基于壓實振動信號的路基壓實度檢測系統研究

摘要：路基施工是公路施工過程中的重要環節，但其施工質量受環境因素、施工設備及施工人員素養等眾多因素的影響易出現質量風險，常規的事后檢測方法不能滿足對路基壓實質量的連續、實時監測的要求。文章建立了壓路機與路基之間的振動輪-路基動力學模型，分析了路基壓實度與壓路機振動信號的關系，提出了基于振動加速度信號的路基壓實度快速實時檢測方法，并驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：道路工程;路基壓實度;加速度信號;動力學模型;壓實度檢測系統

文獻標識碼：U416.06-A-11-029-5

0 引言

堅實可靠的路基是道路長期高品質運行的必要保證。現行規范及常規路基壓實質量檢測方法有灌砂法、環刀法、核子檢測法等[1]。灌砂法操作過程可控，數值及檢測結果準確，是工程實際中路基壓實度檢測的常用方法。環刀法是我國傳統的壓實度檢測方法，是一種抽檢的方法并且對檢測人員專業素養依賴較大。核子檢測法則是國際上廣泛應用的壓實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。總之，常規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、經濟性。

劉東海等研發了路基壓實度實時監測裝置，建立了以路基壓實檢測值為核心變量的路基壓實質量評估模型，實現了施工面作業質量的快速評估[2]。重慶大學黃志福等以壓路機振動輪處加速度為檢測對象，建立了壓路機-路基系統的動力學模型，分析了壓路機垂直方向加速度與路基材料剛度、阻尼之間的關系，提出了路基壓實度連續檢測技術的設計方案[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，通過分析試件的應變響應和壓實次數的關系，實現對路面壓實的過程分析[4]。此外，路基壓實度的實時監測不僅能及時保證工程質量，還能引用于某些早期建造公路進行二次施工前的快速合理評估工程量[5]。陳鎮金等基于路基壓實理論開發出了路基施工過程中的振動壓實智能化檢測系統，通過對現有壓路機進行加裝加速度傳感器、溫度傳感器、車載電腦等實現了對壓路機施工質量的實時檢測，實現了對路基施工壓實質量的有效管理[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關系，提出振蕩壓實度計測量系統框圖[7]。鑒于此，本文通過建立振動輪-路基動力學模型[8]，分析研究振動加速度信號與壓實度之間的關系，提出了基于加速度信號的路基壓實度連續檢測技術。

1 理論分析

1.1 振動輪-路基動力學模型

壓路機在進行路基壓實作業中，主要是利用振動輪的靜載荷重量以及振動輪內偏心塊的離心力產生的動載荷進行壓實作業。其作業質量不僅取決于振動輪的工作條件、壓路機結構參數及工況參數，還與路基材料及狀態有關。而要通過安裝在壓路機上的振動傳感器進行路基壓實度的實時檢測，就必須建立振動輪-路基動力學模型[9]，其中質量模型如圖1所示。

壓路機作業時機架和振動輪的運動可近似看作剛體移動和滾動，而路基隨著施工次數的增多，其剛度和阻尼都會發生比較明顯的變化。因此，將壓路機機架當作集中質量m1，壓路機振動輪主要在路基豎直方向進行路基的壓實作業，則振動輪也可看作一個具有強迫振動源的集中質量m2，隨振路基質量為m3;機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。假設振動輪與路基面之間始終接觸，則x2=x3，ms=m2+m3。根據以上假設及參數建立壓路機振動輪-路基動力學模型為式（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。

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

由式（2）～（7）可知，在壓路機作業過程中，路基剛度k2和阻尼c2發生變化。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有關。

1.2 振動輪加速度幅值及頻譜分析

對振動輪-路基動力學模型進行求解，獲得壓路機振動輪的加速度值仿真數據。當壓路機第一遍作業時，路基剛度較小、阻尼較大。加速度曲線表現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;而隨著壓路機第二遍作業時，路基的剛度加大、阻尼減小，加速度信號頻譜中出現了工頻二倍頻幅值，如圖2（c）所示;而當壓路機第三次作業時，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，這是因為路基不斷被壓實后剛度明顯增大，導致振動輪-路基系統動態響應中出現諧波成分。可知，加速度二倍頻諧波成分的出現表示路基不斷被壓實。

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

壓路機進行壓實施工作業時，可將振動壓路機-路基之間簡化為三自由度非線性強迫振動模型。其中壓路機振動輪內的偏心質量塊所產生的離心力為激振力，在垂直路面方向上，壓路機在振動輪的靜載荷和動載荷共同作用下完成壓路作業。而針對路基施工的不同階段，壓路機的工作模式及操作也不盡相同。振動輪-路基系統屬于強迫振動系統，其中激振力對應不同的作業要求而選擇壓路機不同工作模式，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激振力作用下的系統反饋。根據前文的分析，隨著路基不斷被壓實其剛度增大、阻尼減小，表現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，隨著壓實次數的增加，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，基于該值還可以實現對路基壓實度的實時檢測。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行頻譜分析，計算CMV值，可以實現依據CMV參數進行壓實作業質量的實時反饋。

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

CMV=SA2ΩAΩ（8）

式中：CMV——CMV值;

AΩ——振動壓路機激振頻率幅值;

A2Ω——振動壓路機二次諧波分量幅值;

S——靜態量，根據實際情況標定，通常取S=300。

隨著碾壓次數的增多，松軟的路基不斷被壓實。路基的彈性模量的增大，導致加速度信號發生變化，出現高次諧波分量，CMV值變大。振動壓路機壓實能力取決于振頻和振幅[10]。雙鋼輪振動壓路機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-路基系統的輸入激勵。事實上，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情況。隨著路基不斷被壓路機壓實，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度計算

通過振動輪-路基動力學模型可以得到隨著路基不斷被壓實，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為出現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算路基的壓實度是可行的，其技術實現步驟如圖4所示，主要是信號處理手段計算出CMV值，用于路基壓實度反饋。

2.1 CMV與作業次數的關系

CMV可以反映路基被壓實過程中路基剛度變化情況，但要將其應用于工程實際中，還應將其與路基密實度（ECV）進行對比。為此，多次進行土槽實驗及場地測試，積累了大量的實驗數據。作業現場記錄的壓實度曲線如圖5所示，每遍壓實的CMV值都有波動，特別是第三遍壓實后CMV值出現較大和較小值。忽略異常離群點的影響，可以看出隨著壓實次數的增加，壓實度呈現遞增的趨勢。

2.2 ECV值與實驗數據的對比

為了分析CMV值與路基壓實作業質量之間的關系，分別對土槽實驗進行密實度ECV值及壓實度CMV測量，得到結果如表1所示。ECV值與CMV成正相關趨勢，相關系數最大達0.96，表明CMV與ECV值高度相關，并且實驗數據的方差不大，最大方差3.52出現在第4組實驗中，經過數據分析得到CMV與ECV之間的經驗常數為310。

3 路基壓實質量管理系統研究

從CMV與路基參數之間的仿真及實驗數據分析可知，CMV可以有效反饋路基在被壓實過程中的參數變化，路基密實度越高，其CMV值越大。根據這一原理以及采集加速度信號的便利及經濟性，在壓

路機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，研發出了路基壓實質量管理系統，如圖6所示。加速度信號以及GNSS定位系統將壓路機當前振動信號及位置信息輸送到主控中心進行計算后得到路基壓實度CMV，將該值可視化后顯示在駕駛室內的導航儀上，供施工作業人員參考;同時路基參數也會通過網絡傳送至數據中心及管理者辦公室，方便項目內相關人員跟進項目進度和質量，提高管理效率。CMV可視化原理如圖7所示。根據實時測量出的CMV值反饋路基壓實質量，通過顏色進行區分，便于作業及管理人員進行有效監管。

路基壓實質量管理系統不僅能在作業中對路基壓實質量進行評價和測量，而且及時保證了公路路基施工質量，防止了偷工減料的發生。此外，所有施工數據永久保存，便于后期路基維護、項目評審、工程審核時使用，管理人員能實時掌握施工情況，避免浪費人力物力。

4 結語

本文通過建立壓路機振動輪-路基之間的動力學模型，驗證了CMV與路基壓實質量之間的正相關關系，并通過試驗方法計算了CMV與路基密實度之間的關系。通過對壓路機進行加裝傳感器、作業質量導航及定位系統，完成了路基壓實質量管理系統。主要結論如下：

（1）壓實度連續檢測方法科學可行，便于反映路基的壓實情況。當壓路機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;而當路基密實度增加，CMV值也變大，反映路基被壓實。

（2）通過系統仿真和試驗數據分析，計算比較了CMV值與路基密實度之間的相關關系，通過后期大量工程數據分析擬合出回歸公式和系數，用于工程實踐中。

（3）路基壓實質量管理系統可實現對路基壓實度的實時、連續檢測，準確地反映路基壓實度，有效控制路基施工質量，提高壓實效率及質量，在公路路基施工中有廣闊的應用前景。

參考文獻

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[9]易 飛.振動壓路機振動加速度實時檢測及數據處理研究[D].重慶：重慶交通大學，2011.

[10]王子芳，曾曉江.公路路基路面壓實施工技術應用[J].交通世界，2020（552）：87-88.

收稿日期：2021-03-18

作者簡介：

任少博（1985—），碩士，工程師，主要從事道路結構力學計算、技術咨詢以及智慧工地建設方面的研究工作。