基于振動(dòng)加速度-含水率雙指標(biāo)的水泥穩(wěn)定碎石壓實(shí)度連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)

摘要 文章首先提出了一種基于振動(dòng)加速度-含水率雙指標(biāo)的智能壓實(shí)檢測(cè)方法，詳細(xì)介紹了振動(dòng)加速度信號(hào)和含水率的采集處理設(shè)備；然后，結(jié)合智能壓實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測(cè)方法，并考慮含水率對(duì)壓實(shí)度的影響，構(gòu)建了一個(gè)壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水穩(wěn)碎石壓實(shí)度的連續(xù)無(wú)損檢測(cè)；最后，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)智能壓實(shí)技術(shù)和常規(guī)壓實(shí)度檢測(cè)試驗(yàn)手段，構(gòu)建了壓實(shí)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)智能壓實(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了判定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍水穩(wěn)碎石路基壓實(shí)度的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞 水穩(wěn)碎石；壓實(shí)度；振動(dòng)加速度；含水率

中圖分類(lèi)號(hào) U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）02-0153-04

0 引言

隨著現(xiàn)代道路工程技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)路面材料的質(zhì)量與性能要求日益提高。水泥穩(wěn)定碎石作為一種常見(jiàn)的道路基層材料，以其優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，在公路建設(shè)中扮演著舉足輕重的角色。然而，傳統(tǒng)的水泥穩(wěn)定碎石壓實(shí)方法往往依賴(lài)于人工操作和經(jīng)驗(yàn)判斷，其壓實(shí)質(zhì)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(wěn)定碎石壓實(shí)技術(shù)，對(duì)于提升道路建設(shè)質(zhì)量、縮短建設(shè)周期具有重要意義。

該文旨在探討壓實(shí)過(guò)程中水泥穩(wěn)定碎石的含水率、壓實(shí)度與振動(dòng)壓路機(jī)的加速度信號(hào)之間的關(guān)系，構(gòu)建壓實(shí)度的實(shí)時(shí)、連續(xù)、無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)該文的研究，期望能夠?yàn)樗喾€(wěn)定碎石的智能壓實(shí)技術(shù)提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)，為道路建設(shè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)貢獻(xiàn)力量。

1 振動(dòng)加速度信號(hào)基本原理

在振動(dòng)壓路機(jī)工作時(shí)，其振動(dòng)滾輪的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可近似地看作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。在此過(guò)程的影響下，穩(wěn)定狀態(tài)下振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)表現(xiàn)出較為規(guī)整的正弦曲線，如圖1所示。振動(dòng)壓路機(jī)的主要作用是通過(guò)自身車(chē)輛的靜荷載和偏心裝置提供的激振力，完成對(duì)筑路材料的壓實(shí)作業(yè)，使其達(dá)到密實(shí)狀態(tài)[1]。

在振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)過(guò)程中，水穩(wěn)碎石的密度不斷變大，由于振動(dòng)壓路機(jī)所產(chǎn)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(duì)振動(dòng)輪作用的抵抗力也不同，因此振動(dòng)輪的振動(dòng)加速度也不同。

2 含水率采集原理

當(dāng)單色光或復(fù)合光聚焦能量照射物體時(shí)，如果其能量足夠強(qiáng)大，可以激發(fā)物體分子從基礎(chǔ)振動(dòng)能級(jí)躍升至更高的能級(jí)，這些光隨后會(huì)被物體吸收。緊接著，在物體表面會(huì)形成與照射光同頻的吸收光譜。當(dāng)前，近紅外水分儀在檢測(cè)時(shí)，會(huì)選擇單色光或復(fù)合光中的特定波長(zhǎng)作為主要參照。這種精準(zhǔn)的選擇使得近紅外水分儀能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)和分析物質(zhì)中的水分含量。常見(jiàn)的近紅外光譜分析法主要有透射式和漫反射式，現(xiàn)場(chǎng)含水率采用漫反射式進(jìn)行檢測(cè)[2]。漫反射式近紅外光譜檢測(cè)方法，是光源發(fā)出的近紅外光經(jīng)過(guò)被測(cè)對(duì)象的散射后，由探測(cè)器對(duì)所接收的光的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)原理圖如圖2所示：

當(dāng)近紅外光束照射被測(cè)物體表面時(shí)，光線會(huì)分為兩部分，其中一部分會(huì)直接反射，而另一部分則會(huì)被物體吸收。被吸收的光線穿透物體表面進(jìn)入內(nèi)部，在其中經(jīng)歷多次反射，并與分子相互作用后，逐漸失去能量。這一過(guò)程將導(dǎo)致光線在物體內(nèi)部持續(xù)地反射、散射和被吸收，最終的出射光只剩一束相對(duì)較弱的光束。近紅外光水分儀結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[3]：

3 數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)搭建

為了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)加速度信號(hào)的數(shù)據(jù)處理，提高振動(dòng)加速度信號(hào)的處理速度，保證振動(dòng)加速度信號(hào)的數(shù)據(jù)處理精度，該文提出了一種基于Python語(yǔ)言的振動(dòng)加速度信號(hào)處理方法，通過(guò)識(shí)別和濾除雜波，減少了干擾，把一些不易分析或不能簡(jiǎn)單辨識(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)化成易于分析和處理的格式，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

3.1 信號(hào)采集

該系統(tǒng)硬件包括動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀和振動(dòng)加速度傳感器，軟件為與之配套的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)，每個(gè)振動(dòng)壓路機(jī)分別在振動(dòng)輪的中心軸兩側(cè)安裝振動(dòng)加速度傳感器。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采集到的振動(dòng)加速度信號(hào)具有較大的上限和下限，且碾壓時(shí)存在一定的頻率，故應(yīng)優(yōu)先選用IIR濾波。將采用IIR濾波器前后所采集到的振動(dòng)加速度信號(hào)繪制成波形圖，并進(jìn)行比較。

3.2 信號(hào)處理

該系統(tǒng)選用FFT作為振動(dòng)加速度信號(hào)的處理方法，F(xiàn)FT（DFT）是一種以傅里葉變換（DFT）為基礎(chǔ)的快速算法，它在一個(gè)長(zhǎng)度為N的DFT單元圓周上求取N個(gè)m點(diǎn)，但因其具有對(duì)稱(chēng)性，一般僅取其一半的結(jié)果。采用Python語(yǔ)言進(jìn)行編程，再經(jīng)過(guò)FFT初步得到分析過(guò)程，如圖4所示：

路基碾壓完成后，通過(guò)FFT對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行處理分析，可以很容易地得到由FFT計(jì)算出的各節(jié)點(diǎn)圖像，這對(duì)后續(xù)的壓實(shí)質(zhì)量控制具有重要意義。

3.3 智能壓實(shí)檢測(cè)系統(tǒng)搭建

振動(dòng)加速度信號(hào)和含水率的采集主要依靠安裝在振動(dòng)壓路機(jī)上的振動(dòng)加速度傳感器和近紅外光水分儀實(shí)現(xiàn)，其在振動(dòng)壓路機(jī)上的安裝位置如圖5～6所示：

為確保信號(hào)采集過(guò)程中的連續(xù)性和有效性，該系統(tǒng)中的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)均由同一公司生產(chǎn)。除此之外，與其搭配的設(shè)備還有車(chē)載逆變器、IEPE信號(hào)輸入線、筆記本電腦、電源線等。

振動(dòng)壓路機(jī)上的加速度傳感器通過(guò)IEPE信號(hào)輸入線與數(shù)據(jù)采集儀連接；數(shù)據(jù)采集儀再通過(guò)網(wǎng)線與筆記本電腦連接；而移動(dòng)充電寶和車(chē)載逆變器則通過(guò)電源線為數(shù)據(jù)采集儀和筆記本電腦進(jìn)行充電，系統(tǒng)連接示意圖如圖7所示：

4 雙指標(biāo)分析

4.1 不同壓實(shí)度下的加速度代表值

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段按照試驗(yàn)流程進(jìn)行水穩(wěn)碎石的攤鋪和壓實(shí)，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到80%左右時(shí)開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量和記錄。振動(dòng)壓路機(jī)每碾壓一遍，便記錄振動(dòng)輪的加速度信號(hào)，并采用灌砂法檢測(cè)其對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度。如此重復(fù)碾壓并記錄，直至壓實(shí)度達(dá)到最大。不同壓實(shí)度下的加速度代表值如圖8所示：

由圖8可知，當(dāng)壓實(shí)度處于80%～90%時(shí)，加速度代表值緩慢增長(zhǎng)；當(dāng)壓實(shí)度在90%～96%時(shí)開(kāi)始迅速增長(zhǎng)；當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到96%后，加速度代表值雖然繼續(xù)增長(zhǎng)，但增幅不明顯，無(wú)法明確判斷水穩(wěn)碎石是否達(dá)到了目標(biāo)壓實(shí)度，因此采用含水率作為第二指標(biāo)對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。

4.2 不同含水率下的加速度代表值

在進(jìn)行上述現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，使用裝載在振動(dòng)壓路機(jī)上的近紅外光設(shè)備對(duì)水穩(wěn)碎石的含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將測(cè)得的含水率與振動(dòng)加速度代表值結(jié)合，擬合出一個(gè)基于含水率-加速度代表值的目標(biāo)函數(shù)，如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)含水率小于最佳含水率時(shí)，振動(dòng)加速度迅速增長(zhǎng)；接近最佳含水率時(shí)，增長(zhǎng)趨于平緩；大于最佳含水率后，則呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)?，在含水量低的情況下，水分以潤(rùn)滑性為主，不易壓實(shí)，壓實(shí)效果差，對(duì)應(yīng)的沖擊反應(yīng)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(dāng)含水量增加時(shí)，密實(shí)度會(huì)下降，加速度的代表值也會(huì)隨之下降。

綜上所述，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，采用振動(dòng)加速度-含水率雙指標(biāo)可對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行有效控制。當(dāng)振動(dòng)加速度大于31m/s2且含水率處于最佳含水率附近時(shí)，便可認(rèn)為水穩(wěn)碎石達(dá)到了目標(biāo)壓實(shí)度。采用這種方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)了對(duì)水穩(wěn)碎石基層含水率和壓實(shí)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行有效的控制，避免出現(xiàn)壓實(shí)度不足或過(guò)壓實(shí)的情況，大大提高了施工精度和效率。

（2）實(shí)現(xiàn)了對(duì)路基壓實(shí)度的無(wú)損檢測(cè)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)壓實(shí)度檢測(cè)方法破壞路基結(jié)構(gòu)的缺陷。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采集和處理振動(dòng)加速度信號(hào)，結(jié)合傳統(tǒng)的壓實(shí)度測(cè)量方法，建立了壓實(shí)度與振動(dòng)加速度的相關(guān)關(guān)系。數(shù)據(jù)表明，在壓實(shí)過(guò)程中，隨著水穩(wěn)碎石路基的逐漸壓實(shí)，振動(dòng)加速度呈現(xiàn)出先緩慢增長(zhǎng)、后快速增長(zhǎng)、最后趨于平緩的趨勢(shì)。因此，通過(guò)振動(dòng)加速度只能大致判斷壓實(shí)度的范圍，并不能對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行精確控制。

（2）引入含水率這一不可忽略的因素，結(jié)合振動(dòng)加速度，擬合出一條關(guān)于振動(dòng)加速度和含水率的曲線，其方程為。以此為基礎(chǔ)，搭建了基于振動(dòng)加速度-含水率雙指標(biāo)控制的水穩(wěn)碎石路基壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水穩(wěn)碎石路基壓實(shí)過(guò)程中的實(shí)時(shí)、連續(xù)、無(wú)損檢測(cè)，大大提高了施工效率。

參考文獻(xiàn)

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