振動原理在道路測試中的應(yīng)用

黃慶祥

振動原理在道路測試中的應(yīng)用

黃慶祥

以檢測原理中的振動原理為例,提出道路檢測中振動原理的概念,詳細(xì)講解振動原理,分析振動檢測的主要儀器,以促進(jìn)我國檢測設(shè)備的研制與開發(fā)和我國道路檢測新學(xué)科的持續(xù)發(fā)展。

振動原理,道路,強(qiáng)度,彎沉

0 引言

隨著交通事業(yè)的迅速發(fā)展,特別是高等級公路的發(fā)展十分迅速,使得路基路面質(zhì)量控制的程序越來越完善,要求的檢測水平越來越高,而一般的檢測已不能滿足高等級公路檢測的需要。雖然,為適應(yīng)高等級公路質(zhì)量檢測的需要,少數(shù)省區(qū)引進(jìn)了一些檢測設(shè)備,但像我們這樣一個大國,靠引進(jìn)設(shè)備來解決問題不是一個方向,因而,我們應(yīng)該掌握現(xiàn)行檢測儀器的原理,自己研制與開發(fā),使主要檢測設(shè)備國產(chǎn)化。道路測試中按檢測原理,檢測設(shè)備分有振動檢測、超聲波檢測、射線檢測和激光檢測等幾種,本文選取振動技術(shù),分析振動原理和振動檢測的主要設(shè)備,說明振動原理在道路測試中的應(yīng)用。

1 振動原理的概念及特點(diǎn)

道路中振動檢測技術(shù)是用向地面瞬態(tài)錘擊來測定它的強(qiáng)度與壓實(shí)度(或密實(shí)度)的一種方法。路基路面在受到錘擊后即刻就得到凹陷變形,或者產(chǎn)生一種傳遞振動波。這種凹陷或傳遞振動波即為檢測所需要的主要參數(shù),由于這種參數(shù)是依靠錘擊后道路產(chǎn)生振動獲得,因而,簡稱為振動檢測技術(shù)。

在國內(nèi)外利用錘擊的方法來得到路基路面檢測數(shù)據(jù),主要集中在路基路面的強(qiáng)度與壓實(shí)度方面。從理論上講,無論是路基、路面均可用錘擊的方法測定它們的強(qiáng)度和壓實(shí)度(或密實(shí)度),但實(shí)際上,目前國內(nèi)外只限于測定它們的強(qiáng)度。

2 振動原理綜述

錘擊式路基路面強(qiáng)度檢測原理：用一定質(zhì)量與形狀的鋼錘,由一定高度自由落下,即在路基路面上產(chǎn)生一種沖擊波。由于沖擊時間短,因此,這種波一般是脈沖波或尖峰波,這種沖擊波隨即被精密位移傳感器或千分表所接受,就產(chǎn)生了脈沖反彈位移量。

除了用錘擊方法測出壓實(shí)層反彈位移量的方法外,還有一種方法,就是用錘擊法測出路基的錘擊凹陷,這種凹陷變形反映了壓實(shí)土的抗力性能,而這種抗力又與壓實(shí)土的回彈模量有關(guān),很明顯,回彈模量愈大,或土體愈堅實(shí),則凹陷應(yīng)愈淺,反之,愈深。顯然,用這種方法與測定土體反彈量一樣,同樣也能確定壓實(shí)土體的強(qiáng)度。對路面來說,特別對路面面層來說,其壓實(shí)層的凹陷量只有1mm左右的數(shù)量級,一般不易量出。因而,對于路面面層適宜的方法是測量它的反彈位移量,對于路面基層要視情況來定。

3 振動檢測的主要儀器

3.1 便攜落錘式路面彎沉快速測定儀

3.1.1 儀器主要結(jié)構(gòu)

1)便攜式機(jī)械測振結(jié)構(gòu)。

便攜式機(jī)械測振結(jié)構(gòu)是最簡易的一種結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)制作方便,價格便宜,操作容易,是我國公路路面定點(diǎn)彎沉強(qiáng)度檢查的一種適宜的現(xiàn)場測試儀器,主體結(jié)構(gòu)組成如圖 1所示。

由圖 1可知,便攜式落錘彎沉儀是由機(jī)械式測振架、圓鋼球與落錘撞擊墊板三部分組成,測振架長可為 100 cm,底撐長為15 cm,三支與地面成 30°;彈簧吸振能力大于90%;鋼球直徑為5 cm～8 cm;錘質(zhì)量可為2 kg～3 kg;塑料墊板既薄且硬,耐擊力強(qiáng),安置塑料墊板的目的為保護(hù)路面不受直接沖擊,尺寸可為10 cm×10 cm×0.3 cm。記數(shù)器為特制的千分表,即當(dāng)千分表記數(shù)后,表針不會回零。

2)便攜式電子測振結(jié)構(gòu)。

便攜式電子測振結(jié)構(gòu)與機(jī)械測振結(jié)構(gòu)相似,區(qū)別在于機(jī)械式測振結(jié)構(gòu)用的是特制千分表,而電子測振結(jié)構(gòu)用的是位移傳感器。由于電磁靈敏度高,因此,位移計式測振結(jié)構(gòu)的測量精度高,很適宜于水泥混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度測定。

便攜式落錘彎沉儀的結(jié)構(gòu)與機(jī)械式測振所不同的只是換上了位移傳感器,這種位移傳感器可選擇量程 1 cm～2 cm即可。位移傳感器的工作原理是：當(dāng)脈沖反彈力驅(qū)動時,位移傳轉(zhuǎn)換器中的動變壓器開始工作,增加的電流在 A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,其數(shù)字電流進(jìn)入液晶記算器顯示。

3.1.2 儀器工作基本原理

將一個重 2 kg左右的鋼球,在 1m高的高度處自由落下,球體落在離測力桿的尾端O位置的 5 cm～7 cm處,對地面的沖擊波使路面產(chǎn)生脈沖反彈,驅(qū)使測桿向上移動,即在特制千分表或位移計算器里記入了反彈位移量,這種反彈位移量即表示了路面的彎沉強(qiáng)度。如果事先知道了“反彈位移量與彎沉值”的關(guān)系曲線,即能通過反彈位移量反求得到路面彎沉值。

3.2 車載落錘式路面彎沉快速測定儀

車載落錘式路面彎沉快速測定儀是目前國際上最先進(jìn)的一種路面彎沉強(qiáng)度無損檢測設(shè)備之一。車載落錘式分拖掛落錘式(或外載式)與內(nèi)載落錘式兩種。

3.2.1 儀器主要結(jié)構(gòu)

在一般情況下,外載拖掛式為常用,以該種儀器為例,來敘述其主要結(jié)構(gòu)。圖 2為拖式結(jié)構(gòu)方框圖。

由圖 2看出,拖掛式落錘彎沉儀的結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：第一部分是操縱盤,如圖 2a)所示。它由一批按鈕組成。它操作液壓缸,使測架升降,同時,操縱落錘下落與提升,另外還控制打印輸出等。第二部分是液壓升降架,如圖 2b)所示。它是由液壓筒、升降架、電磁鐵等組成,整套架子固定在拖車上,升降受液壓筒控制。第三部分由彎沉盆測梁和傳感器組成,如圖 2c)所示。在本儀中,測梁長25m,傳感部分用速度型傳感器,全梁布置 5個,間隔為 0.5m,包括擊板底部 1個,共 6個速度型傳感器,一次能測6個彎沉數(shù)據(jù)。第四部分是落錘和擊板部分,如圖 2d)所示。除了四部分結(jié)構(gòu)外,還有一套軟件系統(tǒng),主要是處理數(shù)據(jù)、存儲與顯示、打印等。

3.2.2 儀器工作基本原理

落錘式自動彎沉測定儀的基本工作原理如圖 3所示。按圖 3將測定車開到測定地點(diǎn),將一切準(zhǔn)備工作做好后,工作人員在駕駛室操作測定按鈕,將液壓升降架放下,測架隨之落到路面,操縱按鈕,使液壓升降架上的電磁鐵去磁,與測架脫鉤,升起液壓架,此時測架 5個速度傳感器至待測狀態(tài)。與前述同時,操縱落錘系統(tǒng)液壓部分,使擊板下垂到路面,同樣也處于待測狀態(tài)。此時,按下按鈕,電磁鐵去磁,落錘與吸鐵脫鉤,自由下落,擊至鐵板,如錘頭質(zhì)量為 5 000 kg,鐵板觸地面積為 700 cm2,則錘擊一下的壓強(qiáng)為0.7 MPa,這相當(dāng)于我國《公路柔性路面設(shè)計規(guī)范》選定的標(biāo)準(zhǔn)黃河汽車對路面產(chǎn)生的單位壓力。此時,6個速度傳感器同時記錄到下沉?xí)r的速度,送入數(shù)據(jù)處理裝置,并對速度進(jìn)行積分,得到中心彎沉值與彎沉盆,然后存儲、打印與數(shù)字顯示。

4 結(jié)語

高等級公路的迅速發(fā)展,對道路測試技術(shù)提出越來越高的要求。本文提出道路檢測中振動原理的概念,詳細(xì)講解振動原理,分析振動檢測的主要儀器。從理論上講,無論是路基、路面均可用錘擊的方法測定它們的強(qiáng)度和壓實(shí)度(或密實(shí)度),但實(shí)際上,目前國內(nèi)外只限于測定它們的強(qiáng)度。

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On app lication of vibration principle in road testing

HUANG Qing-xiang

This article takes the vibration principle according to detection principle as an example,raise the conception of vibration princip le in road-detected,details accountof the vibration princip le and analyzes themain instruments in vibration-test,so that promote the research and development in our test instrument and the sustainab le development in new subject on road-test.

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U 415

A

1009-6825(2011)09-0156-02

2010-12-10

黃慶祥(1983-),男,助理工程師,山西省交通科學(xué)研究院,山西太原 030006