振動壓實連續(xù)檢測系統(tǒng)加速度有效值擬合分析方法研究

朱 飛,簡杰強,梁乃興

(1. 湖北省城建設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430051； 2. 重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院,重慶 400041)

0 前 言

隨著我國公路行業(yè)的快速發(fā)展，瀝青路面被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在道路工程中，壓實度是衡量公路路基路面質(zhì)量性能的一個重要指標[1]。有效的壓實可以提高瀝青混合料的強度、穩(wěn)定性和疲勞特性，也直接影響到瀝青路面的平整度和密實度。

傳統(tǒng)的路基路面的壓實度檢驗方法有許多種，比如灌砂法、擊石法、靜載實驗法等[2]。但傳統(tǒng)的檢測方法存在一定的不足，比如費工、費時、費用昂貴，取樣點少、代表性較差、不能夠完全反應(yīng)道路壓實情況，無法在道路壓實過程中及時地反應(yīng)道路的壓實情況，不可避免的產(chǎn)生欠壓或者過壓現(xiàn)象。因此，學(xué)者們正在積極探索一種有效的、精確地、實時連續(xù)的檢測路面壓實度的方法[3]。

筆者建立“振動輪-混合料”動力學(xué)模型，分析瀝青路面混合料在振動碾壓作用下的力學(xué)變化，利用Labview虛擬儀器編程振動壓實連續(xù)檢測系統(tǒng)，擬合分析實測加速度不同周期數(shù)據(jù)，得到合理連續(xù)的檢測周期作為計算瀝青路面壓實度的主要參數(shù)。

1 振動壓實原理

瀝青混合料在振動壓實初期，填料密度較小，分散疏松，混合料的彈性剛度較低、阻尼較大，此時振動輪響應(yīng)較小[4]。隨著振動壓路機壓實遍數(shù)的不斷增加，填料密度也逐漸增大，混合料的彈性剛度也隨之增大、阻尼變小，此時振動輪響應(yīng)也隨之增大。

根據(jù)牛頓第二定律，從力的平衡角度出發(fā)，分析瀝青混合料壓實原理，建立“振動輪-混合料”二自由度動力學(xué)模型，模型如圖1。

圖1 二自由度動力學(xué)模型

根據(jù)“振動輪-混合料”動力學(xué)模型計算分析，得到振動輪加速度幅值：

(1)

式中：k2為瀝青混合料剛度；c2為瀝青混合料阻尼。

由式(1)可得：當振動壓路機按某一固定頻率和振幅進行碾壓時，可認為系統(tǒng)中只有k2、c2是變化的。故振動輪的垂直加速度與混合料的剛度與阻尼有關(guān)，混合料的壓實程度不同，剛度和阻尼則不同。因此，采用振動加速度值作為計算瀝青混合料壓實度的主要參數(shù)是可行的[5-6]。

2 壓實檢測系統(tǒng)

振動壓實連續(xù)檢測系統(tǒng)主要采用ICP壓電式加速度傳感器作為振動輪加速度信號檢測元件，采用機載DH5902動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀對信號進行A/D轉(zhuǎn)換和傳輸，最后通過Labview虛擬語言編程處理振動輪加速度數(shù)據(jù)信號[7-8]。在振動輪作業(yè)時，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)混合料壓實狀態(tài)的實時監(jiān)測。

振動壓實度實時分析檢測系統(tǒng)如圖2。

圖2 實時分析檢測系統(tǒng)

ICP壓電式加速度傳感器具有體積小、抗外界干擾小、靈敏度高、性價比高、安裝方便等優(yōu)點，被廣泛用于各種振動測試檢驗中[9]。本次壓實度檢測采用DH-186壓電式加速度傳感器，壓電式傳感器輸出的信號為電信號，實際使用時需將電壓信號轉(zhuǎn)化為加速度數(shù)字信號。DH-186壓電式加速度傳感器的具體參數(shù)如表1。

表1 DH-186傳感器參數(shù)

機載DH5902數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)機箱內(nèi)置PC/104嵌入式工控機，用以太網(wǎng)與筆記本電腦連接。每個信號測試單元，由4個通道組成，每通道均采用獨立的A/D轉(zhuǎn)換器和獨立的DSP實時信號處理系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)實現(xiàn)了多通道同步并行采樣，采樣速率不受通道數(shù)的限制，通道間無串擾影響，同時大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖3 DH5902動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

振動壓實連續(xù)檢測系統(tǒng)主要通過Labview虛擬儀器編程設(shè)計對壓電式加速度傳感器采集到的信號進行處理得到壓實度的一種方式[9-10]。

圖4 數(shù)據(jù)信號處理圖框

3 加速度有效值

機載DH5902動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將采集到的電壓信號不斷地傳輸?shù)接嬎銠C進行分析處理。一般情況下，振動壓路機振動頻率50 Hz，即振動信號的單個振動周期為0.02 s。在0.02 s時間內(nèi)，壓路機走的距離很短，因此每個周期測定一個加速度有效值進行計算分析不合理，且比較復(fù)雜。

3.1 加速度擬合分析

依托安徽省泗許高速公路瀝青路面工程建設(shè)項目，采用機載DH5902數(shù)據(jù)采集儀實測試驗路段不同壓實遍數(shù)的路面振動加速度數(shù)據(jù)，分析實測加速度數(shù)據(jù)的離散性。該建設(shè)項目壓實機械采用雙鋼輪振動壓路機戴納派克622/125 KW。

圖4 瀝青混合料路面振動壓實施工

在安徽省泗許高速公路施工建設(shè)項目瀝青混合料路面現(xiàn)場碾壓施工現(xiàn)場，選取施工路面K23+425～K23+653左幅路段振動壓實采集的振動加速度信號，分別按照10～22個周期的數(shù)據(jù)點進行擬合。在同一振動壓路機作業(yè)和同一段加速度數(shù)據(jù)下，通過大量的數(shù)據(jù)擬合分析，得到不同周期數(shù)據(jù)的均值、標準差以及變異系數(shù)，如表2。

表2 不同周期加速度擬合數(shù)據(jù)性質(zhì)

根據(jù)表2可得到：每組周期數(shù)的標準偏差較小，均小于0.2，甚至有些周期數(shù)的標準小于0.05，表明每組振動加速度數(shù)據(jù)相對比較集中，無較大離散性。為了確定加速度擬合周期長度，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，對10～22個周期下變異系數(shù)進行擬合分析，從而得到如圖3的擬合曲線。

圖3 變異系數(shù)數(shù)據(jù)周期擬合

根據(jù)圖3分析得到：每組周期數(shù)的變異系數(shù)均較小，且隨著每組周期數(shù)的增加呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律；19個周期之前，隨著擬合周期數(shù)的增加，數(shù)據(jù)的集中程度逐漸增大，大致在19個周期左右時候，達到最大；在19個周期之后，隨著擬合周期數(shù)的增加，集中程度呈減小的趨勢。

每一個周期0.02 s時間內(nèi)振動壓路機行走距離較短，為了后期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算方便，在不影響整體數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，振動壓實連續(xù)采集系統(tǒng)采用20個周期的數(shù)據(jù)長度對采集到的加速度信號進行擬合比較合理。

在安徽省泗許高速公路施工建設(shè)項目瀝青混合料路面現(xiàn)場碾壓施工現(xiàn)場，選取施工路面K19+237～K19+563左幅路段和K24+358～K24+741右幅路段分別進行相同的實驗數(shù)據(jù)分析，得到與上述同樣的結(jié)論：振動壓實連續(xù)采集系統(tǒng)采用20個周期的數(shù)據(jù)長度對采集到的加速度信號進行擬合比較合理。

(2)

式中：fc為采樣頻率；f為振動頻率。取f=50 Hz，則t=0.4 s。

因此，可以通過計算連續(xù)檢測時間0.4 s內(nèi)的實測加速度均值作為振動加速度有效值。

3.2 壓實度實驗對比分析

在安徽省泗許高速公路施工建設(shè)項目瀝青混合料路面現(xiàn)場碾壓施工現(xiàn)場，取一段碾壓段作為試驗段進行現(xiàn)場試驗。在試驗過程中，每一遍壓完之后取5個不同位置分別用無核密度儀進行測定其壓實度，然后選取與之對應(yīng)位置的振動加速度有效值進行分析。擬合出加速度有效值與壓實度的對應(yīng)關(guān)系，如圖4。

表3 實測加速度有效值與壓實度

圖4 壓實度與加速度有效值的關(guān)系

擬合出加速度有效值與壓實度的關(guān)系式為：

D=1.05a+ 0.531 3

(3)

式中：D為壓實度，%；a為加速度有效值，m/s2。

校正后的擬合系數(shù)R2=0.954 2，相關(guān)性較好，表明路面壓實度值與加速度有效值擬合相關(guān)性較好。因此，在研究分析瀝青路面振動壓實連續(xù)檢測實時分析系統(tǒng)時，可以利用振動加速度有效值來作為獲取瀝青路面壓實度的一種方法。

4 結(jié) 語

通過研究分析瀝青路面“振動輪-混合料”動力學(xué)模型，得到振動輪加速度與混合料的剛度和阻尼有關(guān)，可采用振動輪加速度值作為計算瀝青路面壓實度的主要參數(shù)。

通過ICP壓電式傳感器和DH5902數(shù)據(jù)采集儀采集施工現(xiàn)場加速度數(shù)據(jù)信號，基于Labview虛擬編程建立瀝青路面振動壓實連續(xù)檢測系統(tǒng)。實驗擬合分析實測加速度不同周期數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場實驗壓實度數(shù)據(jù)進行對比分析，得到采用連續(xù)檢測0.4 s內(nèi)的實測加速度數(shù)據(jù)均值可作為瀝青路面壓實度連續(xù)檢測的主要參數(shù)。