采用諧波比值法的路基碾壓實時檢測技術研究

何東煬

(中鐵建昆侖路橋建設有限公司 四川成都 610000）

1 引言

路基工程在公路交通建設中占比最大，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度檢測仍然是采用灌砂法、環(huán)刀法、核子法等，但是在實際施工過程中這三種試驗檢測方法都很低效，并會給路基填筑質(zhì)量帶來較多的隱患，另外具有強烈放射性的核子法也未進行廣泛的應用[1-2]。壓實度實時連續(xù)檢測成套設備是在公路檢驗之中的一種前沿的技術，能夠讓施工人員在操作時在第一時間掌握現(xiàn)場壓實情況并進行轉化操控[3]，從而確保每層路基通過相對較少的壓實次數(shù)就能達到規(guī)范及設計要求，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，不但可以減少機械臺班數(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]。該技術原理涉及信息、電路、機械、材料及彈性力學等學科領域，具有一定的科研價值。前人通過采集壓路設備振動加速度信號進行數(shù)據(jù)分析，進而得出振動頻率與不同土體壓實度間的聯(lián)系，并提出新的壓實度連續(xù)檢驗方法[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，地勢總體上為西北高，東南低。沿線地形起伏相對較大，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 壓實連續(xù)檢測系統(tǒng)的構成

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

圖1 雙輪式壓路機壓實度檢測儀組成

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

4 壓實度連續(xù)檢測試驗分析

4.1 試驗路基土選用

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

Ⅰ號填土路基的試驗場地在德陽市郊區(qū)高速公路匝道施工現(xiàn)場，其級配如表1所示。按照公路試驗規(guī)范標準，可分類為砂類土。

表1 Ⅰ號土通過篩孔后的質(zhì)量百分率

Ⅱ號土基的試驗場地在遂寧市區(qū)高速連接線施工現(xiàn)場，其級配如表2所示。按照公路試驗規(guī)范標準，可分類為砂類土。

表2 Ⅱ號土通過篩孔后的質(zhì)量百分率

對比二者，不難看出Ⅱ號土中粒徑大于2 mm的顆粒含量相對較高，粒徑小于0.074 mm的顆粒含量相對較低，二者均級配較好。

對兩類土體分別進行室內(nèi)擊實試驗，確定土的最大干密度和最佳含水率。重型擊實試驗的擊實距離0.45 cm，落錘重量4.5 kg，試筒容積997 cm3。分5層完成擊實，各層擊實二十七次，擊實功大小為0.275 kg/m。Ⅰ、Ⅱ號土的擊實曲線如圖2所示。

圖2 Ⅰ、Ⅱ號土擊實曲線

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

4.2 路基土實時連續(xù)檢測試驗

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。其安裝位置主要受到振動幅值的影響，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的強磁吸盤，0.5 kHz的雙面膠。按照工程慣例及現(xiàn)場具體情況，也便于多個檢測位置做交替檢測，實際安裝時采用的是強磁吸盤。安裝位置選擇在壓路機前輪振動軸上，并進行必要的清潔、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，利用強磁吸盤進行固定，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條動態(tài)數(shù)據(jù)采集通道數(shù)，模數(shù)轉換分辨率大小為12BT，帶寬為0到200 kHz，采集分析軟件為YE7600。進行振動數(shù)據(jù)采集必須使用計算機、操縱數(shù)據(jù)采集儀、信號轉換數(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:先將每相同時間段采樣一次模擬信號，將信號離散化；再將所獲得的瞬時模擬量轉換為數(shù)字量，從而產(chǎn)生間隔頻率相同的數(shù)字信號。

壓實并采集完相關數(shù)據(jù)后，采用灌砂法測定的壓實度結果，兩類土壓實度值如表3所示。

表3 兩種土的壓實度值

4.3 諧波比值法對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

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

圖4 信號自譜圖

諧波比值法:經(jīng)前人研究發(fā)現(xiàn)，在壓路機振動壓實作用下，地基也隨著震動頻率具備振動特性，在施工過程中振動輪激振信號的波形中不但包含振動輪固有頻率的振動，還包括地基振動引起的雜波，收集到雜波會導致激振信號畸變，這是諧波比值法進行路基土壓實情況判定的理論基礎。在進行振動碾壓時，若土壤特性為蓬松，振動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)干擾波進行過濾，并篩選出二次諧波與基波，將兩者的比值作為評價壓實度是否滿足要求的特征指標。二次諧波能夠較為明顯地反映出信號的畸變情況，故稱之為“諧波比”，英文縮寫為HVR。諧波比值大小與壓路機振動輪速度、方向、型號重量、振幅以及頻率相關。

對采集到的激振波形初步處理后利用傅立葉法進行轉換，該波形含有加速度幅值的多次諧波與基波的頻率，轉化后得到的頻譜中振幅譜峰值頻率分別為26 Hz與52 Hz。因為壓路機工作時振動頻率基本為30 Hz左右，可以選定26 Hz為基波信號的主頻，52 Hz的信號為二次諧波。經(jīng)過兩者對比，其比值大小可以用于反映填土壓實情況。表4為兩種土碾壓時振動輪的激振信號“諧波比”。

表4 信號HVR值%

Ⅰ、Ⅱ號土碾壓時振動輪的激振信號“諧波比”HVR值(%）、壓實遍數(shù)與壓實度之間的關系，如圖5～圖8所示。

圖5 Ⅰ號土壓實度、HVR隨壓實遍數(shù)變化

圖6 Ⅰ號土壓實度與HVR的關系

圖7 Ⅱ號土壓實度、HVR隨壓實遍數(shù)變化

圖8 Ⅱ號土壓實度與HVR的關系

圖6所示的線型回歸方程為y=5.6HVR+0.1，相關系數(shù)R2=0.89，其中y表示壓實度，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，相關系數(shù)R2=0.88，其中y表示壓實度，HVR為加速度諧波比。

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

5 結束語

通過本文的研究工作可以得出結論如下:

(1）振動輪激振信號能夠客觀反映土體壓實強度，將收集的激振信號特征信息HVR比值進行處理后，能夠?qū)ν馏w壓實效果進行評價，并進行了相關評價方法的介紹。

(2）建立簡單有效的壓實度實時檢測系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理算法，在現(xiàn)場施工環(huán)境下檢驗了系統(tǒng)的應用性能與效果，并通過與傳統(tǒng)檢驗方法(灌砂法）對比，表明該系統(tǒng)可采用諧波比對路基壓實度進行實時連續(xù)檢測，且檢測結果有效、可靠。

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