振動壓路機連續(xù)壓實儀及控制指標研究

周保剛　謝立揚

摘要：通過對國內(nèi)外壓實連續(xù)控制的儀器類型進行介紹，全面解讀了連續(xù)壓實儀器的發(fā)展和控制指標，并分析了控制指標的差異和使用上的差別，為進一步開展壓實連續(xù)控制儀器的研究、試驗、開發(fā)和推廣工作提供了一定依據(jù)，以便更好地對土壤和瀝青路面壓實進行有效地監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：振動壓路機；連續(xù)壓實儀器；控制指標；土壤監(jiān)測

中圖分類號：U415.52 文獻標志碼：B

Abstract： The development and control index of continuous compaction meter were elaborated by starting with the introduction to several types of continuous compaction meters. The difference of control indices and how they are applied were analyzed， which provides basis for further research， test and promotion of the continuous compaction meter and helps to monitor the compaction of soil and asphalt pavement more effectively.

Key words： vibratory roller； continuous compaction meter； control index； soil monitoring

0 引 言

連續(xù)壓實控制簡稱CCC，是指在壓實過程中利用連續(xù)壓實儀檢測振動輪的動態(tài)響應(yīng)信號，根據(jù)被壓材料與振動壓路機的相互作用，經(jīng)過處理后得到能反映土體壓實狀況的控制指標。按振動輪響應(yīng)信號處理方式的不同，形成了幾種連續(xù)壓實控制技術(shù)?；谶@些技術(shù)多國學者進行了大量的研究，已研制出具有不同工作原理的壓實檢測儀器，如落錘頻譜式路基壓實度快速測定儀、瑞雷波法壓實儀、核子密實度計、電渦流壓實度計等，其中以安裝在振動壓路機上的連續(xù)壓實度儀應(yīng)用最廣[1]。本文全面解讀連續(xù)壓實度儀的發(fā)展和控制指標，以便為有效監(jiān)控瀝青路面壓實情況提供參考。

1 國內(nèi)外連續(xù)壓實度儀

目前在市場上使用的連續(xù)壓實度儀主要由壓路機生產(chǎn)廠家自己開發(fā)并使用，有以下幾種類型。

Geodynamik開發(fā)的壓實控制系統(tǒng)被廣泛地用于Caterpiller、Ingersoll-Rand、Vibrobax的壓路機產(chǎn)品上。它包括用于振動壓路機和振蕩壓路機上的示波器，用于連續(xù)壓實控制的文件系統(tǒng)、以及處理CCC數(shù)據(jù)的DC軟件程序。

Ingersoll Rand 公司將智能控制技術(shù)應(yīng)用于3種高頻振動壓路機上。3種HFA模型擁有8種振幅，每種設(shè)置都可以自動地調(diào)整振動頻率。操作者可以通過這種設(shè)置選用高頻低振幅完成薄層路面的作業(yè)；或者使用高振幅和低頻率的搭配，完成厚實和堅硬路面的作業(yè)，從而降低破壞路面總體結(jié)構(gòu)的風險，提高工作效率。

Bomag使用了一種特殊的瀝青管理系統(tǒng)，使壓路機壓輪可感應(yīng)出路面的硬度和溫度。當路面材料變得堅硬時，壓路機的壓輪會自動調(diào)節(jié)能量輸出方向，由垂直變?yōu)樗?，以保證達到路面的壓實要求，且不會傷害路面瀝青造成過度壓實。這套系統(tǒng)還能提示操作者路面溫度的高低，幫助操作者決定距離攤鋪機的遠近。

Sakai公司的精確壓實系統(tǒng)能夠保持精確的工作速度來完成壓實工作。當壓路機啟動時，所產(chǎn)生的沖擊出現(xiàn)在系統(tǒng)顯示屏上，一個簡單的控制按鈕能夠幫助司機完成復(fù)位或完成每步幅8～12次的振動。精確壓實系統(tǒng)在Sakai的SW850和SW900雙鋼輪壓路機中使用。

Caterpillar的壓路機采用 AccuGrade 壓實技術(shù)，使壓實更為簡單容易。 該系統(tǒng)可以判斷工作過程中的土壤壓實效果并通過GPS進行位置測量，提高壓實質(zhì)量，顯著降低運營成本，減少不必要的人力投入并優(yōu)化生產(chǎn)率。

瑞士Ammann公司推出了“ACE”壓實控制專家系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可根據(jù)瀝青或土壤情況，自動調(diào)整頻率和振幅大小。 “ACE”系統(tǒng)可安裝在任何壓輪上。此外，它還配置一個紅外溫度儀，以防止壓實在過高或過低的溫度下進行。

國內(nèi)西南交通大學的研發(fā)團隊承擔了交通領(lǐng)域第一個連續(xù)壓實控制方面的科研項目，并提出了一套與動力學方法配套的量測系統(tǒng)——壓實過程監(jiān)控系統(tǒng)（CPMS V1.0）。該系統(tǒng)由振動傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理與控制軟件、后臺數(shù)據(jù)處理與管理以及信息傳輸軟件等組成，可以裝配在任何振動性能穩(wěn)定的振動壓路機上[2-3]。目前已經(jīng)發(fā)展到CPMS V5.0，實現(xiàn)了信息化管理和控制。

2 連續(xù)壓實度儀測量指標

2.1 CMV指標

A2Ω與AΩ的比值是一個非線性的值。對線性壓路機-土壤系統(tǒng)，30 Hz的激振頻率產(chǎn)生的振動輪加速度一次諧波為0，A2Ω與AΩ的比值將會為0。而壓路機-土壤系統(tǒng)是非線性的，在壓實過程中，振動輪加速度響應(yīng)會產(chǎn)生失真，正弦波發(fā)生畸變。所以，通過用傅立葉變換分析激振頻率的倍數(shù)， A2Ω與AΩ比值可以衡量壓路機振動波形失真和非線性的程度。

用實測2個周期以上的振動輪垂直加速度諧波的頻譜來分析CMV，如圖1所示。顯示的CMV是多于2個周期計算的平均值。Geodynamik公司的儀器測量時間通常大于0.5 s，采樣時間可調(diào)。加速度計的1%失真率會影響CMV的精確度。Geodynamik報告指出，CMV在10以下時，可信度比較小。

CMV指標與土壤壓實度、剛度的關(guān)系完全依賴于試驗。影響CMV指標準確性的因素有：壓路機的型號、振動的振幅和頻率、前進的速度、土壤的類型和下基層土壤的壓實情況。因此，在連續(xù)控制壓實上應(yīng)用CMV指標需要仔細的校正，且在隨后的實地監(jiān)測中，要嚴格保證校正的系數(shù)準確。目前戴納派克公司、卡特彼勒和英格索蘭公司都利用CMV進行了壓路機壓實度的監(jiān)測。

2.2 Omega 標準

2.5 VCV指標

在西南交通大學制定的《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程》（TB 10108—2011）標準中，提出了連續(xù)壓實指標VCV。VCV也是一個力學指標，其原理是將振動壓路機壓實過程看作是一種動態(tài)載荷加載過程。振動壓路機作為加載設(shè)備，土壤是作業(yè)介質(zhì)，根據(jù)壓路機與土壤之間的相互作用，連續(xù)測量振動壓路機振動輪垂直振動加速度信號，建立檢測評定與反饋控制體系。通過路基結(jié)構(gòu)的反作用力來分析和評定路基的壓實狀態(tài)，得到與土壤抵抗力有關(guān)的指標VCV，進而實現(xiàn)碾壓過程中壓實質(zhì)量的連續(xù)控制，其工作原理如圖5所示。VCV試驗與平板載荷試驗相似，只是加載方式和測試范圍不同而已。

3 測量值評估

為了對各種測量指標進行比較，國外學者Adam和Kopf在一個彈性半空間里，對壓路機振動進行有限元分析，以土壤模量為變量分析對壓實參數(shù)測量值的影響，試驗結(jié)果如圖6所示。試驗結(jié)果表明， CMV隨著土壤模量E的增加而增加，但對于恒定的土壤模量，CMV大小依賴于振幅的變化。因此，對于相同的土壤來說，1個較大的偏心力會產(chǎn)生大的CMV。

在連續(xù)接觸和局部隆起的模型中，Ev對土壤模量的變化很敏感，土壤模量的增加會使Ev值也增加。在連續(xù)接觸的模型中，Ev對振幅的依賴性不強，而在部分隆起的模型中，Ev隨著振幅的增加而增加。這種對振幅的依賴性在硬性土壤中會更加明顯。類似于Ev，KS也隨著土壤模量增加而增加，特別是在土壤部分隆起時。Mooney and Rinehart也驗證了這種振幅與土壤剛度間的依賴性。在連續(xù)振幅下，Omega標準對土壤剛度很不敏感；在連續(xù)的土壤模型里，CMV、Ev和KS都表現(xiàn)出來對振幅的依賴性。但理想狀況是測量值應(yīng)不依賴于偏心力和振幅，尤其是對可變振幅控制的壓實。

圖7表明，對一個給定的相對振幅，數(shù)值推導(dǎo)出來的CCC量值是土壤模量的一個函數(shù)。在連續(xù)接觸模型中，Omega、Ev和KS線性地隨著土壤模量變化而變化，而CMV是相對穩(wěn)定的。在部分隆起的土壤中，對于土壤模量的變化，CMV很靈敏，Omega的敏感性最小。

多個國家的研究結(jié)果都表明，CMV只有采用特定的壓路機碾壓一些細粒料時是有效的，而在很多情況下并不能真實地反映壓實質(zhì)量信息，這是許多國家放棄CMV這個指標的主要原因。

4 結(jié) 語

總體來講，國外的連續(xù)壓實技術(shù)各有特點，但都有一定的局限性，究其根源，主要還是控制指標引起的。中國雖然在這方面做了大量研究，但缺乏系統(tǒng)性和連續(xù)性，至今還沒有一套成熟的產(chǎn)品在國內(nèi)推廣使用，今后還需要加大力度，進一步開展連續(xù)壓實度計的研究、試驗和推廣工作，以便更好地對土壤和瀝青路面壓實進行有效的監(jiān)控。

參考文獻：

[1] 管會生，陸建新.BAOMAG壓路機機載壓實控制系統(tǒng)[J].筑路機械與施工機械化，2007，24（2）：52-54.

[2] 崔樹華，汪學斌，周 峰，等.壓實度實時檢測技術(shù)發(fā)展與實踐[J].建設(shè)機械技術(shù)與管理，2012（8）：18-22.

[3] 沈培輝，楊 平.路面壓實密實度評價方法的研究現(xiàn)狀及展望[J].工程與試驗，2010，50（2）：1-3.

[4] 楊 璐，馮占強.智能壓實技術(shù)發(fā)展概況[J].工程機械文摘，2011（1）：50-53.

[5] 徐光輝.中國交通領(lǐng)域連續(xù)壓實控制發(fā)展概述[J].建設(shè)機械技術(shù)與管理，2014（8）：43-45.

[6] 官文龍.壓實計方法在連續(xù)壓實控制應(yīng)用中的局限性分析[J].路基工程，2012（4）：51-54.

[責任編輯：杜敏浩]