高頻振動(dòng)技術(shù)在路基路面結(jié)構(gòu)完整性檢測中的應(yīng)用效果分析

中圖分類號 U416.06 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）08-0116-03

0 引言

在公路工程建設(shè)領(lǐng)域，路基路面的結(jié)構(gòu)完整性是確保公路承載能力和延長使用壽命的關(guān)鍵。路基路面結(jié)構(gòu)完整性檢測，其目的在于通過先進(jìn)的檢測技術(shù)和方法，深入評估路基路面的物理特性、力學(xué)性能和耐久狀況。這一過程涵蓋了從表面裂縫、坑槽等可見損傷的詳細(xì)記錄，到路基內(nèi)部壓實(shí)度、地基承載力等深層參數(shù)的精確測量。近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，路基路面結(jié)構(gòu)完整性檢測的技術(shù)手段也在不斷革新[。從傳統(tǒng)的目測與手工測量，到如今的自動(dòng)化檢測、遙感技術(shù)、無損檢測以及數(shù)據(jù)分析與智能診斷等高科技應(yīng)用，不僅極大地提高了檢測效率和精度，還使得檢測結(jié)果更加客觀、全面。高頻振動(dòng)技術(shù)是一種先進(jìn)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換與利用方式，它通過調(diào)頻電源將電機(jī)頻率調(diào)制成高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)偏心輪做圓周運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)效果。該技術(shù)以其高效、低耗、環(huán)保的特點(diǎn)，在金屬材料的加工、焊接、無損檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。該文研究高頻振動(dòng)技術(shù)在路基路面結(jié)構(gòu)完整性檢測中的應(yīng)用，以期提升公路路基路面的壽命周期。

1基于高頻振動(dòng)技術(shù)的路基路面結(jié)構(gòu)完整性檢測

1.1 試驗(yàn)對象概況

該文以某高速公路作為試驗(yàn)對象，該高速公路全長1 1 2 k m ，雙向四車道設(shè)計(jì)，該高速公路路面為水泥混凝土，高填方路段的路面材料為連續(xù)配筋混凝土。該高速公路建成通車8年后，相關(guān)部門對該高速公路進(jìn)行升級改造，為該高速公路添加瀝青面層。為提高瀝青面層鋪裝效果，在其瀝青鋪裝過程中采用高頻振動(dòng)技術(shù)，對該高速公路路基路面結(jié)構(gòu)展開檢測。

1.2基于高頻振動(dòng)技術(shù)的路基路面結(jié)構(gòu)完整性檢測方案設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的基于高頻振動(dòng)技術(shù)的路基路面結(jié)構(gòu)完整性檢測方案如下：

使用雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平震蕩壓路機(jī)在高速公路路基路面上行進(jìn)，垂直振動(dòng)壓路機(jī)的滾輪內(nèi)部裝有兩套以中心線對稱布置的偏心軸裝置，這兩套偏心軸以同步且相反的方向高速旋轉(zhuǎn)，它們產(chǎn)生的離心力在軸線連接的方向上相互平衡，而在垂直于軸線連接的方向上則相互增強(qiáng)，從而在垂直方向上產(chǎn)生強(qiáng)烈的激振力。研究表明，通過合理控制振動(dòng)參數(shù)（如頻率、振幅）并匹配路面材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，激振力在有效檢測的同時(shí)不會對原路面結(jié)構(gòu)造成破壞性影響[4I[5]。該文試驗(yàn)中采用的振動(dòng)參數(shù)（振動(dòng)頻率 4 8 / 6 2 H z 、振幅 ）經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，其能量傳遞范圍控制在路基材料彈性變形區(qū)間內(nèi)，配合瀝青面層的緩沖作用，可確保檢測過程的安全性。同時(shí)使用DT-178A型高頻振動(dòng)記錄儀記錄高頻振動(dòng)垂直振動(dòng)水平振蕩壓路機(jī)在高速公路路基路面上行進(jìn)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)信號。

在上述試驗(yàn)方案中，雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平震蕩壓路機(jī)詳細(xì)參數(shù)與高頻振動(dòng)記錄儀參數(shù)如表1、表2所示。

1.3路基路面結(jié)構(gòu)壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測實(shí)現(xiàn)

1.3.1影響路基路面結(jié)構(gòu)壓實(shí)度的壓路機(jī)參數(shù)計(jì)算

采用雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平震蕩壓路機(jī)，在路基路面作業(yè)中，不僅提升了壓實(shí)效率，還集成了先進(jìn)的檢測技術(shù)。DT-178A型高頻振動(dòng)記錄儀作為這一系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)了對壓路機(jī)行進(jìn)過程中產(chǎn)生的高頻振動(dòng)信號的即時(shí)捕捉與精準(zhǔn)分析。當(dāng)雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平振蕩壓路機(jī)對路基路面進(jìn)行振動(dòng)碾壓時(shí)，路基路面結(jié)構(gòu)材料受內(nèi)力和外力共同作用，其中內(nèi)力主要來自路基路面施工材料的黏聚力、摩擦力以及咬合力，外力則是來自壓路機(jī)的靜壓力、慣性力，當(dāng)內(nèi)力和外力共同作用到路基路面結(jié)構(gòu)材料上時(shí)，顆粒之間形成相對運(yùn)動(dòng)，較大的顆粒會相互嵌合，而較小的顆粒則會填充到大顆粒之間，此時(shí)路基路面結(jié)構(gòu)的壓實(shí)度不斷提升[5]，在該過程中路基路面結(jié)構(gòu)材料壓實(shí)度與雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平振蕩壓路機(jī)之間的函數(shù)關(guān)系表達(dá)公式如下：

式中， E 一路基路面結(jié)構(gòu)材料壓實(shí)度與雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平振蕩壓路機(jī)之間的函數(shù)關(guān)系； 、 上靜壓力和激振力函數(shù)； —雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平振蕩壓路機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下線荷載 ）；、 ω 、 ν 1雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平震蕩壓路機(jī)運(yùn)行高頻振動(dòng)振幅（mm）、工作頻率（rad ）和行進(jìn)速度 。

雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平振蕩壓路機(jī)在初始運(yùn)行階段，為保障路基路面瀝青材料鋪層平整，會先對路基路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行若干次靜壓，此時(shí)振動(dòng)輪不會生成激振力[，則公式（1）可改寫為：

公中， —雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平振蕩壓路機(jī)振動(dòng)輪單位寬度下形成的靜線荷載 ），其計(jì)算公式為：

式中， B 振動(dòng)輪寬度（cm）； G 振動(dòng)輪靜荷

載 ）。

當(dāng)雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平震蕩壓路機(jī)進(jìn)入高頻振動(dòng)壓實(shí)作業(yè)時(shí)，其線荷載由初始狀態(tài)的靜線荷載變成動(dòng)線荷載，該動(dòng)線荷載會隨著時(shí)間表現(xiàn)為周期規(guī)律變化狀態(tài)，此時(shí)雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平震蕩壓路機(jī)的線荷載可改寫為：

式中， —雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平震蕩壓路機(jī)振動(dòng)力幅值（N）； ——雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平震蕩壓路機(jī)振動(dòng)過程中形成的附加系數(shù)，通常該數(shù)值大于1。

由以上公式計(jì)算完成影響路基路面結(jié)構(gòu)壓實(shí)度的壓路機(jī)參數(shù)。

1.3.2壓路機(jī)振動(dòng)輪一路基路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

該文在上述影響路基路面結(jié)構(gòu)壓實(shí)度的壓路機(jī)參數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)上，建立了壓路機(jī)振動(dòng)輪一路基路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，通過該動(dòng)力學(xué)模型獲取雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平振蕩壓路機(jī)振動(dòng)輪在激振力作用下的垂直加速度幅值，其計(jì)算過程如下：

令 、 表示雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平振蕩壓路機(jī)機(jī)架和振動(dòng)輪的集中質(zhì)量，路基路面質(zhì)量由 表示；壓路機(jī)機(jī)架和振動(dòng)輪的阻尼為 ，路基的阻尼為 ，則壓路機(jī)振動(dòng)輪一路基路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型表達(dá)公式如下：

式中， 、 、 —壓路機(jī)機(jī)架位移、振動(dòng)輪垂直方向位移和隨振路基路面位移（m），其帶上標(biāo) “”“”分別表示對應(yīng)的速度和加速度； —激振力垂直分量（N），其中 ——振動(dòng)輪偏心塊離心力（N）； ω 偏心塊角速度（ [ r a d/ s] ）， t 時(shí)間（s）； —路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)力（N）； ： —鋼架和振動(dòng)輪之間阻尼、路基路面結(jié)構(gòu)阻尼 （ N ？ s / m） 。

對公式（5）進(jìn)行求解后，可得到雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平振蕩壓路機(jī)振動(dòng)輪在激振力作用下的垂直加速度幅值，其表達(dá)公式如下：

式中， —雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平振蕩壓路機(jī)振動(dòng)輪在激振力作用下的垂直加速度幅值。

依據(jù)公式（6）結(jié)果，獲得路基路面與高頻振動(dòng)信號之間的關(guān)系，在該關(guān)系基礎(chǔ)上，計(jì)算路基路面壓實(shí)度。

1.3.3路基路面壓實(shí)度計(jì)算方法

在路基路面結(jié)構(gòu)完整性檢測過程中，雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)水平振蕩壓路機(jī)發(fā)生高頻振蕩，但由于路基路面施工階段不同，壓路機(jī)的實(shí)際運(yùn)行模式也存在一定差異，即高頻激振力在不同階段存在差異，而DT-178A型高頻振動(dòng)記錄儀接收到的路基路面高頻振動(dòng)信號，由壓路機(jī)振動(dòng)輪的振動(dòng)信號和路基路面結(jié)構(gòu)受高頻振動(dòng)作用反饋后的振動(dòng)信號組成，由影響路基路面結(jié)構(gòu)壓實(shí)度的壓路機(jī)參數(shù)可知，路基路面結(jié)構(gòu)剛度和阻尼成負(fù)相關(guān)關(guān)系，壓實(shí)次數(shù)逐漸增加，高頻振動(dòng)的加速度信號頻率的2倍頻幅值會逐漸超過1倍頻幅值，按照路基路面結(jié)構(gòu)壓實(shí)度定義：壓實(shí)度指土或其他筑路材料壓實(shí)后的干密度與標(biāo)準(zhǔn)最大干密度之比，其可由高頻振動(dòng)2倍頻幅值和1倍頻幅值來計(jì)算，通過路基路面結(jié)構(gòu)壓實(shí)度可充分描述路基路面結(jié)構(gòu)完整性。

路基路面結(jié)構(gòu)壓實(shí)度數(shù)值計(jì)算公式如下：

式中，S靜態(tài)量； η —路基路面結(jié)構(gòu)壓實(shí)度數(shù)值； —高頻振動(dòng)的加速度信號頻率的1倍頻幅和2倍頻幅。

可利用公式（7）數(shù)值描述路基路面結(jié)構(gòu)完整性，實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng)技術(shù)在路基路面結(jié)構(gòu)完整性檢測。

2 效果分析

在試驗(yàn)對象高速公路路基路面結(jié)構(gòu)完整性檢測過程中，驗(yàn)證該方法使用DT-178A型高頻振動(dòng)記錄儀記錄高頻振動(dòng)技術(shù)下，路基路面結(jié)構(gòu)完整性檢測中的高頻振動(dòng)加速度信號，結(jié)果如圖1所示。

分析圖1可知，該工程采用雙鋼輪高頻垂直振動(dòng)結(jié)合水平振蕩的壓路機(jī)，在路基路面作業(yè)中，通過DT-178A高頻振動(dòng)記錄儀精準(zhǔn)捕捉高頻振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了基于該技術(shù)檢測路基路面結(jié)構(gòu)完整性的方案科學(xué)有效，展現(xiàn)了該方法在提升道路質(zhì)量檢測精度與效率方面的顯著優(yōu)勢。

在該高速公路上選擇樁基位置作為試驗(yàn)對象，使用該文方法計(jì)算該高速公路路基路面結(jié)構(gòu)的壓實(shí)度，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

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