路基壓實(shí)的振動(dòng)加速度與壓實(shí)度的相關(guān)關(guān)系

曹源文+韋建學(xué)+樊文勝+黃志福+樊友偉

摘 要：以江西省撫州至吉安高速路A1標(biāo)段路基壓實(shí)施工為依托工程，通過振動(dòng)加速度信號(hào)采集及采集信號(hào)的相關(guān)后續(xù)處理，建立壓實(shí)過程中振動(dòng)加速度與壓實(shí)度的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：路基壓實(shí)過程中，壓實(shí)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測對(duì)壓實(shí)質(zhì)量起重要作用，其中加速度與壓實(shí)度相關(guān)關(guān)系的建立是關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：路基壓實(shí)；振動(dòng)加速度；壓實(shí)度；壓實(shí)質(zhì)量

中圖分類號(hào)：U416.04 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-033X（2016）05-0106-05

Abstract： Based on the subgrade compaction of A1 section of Fuzhou-Jian Expressway in Jiangxi Province， the relationship between vibration acceleration and compaction degree was established by acquiring vibration acceleration signals and processing later on. The results show that real-time monitoring of compaction degree plays an important role in quality control during the process of subgrade compaction， with establishing the relationship between vibration acceleration and compaction degree being a critical part.

Key words： subgrade compaction； vibration acceleration； compaction degree； compaction quality

0 引 言

在中國城市道路建設(shè)過程中，傳統(tǒng)的路基壓實(shí)度檢測大都采用抽樣形式，由于抽樣檢測的局限性，在很大程度上不能全面反映整個(gè)道路鋪筑過程中的壓實(shí)情況。為滿足施工要求，多年來國內(nèi)外諸多廠家和科研機(jī)構(gòu)一直致力于開發(fā)以振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)加速度與壓實(shí)度關(guān)系為原理的壓實(shí)度檢測儀器。

在路基壓實(shí)過程中，通過對(duì)壓路機(jī)振動(dòng)加速度和路基壓實(shí)度的檢測，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)路基鋪筑過程的壓實(shí)檢測，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)抽樣檢測的不足之處。同時(shí)該方法具有實(shí)時(shí)檢測的特性，對(duì)工程質(zhì)量的監(jiān)管工作具有一定的指導(dǎo)作用。因此，本文依托江西省交通廳重點(diǎn)科技項(xiàng)目——路基路面壓實(shí)度自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測新技術(shù)研究，以路基壓實(shí)的實(shí)際施工過程為例，對(duì)壓路機(jī)振動(dòng)加速度信號(hào)及路基壓實(shí)度進(jìn)行檢測試驗(yàn)，研究壓路機(jī)振動(dòng)加速度與路基壓實(shí)度的關(guān)系。

1 壓路機(jī)振動(dòng)加速度信號(hào)采集

1.1 振動(dòng)加速度信號(hào)采集系統(tǒng)

根據(jù)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)的基本原理和信號(hào)檢測原理[1]，建立振動(dòng)加速度信號(hào)采集系統(tǒng)，如圖1所示。

1.2 YE6263動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)

YE6263動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)是一種基于10/100Base-TX網(wǎng)卡網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩喙δ軘?shù)據(jù)采集測試分析系統(tǒng)，它可以用于實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)，也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過程中的監(jiān)控系統(tǒng)。

在振動(dòng)加速度信號(hào)的采集過程中，主要用到采集儀中的3個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，即圖2所示的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀上從左邊起的第3、5、6通道。3個(gè)通道分別與安裝在振動(dòng)輪上的3個(gè)加速度傳感器連接，在檢測過程中分別對(duì)3個(gè)通道進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和調(diào)試。采集儀通過雙絞線與計(jì)算機(jī)連接，通過對(duì)采集軟件和采集儀參數(shù)的設(shè)置，將采集儀的參數(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)并進(jìn)行保存。

1.3 振動(dòng)加速度信號(hào)現(xiàn)場采集

現(xiàn)場進(jìn)行振動(dòng)加速度信號(hào)的檢測。首先確定振動(dòng)加速度傳感器的安裝位置，由于振動(dòng)輪產(chǎn)生的沖擊波按扇形逐次向填筑材料的深層延伸，所以垂直方向上的沖擊波應(yīng)最先達(dá)到底層并反饋回振動(dòng)輪，且垂直方向上填筑材料受到的力最大[2]。此外，振動(dòng)軸能真實(shí)反映振動(dòng)輪的振動(dòng)情況，因此振動(dòng)加速度傳感器安裝在振動(dòng)軸上并垂直地面。由于信號(hào)質(zhì)量的對(duì)比需要，在實(shí)際測量時(shí)除了垂直方向還在左右偏角45°方向也安裝了振動(dòng)加速度傳感器。具體安裝位置如圖3所示。

振動(dòng)加速度傳感器安裝完成后，還需要對(duì)振動(dòng)加速度傳感器進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)YE6263數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集參數(shù)設(shè)定。振動(dòng)加速度傳感器的標(biāo)定主要通過室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，采集參數(shù)設(shè)置主要包括采樣頻率設(shè)定和傳感器的靈敏度設(shè)置等[3]。由于振動(dòng)壓路機(jī)型號(hào)不同，振動(dòng)輪的振動(dòng)頻率也不一樣，主要有28、42、53 Hz幾個(gè)頻率。在對(duì)以不同振動(dòng)頻率作業(yè)的壓路機(jī)進(jìn)行加速度信號(hào)檢測時(shí)，為了使信號(hào)更加真實(shí)準(zhǔn)確，必須滿足采樣定理，即采樣頻率不小于信號(hào)最高頻率的2倍。YE6263數(shù)據(jù)采集儀內(nèi)置的采集頻率范圍為200～1 000 Hz，但不是范圍內(nèi)的所有頻率都可以使用，主要呈梯度遞增。為使采集的信號(hào)沒有遺漏，使用的采樣頻率主要為500 Hz和1 000 Hz。經(jīng)過具體試驗(yàn)測試可得，在26～45 Hz范圍內(nèi)最好采用500 Hz的采樣頻率，46～54 Hz范圍內(nèi)最好采用1 000 Hz的采樣頻率。

數(shù)據(jù)采集儀采集參數(shù)設(shè)定好后就可以進(jìn)行振動(dòng)加速度信號(hào)的采集，信號(hào)采集結(jié)果如圖4所示。

2 振動(dòng)加速度信號(hào)處理

在實(shí)際測量過程中，為了能夠使采集到的信號(hào)最大限度地包含有用的振動(dòng)加速度信號(hào)，采集系統(tǒng)的采樣頻率一般設(shè)得較大。這樣就導(dǎo)致有用的信號(hào)和各種噪聲混雜在一起，難以直接識(shí)別和利用，只有分離信號(hào)和噪聲，并經(jīng)過必要的處理分析、清除修正系統(tǒng)誤差之后，才能比較準(zhǔn)確地提取所測信號(hào)中包含的有用信息。

2.1 加速度信號(hào)分析

在對(duì)檢測到的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行一系列后期處理之前，首先對(duì)信號(hào)的成分進(jìn)行確定。分析振動(dòng)加速度信號(hào)的成分時(shí)，需要對(duì)所測振動(dòng)加速度信號(hào)做頻域處理，得到如圖5所示的快速傅里葉變換頻譜圖。

由圖5可知，原始信號(hào)除了振動(dòng)壓路機(jī)的空載振動(dòng)頻率42 Hz外，還包括二次諧波、三次諧波、四次諧波和一些高頻的噪聲信號(hào)。原因在于：振動(dòng)加速度傳感器安裝在振動(dòng)軸上，振動(dòng)軸和軸承之間的碰撞、摩擦?xí)a(chǎn)生噪音；傳感器距離液壓馬達(dá)較近，液壓馬達(dá)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，對(duì)采集的信號(hào)產(chǎn)生影響；還有振動(dòng)壓路機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。因此，要對(duì)所測的原始信號(hào)進(jìn)行去噪處理。

2.2 加速度信號(hào)的小波降噪

對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行小波去噪處理需要經(jīng)過3個(gè)步驟：首先對(duì)含噪聲的信號(hào)進(jìn)行小波變換；其次對(duì)經(jīng)過小波變換得到的小波系數(shù)進(jìn)行去噪處理；最后對(duì)處理后的小波系數(shù)進(jìn)行逆變換，得到去噪后的信號(hào)。

選擇coif小波基函數(shù)對(duì)采集到的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行變換處理，并采用無偏似然估計(jì)原則進(jìn)行降噪處理[4]。經(jīng)過coif小波基函數(shù)和無偏似然估計(jì)原則降噪后的信號(hào)如圖6所示。

2.3 加速度信號(hào)擬合

振動(dòng)加速度傳感器每秒采集到的振動(dòng)加速度信號(hào)量是很大的，且采集的振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律，如果運(yùn)用每個(gè)峰值對(duì)應(yīng)一個(gè)壓實(shí)度值，實(shí)際意義不大。因?yàn)樵谝粋€(gè)采集完整的正弦波形的時(shí)間里，振動(dòng)壓路機(jī)行駛的距離只有短短幾毫米，因此，需要確定用多少個(gè)周期的波形來充當(dāng)一個(gè)壓實(shí)度反映點(diǎn)。

分別對(duì)1～20個(gè)周期的波形進(jìn)行擬合分析，并計(jì)算數(shù)據(jù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差以及集中程度，得到圖7所示的關(guān)于數(shù)據(jù)擬合的標(biāo)準(zhǔn)偏差和集中程度的擬合曲線。

由圖7可以看出，10個(gè)周期時(shí)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是最小的，且集中程度最好，因此確定以10個(gè)周期為1個(gè)單元進(jìn)行擬合，求得的幅值有效值最接近真實(shí)值。

3 振動(dòng)加速度-壓實(shí)度關(guān)系式

3.1 壓實(shí)度判定方法

采用有效值法利用振動(dòng)加速度判定壓實(shí)度的理論依據(jù)是：在實(shí)際路基鋪筑壓實(shí)過程中，隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加，路基填筑土的壓實(shí)度增大，加速度信號(hào)的基波幅值也隨之增大。有效值法正是基于基波的這一特性來反映填筑材料的壓實(shí)狀態(tài)。在整個(gè)壓實(shí)過程中，填筑材料的密實(shí)度一直呈增長趨勢，加速度信號(hào)的基波幅值也隨之呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，因此，采用有效值法可以完全反映出整個(gè)壓實(shí)過程壓實(shí)度的變化情況，這正是實(shí)時(shí)檢測壓實(shí)度所需要的[5-7]。

3.2 振動(dòng)加速度-壓實(shí)度關(guān)系的建立

不同的填筑材料特性和不同的振動(dòng)壓路機(jī)參數(shù)都會(huì)導(dǎo)致壓實(shí)度增長速率不同，本文以江西省撫州至吉安高速路A1標(biāo)段路基壓實(shí)為依據(jù)試驗(yàn)，路基填筑土為粘質(zhì)土。顆粒分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)、擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和振動(dòng)壓路機(jī)參數(shù)分別如表1～3所示。對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合得到最佳含水量為13%，最大干密度為1.882 g·cm-3。

整個(gè)關(guān)系式的建立分5步：第1步，把振動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)傳感器和YE6263信號(hào)測試儀傳遞給計(jì)算機(jī)；第2步，將每一遍加速度信號(hào)導(dǎo)入MATLAB軟件中，對(duì)其進(jìn)行小波濾波處理；第3步，將小波處理過的信號(hào)導(dǎo)入EXCEL表格中，以10個(gè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出相同位置下每一遍的振動(dòng)加速度有效值；第4步，采用灌砂法求出所有碾壓遍數(shù)下的壓實(shí)度值；第5步，將每一遍對(duì)應(yīng)的加速度值和壓實(shí)度值按照碾壓遍數(shù)進(jìn)行擬合，得出加速度-壓實(shí)度關(guān)系式。

第1步為信號(hào)采集階段，采集方法按照本節(jié)前述的步驟進(jìn)行。由于采集的加速度信號(hào)數(shù)據(jù)非常龐大，這里僅用其中的一部分來表示，振動(dòng)加速度原始信號(hào)如圖8所示。

第2步為小波去噪階段，針對(duì)圖8的原始信號(hào)，按照前述方法進(jìn)行小波濾波后的信號(hào)，如圖9所示。

第3步為擬合求幅值有效值階段。圖10為振動(dòng)加速度有效值隨碾壓遍數(shù)的變化趨勢。

第4步為壓實(shí)度值計(jì)算，壓實(shí)度值等于干密度值除以最大干密度值，最大干密度由擊實(shí)試驗(yàn)得到，為1.882 g·cm-3，干密度通過灌砂法得到。壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的變化趨勢如圖11所示。

第5步為加速度-壓實(shí)度關(guān)系擬合。將第3步和第4步求出的加速度有效值和壓實(shí)度值按照碾壓遍數(shù)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，如表4所示，并將其進(jìn)行擬合得到加速度-壓實(shí)度關(guān)系，如圖12所示。

通過對(duì)兩者的擬合，由圖12可以得到壓實(shí)度δ和加速度有效值a之間的線性關(guān)系

δ=0.008 68a+0.627 3（1）

對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行校正可得，判定系數(shù)R2=0.928 9，說明兩者擬合后得到的線性關(guān)系相關(guān)性很好，能夠較好地反映出兩者之間的關(guān)系。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)壓路機(jī)振動(dòng)加速度信號(hào)的采集、處理及對(duì)路基壓實(shí)度的檢測，運(yùn)用數(shù)據(jù)擬合的方法將壓路機(jī)的振動(dòng)加速度與路基壓實(shí)度聯(lián)系起來，建立了基于江西省撫州至吉安高速路A1標(biāo)段路基壓實(shí)的壓路機(jī)振動(dòng)加速度與路基壓實(shí)度的相關(guān)關(guān)系，得到以下結(jié)論。

（1）振動(dòng)軸能真實(shí)反映振動(dòng)輪的振動(dòng)情況，因此振動(dòng)加速度傳感器安裝在振動(dòng)軸上并垂直于地面。為了信號(hào)質(zhì)量的對(duì)比需要，在實(shí)際測量時(shí)除了垂直方向還應(yīng)在左右偏角45°方向安裝振動(dòng)加速度傳感器。

（2）利用YE6263動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)采集到的振動(dòng)加速度信號(hào)存在一定的噪音和干擾信號(hào)，擬合求幅值前應(yīng)進(jìn)行濾波處理。

（3）路基壓實(shí)過程中，振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)加速度與路基壓實(shí)度之間存在一定的線性關(guān)系，基于江西撫吉高速A1標(biāo)段路基壓實(shí)的加速度-壓實(shí)度關(guān)系為δ=0.008 68a+0.627 3。

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[責(zé)任編輯：黨卓鈺]