(yè)時，可將振動壓路機(jī)-路基之間簡化為三自由度非線性強(qiáng)迫振動模型。其中壓路機(jī)振動輪內(nèi)的偏心質(zhì)量塊所產(chǎn)生的離心力為激振力，在垂直路面方向上，壓路機(jī)在振動輪的靜載荷和動載荷共同作用下完成壓路作業(yè)。而針對路基施工的不同階段，壓路機(jī)的工作模式及操作也不盡相同。振動輪-路基系統(tǒng)屬于強(qiáng)迫振動系統(tǒng)，其中激振力對應(yīng)不同的作業(yè)要求而選擇壓路機(jī)不同工作模式，屬于已知量，而安裝在振動輪處的加速度傳感器接收到的振動信息就包含兩部分：（1）振動輪的振動;（2）在路基作用下的壓路機(jī)激振力作用下的系統(tǒng)反饋。根據(jù)前文的分析，隨著路基不斷被壓實(shí)其剛度增大、阻尼減小，表現(xiàn)為加速度傳感器信號頻譜特征的變化，這種變化趨勢概括如圖3所示，隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，其加速度信號頻率2倍頻幅值逐漸大于1倍頻幅值。而根據(jù)式CMV值的定義可知，其值是頻譜2倍頻幅值與1倍頻幅值的比值，因此CMV值不僅可以反映路基剛度和阻尼的綜合變化趨勢，基于該值還可以實(shí)現(xiàn)對路基壓實(shí)度的實(shí)時檢測。因此，通過對振動輪處加裝加速度傳感器采集振動信號并進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算CMV值，可以實(shí)現(xiàn)依據(jù)CMV參數(shù)進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)質(zhì)量的實(shí)時反饋。

壓路機(jī)工作時，振動輪下方被壓材料的壓實(shí)狀況不同會導(dǎo)致振動輪垂直方向的加速度諧波分量的分布特征不同。CMV值與壓路機(jī)型號、振動頻率、振動幅值及滾動速度方向有關(guān)。CMV的計(jì)算公式如式（8）所示：

CMV=SA2ΩAΩ（8）

式中：CMV——CMV值;

AΩ——振動壓路機(jī)激振頻率幅值;

A2Ω——振動壓路機(jī)二次諧波分量幅值;

S——靜態(tài)量，根據(jù)實(shí)際情況標(biāo)定，通常取S=300。

隨著碾壓次數(shù)的增多，松軟的路基不斷被壓實(shí)。路基的彈性模量的增大，導(dǎo)致加速度信號發(fā)生變化，出現(xiàn)高次諧波分量，CMV值變大。振動壓路機(jī)壓實(shí)能力取決于振頻和振幅[10]。雙鋼輪振動壓路機(jī)高幅檔和低幅檔振頻及振幅分別為28.81 Hz、44.43 Hz和0.85 mm、0.44 mm，這屬于振動輪-路基系統(tǒng)的輸入激勵。事實(shí)上，通過CMV的定義可知，該值反映的是振動輪碾壓方向上的路基平均壓實(shí)情況。隨著路基不斷被壓路機(jī)壓實(shí)，振動輪豎直方向加速度值隨著路基剛度而增大，隨著路基的阻尼減小而增大。

2 基于振動加速度信號的路基壓實(shí)度計(jì)算

通過振動輪-路基動力學(xué)模型可以得到隨著路基不斷被壓實(shí)，其剛度不斷增大而阻尼不斷減小，路基的這種變化引起振動輪加速度幅值增大，在加速度信號的頻譜中變現(xiàn)為出現(xiàn)振動輪頻率二倍頻的高次諧波。通過仿真分析以及路基壓實(shí)度CMV的定義可以看到利用振動輪處的加速度信號測量及計(jì)算路基的壓實(shí)度是可行的，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟如圖4所示，主要是信號處理手段計(jì)算出CMV值，用于路基壓實(shí)度反饋。

2.1 CMV與作業(yè)次數(shù)的關(guān)系

CMV可以反映路基被壓實(shí)過程中路基剛度變化情況，但要將其應(yīng)用于工程實(shí)際中，還應(yīng)將其與路基密實(shí)度（ECV）進(jìn)行對比。為此，多次進(jìn)行土槽實(shí)驗(yàn)及場地測試，積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。作業(yè)現(xiàn)場記錄的壓實(shí)度曲線如圖5所示，每遍壓實(shí)的CMV值都有波動，特別是第三遍壓實(shí)后CMV值出現(xiàn)較大和較小值。忽略異常離群點(diǎn)的影響，可以看出隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，壓實(shí)度呈現(xiàn)遞增的趨勢。

2.2 ECV值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比

為了分析CMV值與路基壓實(shí)作業(yè)質(zhì)量之間的關(guān)系，分別對土槽實(shí)驗(yàn)進(jìn)行密實(shí)度ECV值及壓實(shí)度CMV測量，得到結(jié)果如表1所示。ECV值與CMV成正相關(guān)趨勢，相關(guān)系數(shù)最大達(dá)0.96，表明CMV與ECV值高度相關(guān)，并且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差不大，最大方差3.52出現(xiàn)在第4組實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得到CMV與ECV之間的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)為310。

3 路基壓實(shí)質(zhì)量管理系統(tǒng)研究

從CMV與路基參數(shù)之間的仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，CMV可以有效反饋路基在被壓實(shí)過程中的參數(shù)變化，路基密實(shí)度越高，其CMV值越大。根據(jù)這一原理以及采集加速度信號的便利及經(jīng)濟(jì)性，在壓

路機(jī)振動輪車架處安裝三軸加速度傳感器，并通過信號采集、信號分析及CMV值可視化等手段，研發(fā)出了路基壓實(shí)質(zhì)量管理系統(tǒng)，如圖6所示。加速度信號以及GNSS定位系統(tǒng)將壓路機(jī)當(dāng)前振動信號及位置信息輸送到主控中心進(jìn)行計(jì)算后得到路基壓實(shí)度CMV，將該值可視化后顯示在駕駛室內(nèi)的導(dǎo)航儀上，供施工作業(yè)人員參考;同時路基參數(shù)也會通過網(wǎng)絡(luò)傳送至數(shù)據(jù)中心及管理者辦公室，方便項(xiàng)目內(nèi)相關(guān)人員跟進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)度和質(zhì)量，提高管理效率。CMV可視化原理如圖7所示。根據(jù)實(shí)時測量出的CMV值反饋路基壓實(shí)質(zhì)量，通過顏色進(jìn)行區(qū)分，便于作業(yè)及管理人員進(jìn)行有效監(jiān)管。

路基壓實(shí)質(zhì)量管理系統(tǒng)不僅能在作業(yè)中對路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行評價和測量，而且及時保證了公路路基施工質(zhì)量，防止了偷工減料的發(fā)生。此外，所有施工數(shù)據(jù)永久保存，便于后期路基維護(hù)、項(xiàng)目評審、工程審核時使用，管理人員能實(shí)時掌握施工情況，避免浪費(fèi)人力物力。

4 結(jié)語

本文通過建立壓路機(jī)振動輪-路基之間的動力學(xué)模型，驗(yàn)證了CMV與路基壓實(shí)質(zhì)量之間的正相關(guān)關(guān)系，并通過試驗(yàn)方法計(jì)算了CMV與路基密實(shí)度之間的關(guān)系。通過對壓路機(jī)進(jìn)行加裝傳感器、作業(yè)質(zhì)量導(dǎo)航及定位系統(tǒng)，完成了路基壓實(shí)質(zhì)量管理系統(tǒng)。主要結(jié)論如下：

（1）壓實(shí)度連續(xù)檢測方法科學(xué)可行，便于反映路基的壓實(shí)情況。當(dāng)壓路機(jī)工作在松軟路基上時，路基的阻尼較大，對于振動輪的能量吸收較多，CMV值較小;而當(dāng)路基密實(shí)度增加，CMV值也變大，反映路基被壓實(shí)。

（2）通過系統(tǒng)仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，計(jì)算比較了CMV值與路基密實(shí)度之間的相關(guān)關(guān)系，通過后期大量工程數(shù)據(jù)分析擬合出回歸公式和系數(shù)，用于工程實(shí)踐中。

（3）路基壓實(shí)質(zhì)量管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對路基壓實(shí)度的實(shí)時、連續(xù)檢測，準(zhǔn)確地反映路基壓實(shí)度，有效控制路基施工質(zhì)量，提高壓實(shí)效率及質(zhì)量，在公路路基施工中有廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2021-03-18

作者簡介：

任少博（1985—），碩士，工程師，主要從事道路結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算、技術(shù)咨詢以及智慧工地建設(shè)方面的研究工作。