采用諧波比值法的路基碾壓實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)研究

何東煬

(中鐵建昆侖路橋建設(shè)有限公司 四川成都 610000）

1 引言

路基工程在公路交通建設(shè)中占比最大，不同地區(qū)填料及填筑工藝選用需因地制宜，目前路基填筑的壓實(shí)度檢測(cè)仍然是采用灌砂法、環(huán)刀法、核子法等，但是在實(shí)際施工過程中這三種試驗(yàn)檢測(cè)方法都很低效，并會(huì)給路基填筑質(zhì)量帶來較多的隱患，另外具有強(qiáng)烈放射性的核子法也未進(jìn)行廣泛的應(yīng)用[1-2]。壓實(shí)度實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)成套設(shè)備是在公路檢驗(yàn)之中的一種前沿的技術(shù)，能夠讓施工人員在操作時(shí)在第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)情況并進(jìn)行轉(zhuǎn)化操控[3]，從而確保每層路基通過相對(duì)較少的壓實(shí)次數(shù)就能達(dá)到規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，有效避免每層路基因碾壓不到位或是過度碾壓引起的問題，不但可以減少機(jī)械臺(tái)班數(shù)量，還可在保質(zhì)保量的前提下提高填筑速度，減少工期[4-5]。該技術(shù)原理涉及信息、電路、機(jī)械、材料及彈性力學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，具有一定的科研價(jià)值。前人通過采集壓路設(shè)備振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而得出振動(dòng)頻率與不同土體壓實(shí)度間的聯(lián)系，并提出新的壓實(shí)度連續(xù)檢驗(yàn)方法[6-7]。

2 工程概況

德遂高速位于四川盆地中部的川中低山丘陵區(qū)，龍泉山脈以東，地勢(shì)總體上為西北高，東南低。沿線地形起伏相對(duì)較大，海拔高程多在300～600 m，切深一般在80～140 m。土質(zhì)較軟弱土含水量高，孔隙比大，壓縮模量大，物理力學(xué)性能差，主要溪流兩岸、山間洼地、塘和堰底部，或混雜于山間溝谷沖積地帶、分布零散，厚度不均，多呈透鏡狀分布。

3 壓實(shí)連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

壓實(shí)度連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將相關(guān)儀器安裝在壓路機(jī)振動(dòng)輪上，通過傳感器收集分析一些和土壤壓實(shí)度關(guān)系緊密的參數(shù)來反映路面壓實(shí)度的實(shí)際情況[8]。將收集信號(hào)過程中的影響因素消除后，與傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法得出的結(jié)果比較分析，來確定現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的壓實(shí)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)路段路基壓實(shí)度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)路基邊緣、過渡段碾壓不到位等路段的監(jiān)測(cè)。典型的雙輪式壓路機(jī)[9]壓實(shí)度連續(xù)檢測(cè)儀基本構(gòu)成見圖1。

圖1 雙輪式壓路機(jī)壓實(shí)度檢測(cè)儀組成

其中前置放大器的主要部分是由電荷和電壓放大器構(gòu)成，其主要作用是通過放大電信號(hào)，從而降低電信號(hào)的阻抗，將相關(guān)信號(hào)換成電壓信號(hào)輸出，將信號(hào)放大1 000倍。低通濾波器是收集壓實(shí)度反饋回來的低頻信號(hào)，消除放大器輸出信號(hào)中直流電平的疊加量。A/D轉(zhuǎn)換裝置是將電壓信號(hào)回收量化編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的方式進(jìn)行輸出。信號(hào)處理與運(yùn)算，通過單板機(jī)把輸出信號(hào)進(jìn)行分析處理[10-12]。

4 壓實(shí)度連續(xù)檢測(cè)試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)路基土選用

結(jié)合西南片區(qū)公路施工中常用路基填筑土的力學(xué)及物理特性，并參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007），選取兩類最具代表性的填土路基段進(jìn)行試驗(yàn)研究。

Ⅰ號(hào)填土路基的試驗(yàn)場(chǎng)地在德陽市郊區(qū)高速公路匝道施工現(xiàn)場(chǎng)，其級(jí)配如表1所示。按照公路試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，可分類為砂類土。

表1 Ⅰ號(hào)土通過篩孔后的質(zhì)量百分率

Ⅱ號(hào)土基的試驗(yàn)場(chǎng)地在遂寧市區(qū)高速連接線施工現(xiàn)場(chǎng)，其級(jí)配如表2所示。按照公路試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，可分類為砂類土。

表2 Ⅱ號(hào)土通過篩孔后的質(zhì)量百分率

對(duì)比二者，不難看出Ⅱ號(hào)土中粒徑大于2 mm的顆粒含量相對(duì)較高，粒徑小于0.074 mm的顆粒含量相對(duì)較低，二者均級(jí)配較好。

對(duì)兩類土體分別進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，確定土的最大干密度和最佳含水率。重型擊實(shí)試驗(yàn)的擊實(shí)距離0.45 cm，落錘重量4.5 kg，試筒容積997 cm3。分5層完成擊實(shí)，各層擊實(shí)二十七次，擊實(shí)功大小為0.275 kg/m。Ⅰ、Ⅱ號(hào)土的擊實(shí)曲線如圖2所示。

圖2 Ⅰ、Ⅱ號(hào)土擊實(shí)曲線

通過圖2不難看出，Ⅰ號(hào)土的含水量10.28%時(shí)，最大干密度為1.957 g/cm3；Ⅱ號(hào)土的含水量10.09%時(shí)，最大干密度為1.972 g/cm3。

4.2 路基土實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)試驗(yàn)

安裝傳感器:傳感器的安裝方式、位置都與采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量好壞有密切相關(guān)。其安裝位置主要受到振動(dòng)幅值的影響，可供選擇的安裝方式有:使用頻率為5 kHz的螺釘、4 kHz的環(huán)氧樹脂、1.5 kHz的強(qiáng)磁吸盤，0.5 kHz的雙面膠。按照工程慣例及現(xiàn)場(chǎng)具體情況，也便于多個(gè)檢測(cè)位置做交替檢測(cè)，實(shí)際安裝時(shí)采用的是強(qiáng)磁吸盤。安裝位置選擇在壓路機(jī)前輪振動(dòng)軸上，并進(jìn)行必要的清潔、打磨，以保證傳感器接觸面的平滑，最后將傳感器固定在磁座上，利用強(qiáng)磁吸盤進(jìn)行固定，具體安裝位置如圖3所示。

圖3 安裝傳感器

傳感數(shù)據(jù)采集:采集儀為YE6263型，靜態(tài)誤差在±0.3%以內(nèi)，8條動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集通道數(shù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換分辨率大小為12BT，帶寬為0到200 kHz，采集分析軟件為YE7600。進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集必須使用計(jì)算機(jī)、操縱數(shù)據(jù)采集儀、信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集儀以及配套的專業(yè)采集軟件。數(shù)據(jù)采集儀的工作流程是:先將每相同時(shí)間段采樣一次模擬信號(hào)，將信號(hào)離散化；再將所獲得的瞬時(shí)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，從而產(chǎn)生間隔頻率相同的數(shù)字信號(hào)。

壓實(shí)并采集完相關(guān)數(shù)據(jù)后，采用灌砂法測(cè)定的壓實(shí)度結(jié)果，兩類土壓實(shí)度值如表3所示。

表3 兩種土的壓實(shí)度值

4.3 諧波比值法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理:通過YEC—DASP信號(hào)處理系統(tǒng)完成現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理。利用軟件中的自譜分析，可以得到該傳感器信號(hào)的頻譜，如圖4所示。

圖4 信號(hào)自譜圖

諧波比值法:經(jīng)前人研究發(fā)現(xiàn)，在壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)作用下，地基也隨著震動(dòng)頻率具備振動(dòng)特性，在施工過程中振動(dòng)輪激振信號(hào)的波形中不但包含振動(dòng)輪固有頻率的振動(dòng)，還包括地基振動(dòng)引起的雜波，收集到雜波會(huì)導(dǎo)致激振信號(hào)畸變，這是諧波比值法進(jìn)行路基土壓實(shí)情況判定的理論基礎(chǔ)。在進(jìn)行振動(dòng)碾壓時(shí)，若土壤特性為蓬松，振動(dòng)頻率就沒有高次干擾頻率波，而只有正常頻率；如若在質(zhì)地較為堅(jiān)硬的路基段就不斷出現(xiàn)高次諧波，可使用濾波器將出現(xiàn)干擾波進(jìn)行過濾，并篩選出二次諧波與基波，將兩者的比值作為評(píng)價(jià)壓實(shí)度是否滿足要求的特征指標(biāo)。二次諧波能夠較為明顯地反映出信號(hào)的畸變情況，故稱之為“諧波比”，英文縮寫為HVR。諧波比值大小與壓路機(jī)振動(dòng)輪速度、方向、型號(hào)重量、振幅以及頻率相關(guān)。

對(duì)采集到的激振波形初步處理后利用傅立葉法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，該波形含有加速度幅值的多次諧波與基波的頻率，轉(zhuǎn)化后得到的頻譜中振幅譜峰值頻率分別為26 Hz與52 Hz。因?yàn)閴郝窓C(jī)工作時(shí)振動(dòng)頻率基本為30 Hz左右，可以選定26 Hz為基波信號(hào)的主頻，52 Hz的信號(hào)為二次諧波。經(jīng)過兩者對(duì)比，其比值大小可以用于反映填土壓實(shí)情況。表4為兩種土碾壓時(shí)振動(dòng)輪的激振信號(hào)“諧波比”。

表4 信號(hào)HVR值%

Ⅰ、Ⅱ號(hào)土碾壓時(shí)振動(dòng)輪的激振信號(hào)“諧波比”HVR值(%）、壓實(shí)遍數(shù)與壓實(shí)度之間的關(guān)系，如圖5～圖8所示。

圖5 Ⅰ號(hào)土壓實(shí)度、HVR隨壓實(shí)遍數(shù)變化

圖6 Ⅰ號(hào)土壓實(shí)度與HVR的關(guān)系

圖7 Ⅱ號(hào)土壓實(shí)度、HVR隨壓實(shí)遍數(shù)變化

圖8 Ⅱ號(hào)土壓實(shí)度與HVR的關(guān)系

圖6所示的線型回歸方程為y=5.6HVR+0.1，相關(guān)系數(shù)R2=0.89，其中y表示壓實(shí)度，HVR為加速度諧波比。

圖8所示的線型回歸方程為y=3.4HVR+0.5，相關(guān)系數(shù)R2=0.88，其中y表示壓實(shí)度，HVR為加速度諧波比。

通過兩組土體分析圖像可得，壓實(shí)度與HVR隨著壓實(shí)遍數(shù)增加而增大，兩者的波形有典型的正相關(guān)變化規(guī)律。能夠較好地反映激振信號(hào)和路基土壤壓實(shí)度二者的關(guān)系，可以在實(shí)踐中推廣應(yīng)用。

5 結(jié)束語

通過本文的研究工作可以得出結(jié)論如下:

(1）振動(dòng)輪激振信號(hào)能夠客觀反映土體壓實(shí)強(qiáng)度，將收集的激振信號(hào)特征信息HVR比值進(jìn)行處理后，能夠?qū)ν馏w壓實(shí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并進(jìn)行了相關(guān)評(píng)價(jià)方法的介紹。

(2）建立簡(jiǎn)單有效的壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理算法，在現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境下檢驗(yàn)了系統(tǒng)的應(yīng)用性能與效果，并通過與傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法(灌砂法）對(duì)比，表明該系統(tǒng)可采用諧波比對(duì)路基壓實(shí)度進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果有效、可靠。

(3）利用本文提出的諧波比值法判斷兩種級(jí)配、最佳含水率不同的砂類土的壓實(shí)度情況，分別得到了兩組土壓實(shí)度與HVR比值間的回歸公式和相關(guān)系數(shù)。