振動壓實連續檢測系統加速度有效值擬合分析方法研究

朱 飛,簡杰強,梁乃興

(1. 湖北省城建設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051； 2. 重慶交通大學 交通運輸學院,重慶 400041)

0 前 言

隨著我國公路行業的快速發展，瀝青路面被廣泛應用于各個領域。在道路工程中，壓實度是衡量公路路基路面質量性能的一個重要指標[1]。有效的壓實可以提高瀝青混合料的強度、穩定性和疲勞特性，也直接影響到瀝青路面的平整度和密實度。

傳統的路基路面的壓實度檢驗方法有許多種，比如灌砂法、擊石法、靜載實驗法等[2]。但傳統的檢測方法存在一定的不足，比如費工、費時、費用昂貴，取樣點少、代表性較差、不能夠完全反應道路壓實情況，無法在道路壓實過程中及時地反應道路的壓實情況，不可避免的產生欠壓或者過壓現象。因此，學者們正在積極探索一種有效的、精確地、實時連續的檢測路面壓實度的方法[3]。

筆者建立“振動輪-混合料”動力學模型，分析瀝青路面混合料在振動碾壓作用下的力學變化，利用Labview虛擬儀器編程振動壓實連續檢測系統，擬合分析實測加速度不同周期數據，得到合理連續的檢測周期作為計算瀝青路面壓實度的主要參數。

1 振動壓實原理

瀝青混合料在振動壓實初期，填料密度較小，分散疏松，混合料的彈性剛度較低、阻尼較大，此時振動輪響應較小[4]。隨著振動壓路機壓實遍數的不斷增加，填料密度也逐漸增大，混合料的彈性剛度也隨之增大、阻尼變小，此時振動輪響應也隨之增大。

根據牛頓第二定律，從力的平衡角度出發，分析瀝青混合料壓實原理，建立“振動輪-混合料”二自由度動力學模型，模型如圖1。

圖1 二自由度動力學模型

根據“振動輪-混合料”動力學模型計算分析，得到振動輪加速度幅值：

(1)

式中：k2為瀝青混合料剛度；c2為瀝青混合料阻尼。

由式(1)可得：當振動壓路機按某一固定頻率和振幅進行碾壓時，可認為系統中只有k2、c2是變化的。故振動輪的垂直加速度與混合料的剛度與阻尼有關，混合料的壓實程度不同，剛度和阻尼則不同。因此，采用振動加速度值作為計算瀝青混合料壓實度的主要參數是可行的[5-6]。

2 壓實檢測系統

振動壓實連續檢測系統主要采用ICP壓電式加速度傳感器作為振動輪加速度信號檢測元件，采用機載DH5902動態數據采集儀對信號進行A/D轉換和傳輸，最后通過Labview虛擬語言編程處理振動輪加速度數據信號[7-8]。在振動輪作業時，該系統可以實現混合料壓實狀態的實時監測。

振動壓實度實時分析檢測系統如圖2。

圖2 實時分析檢測系統

ICP壓電式加速度傳感器具有體積小、抗外界干擾小、靈敏度高、性價比高、安裝方便等優點，被廣泛用于各種振動測試檢驗中[9]。本次壓實度檢測采用DH-186壓電式加速度傳感器，壓電式傳感器輸出的信號為電信號，實際使用時需將電壓信號轉化為加速度數字信號。DH-186壓電式加速度傳感器的具體參數如表1。

表1 DH-186傳感器參數

機載DH5902數據采集系統機箱內置PC/104嵌入式工控機，用以太網與筆記本電腦連接。每個信號測試單元，由4個通道組成，每通道均采用獨立的A/D轉換器和獨立的DSP實時信號處理系統[10]。該系統實現了多通道同步并行采樣，采樣速率不受通道數的限制，通道間無串擾影響，同時大大提高了系統的抗干擾能力。

圖3 DH5902動態數據采集系統

振動壓實連續檢測系統主要通過Labview虛擬儀器編程設計對壓電式加速度傳感器采集到的信號進行處理得到壓實度的一種方式[9-10]。

圖4 數據信號處理圖框

3 加速度有效值

機載DH5902動態數據采集系統是將采集到的電壓信號不斷地傳輸到計算機進行分析處理。一般情況下，振動壓路機振動頻率50 Hz，即振動信號的單個振動周期為0.02 s。在0.02 s時間內，壓路機走的距離很短，因此每個周期測定一個加速度有效值進行計算分析不合理，且比較復雜。

3.1 加速度擬合分析

依托安徽省泗許高速公路瀝青路面工程建設項目，采用機載DH5902數據采集儀實測試驗路段不同壓實遍數的路面振動加速度數據，分析實測加速度數據的離散性。該建設項目壓實機械采用雙鋼輪振動壓路機戴納派克622/125 KW。

圖4 瀝青混合料路面振動壓實施工

在安徽省泗許高速公路施工建設項目瀝青混合料路面現場碾壓施工現場，選取施工路面K23+425～K23+653左幅路段振動壓實采集的振動加速度信號，分別按照10～22個周期的數據點進行擬合。在同一振動壓路機作業和同一段加速度數據下，通過大量的數據擬合分析，得到不同周期數據的均值、標準差以及變異系數，如表2。

表2 不同周期加速度擬合數據性質

根據表2可得到：每組周期數的標準偏差較小，均小于0.2，甚至有些周期數的標準小于0.05，表明每組振動加速度數據相對比較集中，無較大離散性。為了確定加速度擬合周期長度，根據表2的數據，對10～22個周期下變異系數進行擬合分析，從而得到如圖3的擬合曲線。

圖3 變異系數數據周期擬合

根據圖3分析得到：每組周期數的變異系數均較小，且隨著每組周期數的增加呈現一定的變化規律；19個周期之前，隨著擬合周期數的增加，數據的集中程度逐漸增大，大致在19個周期左右時候，達到最大；在19個周期之后，隨著擬合周期數的增加，集中程度呈減小的趨勢。

每一個周期0.02 s時間內振動壓路機行走距離較短，為了后期的數據統計計算方便，在不影響整體數據穩定性的基礎上，振動壓實連續采集系統采用20個周期的數據長度對采集到的加速度信號進行擬合比較合理。

在安徽省泗許高速公路施工建設項目瀝青混合料路面現場碾壓施工現場，選取施工路面K19+237～K19+563左幅路段和K24+358～K24+741右幅路段分別進行相同的實驗數據分析，得到與上述同樣的結論：振動壓實連續采集系統采用20個周期的數據長度對采集到的加速度信號進行擬合比較合理。

(2)

式中：fc為采樣頻率；f為振動頻率。取f=50 Hz，則t=0.4 s。

因此，可以通過計算連續檢測時間0.4 s內的實測加速度均值作為振動加速度有效值。

3.2 壓實度實驗對比分析

在安徽省泗許高速公路施工建設項目瀝青混合料路面現場碾壓施工現場，取一段碾壓段作為試驗段進行現場試驗。在試驗過程中，每一遍壓完之后取5個不同位置分別用無核密度儀進行測定其壓實度，然后選取與之對應位置的振動加速度有效值進行分析。擬合出加速度有效值與壓實度的對應關系，如圖4。

表3 實測加速度有效值與壓實度

圖4 壓實度與加速度有效值的關系

擬合出加速度有效值與壓實度的關系式為：

D=1.05a+ 0.531 3

(3)

式中：D為壓實度，%；a為加速度有效值，m/s2。

校正后的擬合系數R2=0.954 2，相關性較好，表明路面壓實度值與加速度有效值擬合相關性較好。因此，在研究分析瀝青路面振動壓實連續檢測實時分析系統時，可以利用振動加速度有效值來作為獲取瀝青路面壓實度的一種方法。

4 結 語

通過研究分析瀝青路面“振動輪-混合料”動力學模型，得到振動輪加速度與混合料的剛度和阻尼有關，可采用振動輪加速度值作為計算瀝青路面壓實度的主要參數。

通過ICP壓電式傳感器和DH5902數據采集儀采集施工現場加速度數據信號，基于Labview虛擬編程建立瀝青路面振動壓實連續檢測系統。實驗擬合分析實測加速度不同周期數據，并與現場實驗壓實度數據進行對比分析，得到采用連續檢測0.4 s內的實測加速度數據均值可作為瀝青路面壓實度連續檢測的主要參數。