基于振動加速度-含水率雙指標的水泥穩定碎石壓實度連續檢測系統

摘要 文章首先提出了一種基于振動加速度-含水率雙指標的智能壓實檢測方法，詳細介紹了振動加速度信號和含水率的采集處理設備；然后，結合智能壓實技術與傳統的壓實度檢測方法，并考慮含水率對壓實度的影響，構建了一個壓實度實時檢測系統，實現對現場水穩碎石壓實度的連續無損檢測；最后，在此基礎上，通過智能壓實技術和常規壓實度檢測試驗手段，構建了壓實過程實時監測系統，并對智能壓實檢測系統的準確性進行了判定，從而實現對大范圍水穩碎石路基壓實度的檢測。

關鍵詞 水穩碎石；壓實度；振動加速度；含水率

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0153-04

0 引言

隨著現代道路工程技術的飛速發展，對路面材料的質量與性能要求日益提高。水泥穩定碎石作為一種常見的道路基層材料，以其優異的力學性能和穩定性，在公路建設中扮演著舉足輕重的角色。然而，傳統的水泥穩定碎石壓實方法往往依賴于人工操作和經驗判斷，其壓實質量和效率難以得到有效保障。因此，探索一種智能、高效的水泥穩定碎石壓實技術，對于提升道路建設質量、縮短建設周期具有重要意義。

該文旨在探討壓實過程中水泥穩定碎石的含水率、壓實度與振動壓路機的加速度信號之間的關系，構建壓實度的實時、連續、無損檢測系統。通過該文的研究，期望能夠為水泥穩定碎石的智能壓實技術提供理論支持和實踐指導，為道路建設領域的技術進步和產業升級貢獻力量。

1 振動加速度信號基本原理

在振動壓路機工作時，其振動滾輪的運動過程可近似地看作簡諧運動。在此過程的影響下，穩定狀態下振動壓路機的振動響應信號表現出較為規整的正弦曲線，如圖1所示。振動壓路機的主要作用是通過自身車輛的靜荷載和偏心裝置提供的激振力，完成對筑路材料的壓實作業，使其達到密實狀態[1]。

在振動壓路機的壓實過程中，水穩碎石的密度不斷變大，由于振動壓路機所產生的沖擊波在不同密度的土體中衰減的程度不同，且土體對振動輪作用的抵抗力也不同，因此振動輪的振動加速度也不同。

2 含水率采集原理

當單色光或復合光聚焦能量照射物體時，如果其能量足夠強大，可以激發物體分子從基礎振動能級躍升至更高的能級，這些光隨后會被物體吸收。緊接著，在物體表面會形成與照射光同頻的吸收光譜。當前，近紅外水分儀在檢測時，會選擇單色光或復合光中的特定波長作為主要參照。這種精準的選擇使得近紅外水分儀能夠更準確地檢測和分析物質中的水分含量。常見的近紅外光譜分析法主要有透射式和漫反射式，現場含水率采用漫反射式進行檢測[2]。漫反射式近紅外光譜檢測方法，是光源發出的近紅外光經過被測對象的散射后，由探測器對所接收的光的強度進行檢測，其檢測原理圖如圖2所示：

當近紅外光束照射被測物體表面時，光線會分為兩部分，其中一部分會直接反射，而另一部分則會被物體吸收。被吸收的光線穿透物體表面進入內部，在其中經歷多次反射，并與分子相互作用后，逐漸失去能量。這一過程將導致光線在物體內部持續地反射、散射和被吸收，最終的出射光只剩一束相對較弱的光束。近紅外光水分儀結構圖如圖3所示[3]：

3 數據處理與系統搭建

為了實現振動加速度信號的數據處理，提高振動加速度信號的處理速度，保證振動加速度信號的數據處理精度，該文提出了一種基于Python語言的振動加速度信號處理方法，通過識別和濾除雜波，減少了干擾，把一些不易分析或不能簡單辨識的信號轉化成易于分析和處理的格式，方便后續的數據處理。

3.1 信號采集

該系統硬件包括動態信號采集儀和振動加速度傳感器，軟件為與之配套的動態信號采集分析系統，每個振動壓路機分別在振動輪的中心軸兩側安裝振動加速度傳感器。

通過現場試驗發現，采集到的振動加速度信號具有較大的上限和下限，且碾壓時存在一定的頻率，故應優先選用IIR濾波。將采用IIR濾波器前后所采集到的振動加速度信號繪制成波形圖，并進行比較。

3.2 信號處理

該系統選用FFT作為振動加速度信號的處理方法，FFT（DFT）是一種以傅里葉變換（DFT）為基礎的快速算法，它在一個長度為N的DFT單元圓周上求取N個m點，但因其具有對稱性，一般僅取其一半的結果。采用Python語言進行編程，再經過FFT初步得到分析過程，如圖4所示：

路基碾壓完成后，通過FFT對振動加速度信號進行處理分析，可以很容易地得到由FFT計算出的各節點圖像，這對后續的壓實質量控制具有重要意義。

3.3 智能壓實檢測系統搭建

振動加速度信號和含水率的采集主要依靠安裝在振動壓路機上的振動加速度傳感器和近紅外光水分儀實現，其在振動壓路機上的安裝位置如圖5～6所示：

為確保信號采集過程中的連續性和有效性，該系統中的硬件設備和軟件系統均由同一公司生產。除此之外，與其搭配的設備還有車載逆變器、IEPE信號輸入線、筆記本電腦、電源線等。

振動壓路機上的加速度傳感器通過IEPE信號輸入線與數據采集儀連接；數據采集儀再通過網線與筆記本電腦連接；而移動充電寶和車載逆變器則通過電源線為數據采集儀和筆記本電腦進行充電，系統連接示意圖如圖7所示：

4 雙指標分析

4.1 不同壓實度下的加速度代表值

在現場試驗段按照試驗流程進行水穩碎石的攤鋪和壓實，當壓實度達到80%左右時開始進行測量和記錄。振動壓路機每碾壓一遍，便記錄振動輪的加速度信號，并采用灌砂法檢測其對應的壓實度。如此重復碾壓并記錄，直至壓實度達到最大。不同壓實度下的加速度代表值如圖8所示：

由圖8可知，當壓實度處于80%～90%時，加速度代表值緩慢增長；當壓實度在90%～96%時開始迅速增長；當壓實度達到96%后，加速度代表值雖然繼續增長，但增幅不明顯，無法明確判斷水穩碎石是否達到了目標壓實度，因此采用含水率作為第二指標對壓實度進行精確監測。

4.2 不同含水率下的加速度代表值

在進行上述現場試驗時，使用裝載在振動壓路機上的近紅外光設備對水穩碎石的含水率進行實時檢測，將測得的含水率與振動加速度代表值結合，擬合出一個基于含水率-加速度代表值的目標函數，如圖9所示。由圖9可知，當含水率小于最佳含水率時，振動加速度迅速增長；接近最佳含水率時，增長趨于平緩；大于最佳含水率后，則呈下降趨勢。這是因為，在含水量低的情況下，水分以潤滑性為主，不易壓實，壓實效果差，對應的沖擊反應也比較小；而在含水量高的情況下，由于水的存在，孔隙中的水通常不受力，所以當含水量增加時，密實度會下降，加速度的代表值也會隨之下降。

綜上所述，在現場施工時，采用振動加速度-含水率雙指標可對壓實度進行有效控制。當振動加速度大于31m/s2且含水率處于最佳含水率附近時，便可認為水穩碎石達到了目標壓實度。采用這種方法有以下優點：

（1）實現了對水穩碎石基層含水率和壓實度的實時監測，可對壓實度進行有效的控制，避免出現壓實度不足或過壓實的情況，大大提高了施工精度和效率。

（2）實現了對路基壓實度的無損檢測，彌補了傳統壓實度檢測方法破壞路基結構的缺陷。

5 結論

（1）通過現場試驗，采集和處理振動加速度信號，結合傳統的壓實度測量方法，建立了壓實度與振動加速度的相關關系。數據表明，在壓實過程中，隨著水穩碎石路基的逐漸壓實，振動加速度呈現出先緩慢增長、后快速增長、最后趨于平緩的趨勢。因此，通過振動加速度只能大致判斷壓實度的范圍，并不能對壓實度進行精確控制。

（2）引入含水率這一不可忽略的因素，結合振動加速度，擬合出一條關于振動加速度和含水率的曲線，其方程為。以此為基礎，搭建了基于振動加速度-含水率雙指標控制的水穩碎石路基壓實度實時檢測系統，實現了水穩碎石路基壓實過程中的實時、連續、無損檢測，大大提高了施工效率。

參考文獻

[1]ADAMD. Continuous Compaction Control （CCC） with Vibrating Rollers[J]. Proceedings of GeoEnvironment， 1996（97）：245-250.

[2]張慶宇.土石混填路基智能壓實質量控制方法及工程應用研究[D].濟南：山東交通學院， 2024.

[3]趙秀璞.路基智能壓實控制技術研究[D].西安：長安大學， 2016.