（岩土工程专业论文）软土地区土密实度瞬态锤击测试及分析方法研究.pdf

第一章绪论 1 1引言 近年来，我国公路运输事业有了很大发展，公路交通密度和负荷量日益 增大，特别是重型车辆的迅速增加和行车速度的普遍提高，对公路建设的工 程质量和数量提出了新的更高要求。在道路施工中，路基压实有着极其特殊 的重要作用，压实能使路基及路面各结构层材料具有足够的密实度，这可以 充分发挥路基土和路面材料的强度，减少路基、路面在行车荷载尤其在重车 荷载作用下产生的永久变形，还可以增加路基土和路面材料的不透水性和强 度的稳定性( 沙庆林，1 9 9 9 ) 。压实的这几种作用对于道路路面的使用性能和 延长寿命是十分重要的，在近十年来新建的高等级公路上由于路基压实程度 不足而造成道路破坏的事例时有发生。因此，从路基到路面，各个结构层次 通常都必须通过严格的分层压实。为评定压实效果，历来将压实度( 密实度) 作为一项重要指标用于控制道路旖工、评定工程标准、工程验收以及质量事 故的检查与判定。所以对于密实度的检测与试验手段，是岩土工程和道路工 程中一项既关键又重要的基础性技术问题，己越来越多地引起人们的关注并 不断进行探索和研究。 作为评定压实效果的指标之一，压实度是指土或路面材料压实后的干密 度与该土或材料的标准干密度之比，并常用百分数表示。因此，为正确测定 路基压实度，评价路基施工质量，需要解决以下三个问题：即路基的压实标 准、现场湿密度及含水量的测定方法。下面就这三个问题逐一展开说明。 路基的压实标准包括两个方面：一是确定标准干密度的方法；二是规范 要求达到的路基压实度。最通用的确定路基土和路面材料标准干密度的方法 是击实试验。用这个方法在室内确定路基土和路面材料的最佳含水量和最大 干密度，并以此最大干密度作为该土和该路面材料的标准干密度。目前各国 使用的土和路面材料的击实实验法，基本上可以分为两类，一类是轻型击实 实验法，以开始于3 0 年代的葡氏实验法为代表：另一类是始于4 0 年代初近 6 0 多年来已广泛使用的重型击实实验法，以修正葡氏实验法为代表。其它轻 型或重型击实实验法都源于这两种方法。从现代重型汽车交通和压实机械的 第一章绪论 实际情况出发，交通部于1 9 9 8 1 l 一0 3 发布的并于1 9 9 9 0 7 一o l 实施的“公路 工程质量检验评定标准( j t j 0 7 卜9 8 ) ”附录b 中路基、路面压实度评定条款 ( b 0 1 ) 规定路基和路面基层、底基层的压实度以重型击实标准为准。在“公 路土工实验规程( j t j 0 5 卜9 3 ) ”中对重型击实实验方法有具体的规定。“公路 工程技术标准( j t j o o i 一9 7 ) ”规定公路路基压实度应符合表卜l 的要求。 表卜1路基压实度 填挖类别路床顶面以下深度( c m )高速公路、一级公路( )二、三、四级公路( ) 零填及挖方 0 3 09 59 3 0 8 09 59 3 填方8 0 1 5 09 39 0 1 5 09 09 0 注：表列值以重型击实实验法为准： 特殊干旱或特殊潮湿地区的路基压实度，表列数值可适当降低。 现场密实度测试( 湿密度及相应含水量) 方法已有很多，将分别在1 2 节、1 3 节作具体说明，这些测试方法都有各自不足，与现场施工要求不相 适应，因此，研究一种快速、无损、定量的密实度测试方法己十分必要和紧 迫。这不仅可用于高等级公路路基的密实度检测，还可用于机场、码头、铁 路和房建等工程地基土密实度检测，应用范围十分广泛。 1 2 现场密实度测试方法概述 目前，对于密实度( 压实度) 所涉及的材料干密度、含水量这类测试方 法很多，国内外情况也基本类似，大体上可分为破坏性实验和非破坏性实验 两大类。所谓破坏性实验需要对被测量层进行定程度的破坏，以采取样品， 如灌沙法、环刀法等。就密实度( 压实度) 测定目的来说，密实度测量仪器 应具有快速、稳定可靠、操作方便、无损等特点，从而可以及时地将密实度 测试结果应用于压实质量的检查和控制，指导现场施工。因此，研制具有上 述特点的密实度测量仪是当前人们较为关注的热点，并具有相当的必要性和 紧迫性。下面就路基密实度测试方法( 指干密度、含水量) 作一概述，并结 合上述对密实度测量仪的要求作简要的评价。 1 2 1 密实度破坏性测试方法 第一章绪论 实际情况出发，交通部于1 9 9 8 1 l 一0 3 发布的并于1 9 9 9 0 7 一o l 实施的“公路 工程质量检验评定标准( j t j 0 7 卜9 8 ) ”附录b 中路基、路面压实度评定条款 ( b 0 1 ) 规定路基和路面基层、底基层的压实度以重型击实标准为准。在“公 路土工实验规程( j t j 0 5 卜9 3 ) ”中对重型击实实验方法有具体的规定。“公路 工程技术标准( j t j o o i 一9 7 ) ”规定公路路基压实度应符合表卜l 的要求。 表卜1路基压实度 填挖类别路床顶面以下深度( c m )高速公路、一级公路( )二、三、四级公路( ) 零填及挖方 0 3 09 59 3 0 8 09 59 3 填方8 0 1 5 09 39 0 1 5 09 09 0 注：表列值以重型击实实验法为准： 特殊干旱或特殊潮湿地区的路基压实度，表列数值可适当降低。 现场密实度测试( 湿密度及相应含水量) 方法已有很多，将分别在1 2 节、1 3 节作具体说明，这些测试方法都有各自不足，与现场施工要求不相 适应，因此，研究一种快速、无损、定量的密实度测试方法己十分必要和紧 迫。这不仅可用于高等级公路路基的密实度检测，还可用于机场、码头、铁 路和房建等工程地基土密实度检测，应用范围十分广泛。 1 2 现场密实度测试方法概述 目前，对于密实度( 压实度) 所涉及的材料干密度、含水量这类测试方 法很多，国内外情况也基本类似，大体上可分为破坏性实验和非破坏性实验 两大类。所谓破坏性实验需要对被测量层进行定程度的破坏，以采取样品， 如灌沙法、环刀法等。就密实度( 压实度) 测定目的来说，密实度测量仪器 应具有快速、稳定可靠、操作方便、无损等特点，从而可以及时地将密实度 测试结果应用于压实质量的检查和控制，指导现场施工。因此，研制具有上 述特点的密实度测量仪是当前人们较为关注的热点，并具有相当的必要性和 紧迫性。下面就路基密实度测试方法( 指干密度、含水量) 作一概述，并结 合上述对密实度测量仪的要求作简要的评价。 1 2 1 密实度破坏性测试方法 h 发东浙江大学博士学位论文2 0 0 1 年6 月 “公路土工实验规程( j t j 0 5 1 - 9 3 ) ”中规定的密度实验方法有灌沙法、 灌水法( 水袋法) 、环刀法、蜡封法( 含水中称重法、排水法) 。这些方法都 需要在路基或被测土层上挖坑、称样品重量、测体，它们相互区别之处在于 测体的方法各异。灌沙法是利用均匀颗粒的沙，根据其单位质量不变的原理 来测量所挖坑洞的容积。灌沙法在国内外应用较为普遍，但操作较为繁琐， 测量速度慢，风雨干扰对操作都有影响。水袋法基本上是对灌沙法取样测体 的一种替代与补充，它是通过充水来测定取样挖洞的体积。环刀法是我国最 早使用的测定土湿密度的一种方法，试样体积可直接由环刀体积得到。因此 较为简单快捷，但它对路基或被测土层的破坏性比灌沙法和水袋法要大得多， 此外环刀法只能用于测定不含砾石或碎石的纯细粒土的现场密实度，并且它 的测试准确度受诸多因素影响。通常对于用路面钻机取出的钻件，可用蜡封 法测量其体积。其中，水中称重法利用物体浸入水中所减少的重量等于物体 体积与重力加速度乘积这个原理来测定物体的体积；而排水法是将蜡封试件 浸入一定体积的水中，称取排出水的质量即为蜡封试件的体积。以上这些密 度实验得到的仅是试样的湿密度，为得到干密度还需要进行含水量测定。 含水量实验最准确的方法是烘干法试样在电烘箱里烘干时间，园试样的不 同，一般需要l o 2 4 小时不等，这对于及时指导现场施工是不利的。此外单 一用于测试含水量的方法还有许多，如酒精燃烧法、电石法、沙浴法等。这 些方法精度有限，仅能作为一种局部特定条件下的辅助性检测手段( 沙庆林 1 9 9 9 ) 。 基于对传统测试方法的改进，王克中等( 1 9 9 4 ) 根据三相体比重测试原 理，建立了土样湿重与土样体积( 去除所含空气) 差同土样干重之间关系式， 制成图表供现场查用。这种方法可以提高测试效率，但仍然需挖坑、测体t 张俊军( 1 9 9 8 ) 介绍了一种源于美国国家标准a s t md 5 0 8 0 9 3 中的路基 压实度检测方法。其特点是通过将现场土样加水或减水，再由标准击实实验 确定现场含水量下的最大湿密度，土样湿密度由灌沙法或核子密度仪测定。 该法对多变化的土质比较适合，但实验过程相当复杂，与传统测试方法相比， 测试效率没有显著提高。 综上所述，传统的破坏性密实度测试方法存在费时、费工和有损路基等 缺点，难已满足当今大规模施工中压实质量检测控制上的实际需要，工程建 设需要发展一种快速、简捷而有效的测试手段。 第一章靖论 1 2 2 密实度无损测试方法 无损密实度测试作为一种间接测试方法越来越受到人们的重视，目前国 内外对密实度无损测试方法的研究有很多，大致情况如下： 1 利用放射线、表面波等测试法 根据介质材料的密度与通过这些介质的某些能量参数例如超声波、弹性 波、放射线等之间的关系间接地确定介质的密度。最常用来测定路基密实度 的仪器是核子仪，国外己广泛使用该类仪器，美国、英国、日本均有产品， 以美国c p n 公司的5 l o d r 型深层核予密度含水仪推广应用较为广泛，基本上 代表了当前国际先进水平( 盛安连，1 9 9 8 ) 。目前，国内还处在引进仪器和研 制的阶段。尹喜林( 1 9 9 6 ) 介绍的国内研制r m t 5 1 0 2 型核子仪的性能指标已 达到国外当前同类产品的先进水平。核子仪密度测试简捷快速，需要人员少， 但存在放射性污染的危险，它的另一缺点是核子仪对土的均质性、含水量等 因素有很强的敏感性，因此在检测前必须要做好核子仪的标定，标定不好， 误差很大，特别在现场土质、水分条件变化比较大的情况下( 卫雪莉等，1 9 9 2 ) 。 目前，核子仪多用于材料组成比较定型而稳定的沥青面层方面。孙继增等 ( 1 9 9 6 ) 介绍了b z j 一3 a 型表面波压实密度仪的测试原理、技术指标、操作功 能及在筑坝工程中堆石坝压实干密度的无损检测。 2 路基密实度在线实时监测技术 一 这是近几十年来国内外发展起来的一项新技术，主要利用压实机械的振 动轮与基础材料相互作用的动力特性来估计压实质量而开发出的随车压实 计。早在上个世纪7 0 年代末期和8 0 年代初期，已有一些安装在压路机上的 压实计问世，并投放市场。其中具有代表性的是瑞典d y n a o a c 公司研制的压 实控制系统一压实计，德国b o m a g 公司在8 0 年代初研制的b t m 压实计和日本 铺道公司技术开发部在8 0 年代末期研制的c o s 压实文件记录系统( 卫雪莉等， 1 9 9 2 ) 。黄耀志、杨梦华( 1 9 9 6 ) 通过建立土一压实机械振动压实系统动力学 模型，分析现场压路机振动信号，得出利用模型的阻尼率变化可计算路基密 实度。目前，路基密实度在线实时监测与控制技术研究还未成熟，由于工地 现场环境的复杂性和不考虑土含水量，尚不能给出压实度的定量值。但随着 现代测试技术、微机控制技术的迅速发展，这种测试方法有着良好的发展前 景。 3 振动检测法 b 发东浙江大学博士学位论文2 0 0 1 年6 月 振动检测法是通过向路基瞬态锤击，分析路基产生的凹陷变形、或锤的 反弹位移量、或锤土的相互作用来测定路基土的密实度( 压实度) 。目前国内 外多将振动测试技术用于路基强度测试，而用于路基密实度( 压实度) 检测 还很少见，盛安连、顾炳其等( 1 9 9 7 ；1 9 9 8 ) 率先展开对黄土路基密实度振 动检测技术的研究，取得了初步的成功。下面依据检测时所分析参数的不同， 将他们的工作作一简要评述。 ( 1 ) 凹陷量红外法 这种方法基于锤击路基产生的凹陷变形与路基密实度存在的相关关系， 即密实度越大，路基产生的凹陷变形越浅，反之，则越深。如果事先在室内 标定好“凹陷量一密实度关系曲线”，就可以根据实测的凹陷量查出相应的密 实度值。凹陷量用精密千分表测量，而含水量测定采用红外线烤干法，一次 土样含水量测定需2 3 分钟。目前国内已有采用凹陷变形原理研制出落锤式 路面密实度测定仪。 ( 2 ) 反弹位移量法 反弹位移量法是当锤与土体相互作用时利用固定在锤头上侧的特制精密 千分表杆测量锤体的相对移动。该反弹位移量反映了路基的压实程度，它们 之问的相关关系为路基愈密实，反弹力愈大，锤头向上跳得愈高，千分表记 录到的位移量愈大；反之，路基愈软，相应的反弹位移量愈小( 盛安连，1 9 9 8 ) 。 事先标定好“反弹位移量一密实度关系曲线”，就能按千分表的读数测知路基 的密实度大小。 ( 3 ) 频谱分析法 盛安连、顾炳其等( 1 9 9 7 ；1 9 9 8 ) 提出了瞬态锤击法测定路基压实度的 频谱分析法。当落锤冲击路基时，土体即时产生一种瞬态冲击波，被事先安 置在锤上的加速度传感器所接收，获得了加速度响应值( 一般用1 1 1 v 级电压值 替换) ，从事先设计好的峰值采样电路中检出。然后对获取的加速度信号进行 自功率谱分析，得到“频率与响应值”的频谱图。其研究结果表明，利用低 频段( 5 l5 h z ) 测出的土体加速度响应值可以不测路基含水量，即能测定路 基的密实度值( 压实度) 。目前这种测试方法在国内外处于领先水平。可以做 到快速、无损测定路基压实度。下面将路基密实度振动检测频谱分析法的测 试原理、技术关键、适用条件及其存在问题作较为详细的分析。 测试原理 ji“：“r 第一苹绪论 路基土密实程度不同，对落锤的振动冲击能量的吸收相应地也不同。一 般来说，路基土越密实，土体吸收的能量就越少，当然反射回去的能量就越 多，传感器检测到的冲击响应信号就越大：反之，路基土越松散，土体吸收 的能量就越多，反射回去的能量就越少。因此，振动冲击响应值与路基密实 度存在一定的相关性，通过室内标定好“加速度冲击响应值与密实度关系曲 线”，可由实测值直接得到耜应路基的密实度值( 顾炳其等，1 9 9 7 ) 。 频谱分析法的技术关键 般来说，冲击响应值a 是干密度( 或压实度) 女、含水量w 的二元函数， 即a = f ( k ，w 1 。盛安连、顾炳其等( 1 9 9 7 ：1 9 9 8 ) 经过对黄土路基的大量实验 研究，提出了频谱分析法的技术关键一s g 低频水滞频段( 5 15 h z ) 。即土 体的含水量对该低频段内的振动冲击响应值的影响很小，这样该频段内的冲 击响应值可近似地看作为干密度( 压实度) 的单元函数，即口= f ( k ) 。盛安连、 顾炳其( 1 9 9 8 ) 还从能量分析的角度出发为黄土路基存在s g 低频水滞频段 找到了理论依据。水滞频段的发现，在一定程度上解决了利用冲击法，不测 含水量就能定量测定密实度( 压实度) 的难题。 频谱分析法适用条件、存在问题 路基密实度振动检测频谱分析法对于黄土路基是成功的，目前根据此测 试原理，长安大学己研制成落锤一频率式路基压实度快速测定仪。盛安连、 顾炳其等( 1 9 9 8 ) 指出该方法对其它土种是否具有相同或相似的规律性，尚 待进一步研究。如对软土路基，如果不存在所谓水滞频段，采用密实度振动 检测频谱分析法，采集的信号频谱与路基的密实度存在的规律性更需进一步 展开研究。其次，对瞬态冲击信号进行频谱分析，其频谱分辨率不高( 尤其 对于低频信号) ，需要进一步对所获冲击响应信号的频谱分析方法进行研究， 以获得较为理想的频谱分辨率。此外在该测试方法中，安装在锤上的只有加 速度传感器，如果再装上力传感器，则获得的测试信号将更为完整。从测试 原理来讲，一次锤击得到的力及加速度信号在归化曲线上( 除以各自的时 域峰值) 应严格重合，而在实际测试时，有时会出现两者的归一化曲线严重 偏离，这时应该重新测试。如只有加速度传感器，则很难对这种现象进行辨 别。 1 3 现场压实监测的其它方法 6 第一苹绪论 路基土密实程度不同，对落锤的振动冲击能量的吸收相应地也不同。一 般来说，路基土越密实，土体吸收的能量就越少，当然反射回去的能量就越 多，传感器检测到的冲击响应信号就越大：反之，路基土越松散，土体吸收 的能量就越多，反射回去的能量就越少。因此，振动冲击响应值与路基密实 度存在一定的相关性，通过室内标定好“加速度冲击响应值与密实度关系曲 线”，可由实测值直接得到耜应路基的密实度值( 顾炳其等，1 9 9 7 ) 。 频谱分析法的技术关键 般来说，冲击响应值a 是干密度( 或压实度) 女、含水量w 的二元函数， 即a = f ( k ，w 1 。盛安连、顾炳其等( 1 9 9 7 ：1 9 9 8 ) 经过对黄土路基的大量实验 研究，提出了频谱分析法的技术关键一s g 低频水滞频段( 5 15 h z ) 。即土 体的含水量对该低频段内的振动冲击响应值的影响很小，这样该频段内的冲 击响应值可近似地看作为干密度( 压实度) 的单元函数，即口= f ( k ) 。盛安连、 顾炳其( 1 9 9 8 ) 还从能量分析的角度出发为黄土路基存在s g 低频水滞频段 找到了理论依据。水滞频段的发现，在一定程度上解决了利用冲击法，不测 含水量就能定量测定密实度( 压实度) 的难题。 频谱分析法适用条件、存在问题 路基密实度振动检测频谱分析法对于黄土路基是成功的，目前根据此测 试原理，长安大学己研制成落锤一频率式路基压实度快速测定仪。盛安连、 顾炳其等( 1 9 9 8 ) 指出该方法对其它土种是否具有相同或相似的规律性，尚 待进一步研究。如对软土路基，如果不存在所谓水滞频段，采用密实度振动 检测频谱分析法，采集的信号频谱与路基的密实度存在的规律性更需进一步 展开研究。其次，对瞬态冲击信号进行频谱分析，其频谱分辨率不高( 尤其 对于低频信号) ，需要进一步对所获冲击响应信号的频谱分析方法进行研究， 以获得较为理想的频谱分辨率。此外在该测试方法中，安装在锤上的只有加 速度传感器，如果再装上力传感器，则获得的测试信号将更为完整。从测试 原理来讲，一次锤击得到的力及加速度信号在归化曲线上( 除以各自的时 域峰值) 应严格重合，而在实际测试时，有时会出现两者的归一化曲线严重 偏离，这时应该重新测试。如只有加速度传感器，则很难对这种现象进行辨 别。 1 3 现场压实监测的其它方法 6 在路基压实施工中，除了上述采用密实度( 压实度) 来检查和控制压实 质量外，还可利用路基的承载能力、表面沉降以及贯入实验等方法( 卫雪莉 等，1 9 9 2 ；黄耀志等，1 9 9 6 ) 。 1 承载能力测定法 这一方法是通过测定压实材料的承压能力来控制压实的质量。压实的目 的就是为了通过提高材料的强度来建立材料的某种承载能力以适应外部荷载 所造成的材料内部应力。从这一意义上说，承载能力法比密实度( 压实度) 法更为直接地反映路基强度和压实质量的好坏。承载按承载实验性质又可分 为静载承压实验和动载实验两种。 2 表面沉降实验法 随着压实的进展，路基表面会逐步沉降，因此表面沉降量在一定程度上 反映压实的程度。对于某些特殊的场合例如石方填方的压实，测定表面沉陷 是唯一可供实用的控制压实度的方法。表面沉降通常采用水准仪来测定。 3 贯入实验法 贯入实验法是利用贯入阻力与压实程度之间有一定关系的原理来控制压 实质量，随着路基被压实而变得紧密贯入阻力也相应增大。贯入实验又可 分为静载贯入和动载贯入实验法两种。静载贯入实验的常用设备是圆锥贯入 仪，而动载贯入实验则常用冲击指数仪。王忠( 1 9 9 6 ) 介绍了法国研制生产 的一种新型动力触探仪，它可以测定路基密实度，触探深度可达4 6 m ，最 大可到8 m 。贯入实验常作为测定细粒土强度的快速辅助检测手段，但在深度 压实的情况下，贯入法常常成为主要的压实控制方法。 1 4 本文的主要工作和意义 综上所述，对压实或夯实的路基土或地基土进行密实度动态测试方法研 究具有重要的现实意义和一定的紧迫性。通过对现有密实度动测方法的比较， 盛安连、顾炳其等( 1 9 9 7 ；l9 9 8 ) 提出的瞬态锤击法测定路基压实度的频谱 分析法目前在国内外处于领先水平，并在黄土路基上取得了成功，但对其它 土种没有进行进一步的研究。因此，利用瞬态锤击法对广泛存在的软土地段 路基或地基土进行密实度动态测试方法研究是一个全新的课题，还没有人对 此进行过研究。由浙江大学岩土工程研究所王奎华博士后开发研制的 e p p d s i i 型基桩动测仪可用于瞬态锤击土试样的数据采集，并通过在钢锤上 在路基压实施工中，除了上述采用密实度( 压实度) 来检查和控制压实 质量外，还可利用路基的承载能力、表面沉降以及贯入实验等方法( 卫雪莉 等，1 9 9 2 ；黄耀志等，1 9 9 6 ) 。 1 承载能力测定法 这一方法是通过测定压实材料的承压能力来控制压实的质量。压实的目 的就是为了通过提高材料的强度来建立材料的某种承载能力以适应外部荷载 所造成的材料内部应力。从这一意义上说，承载能力法比密实度( 压实度) 法更为直接地反映路基强度和压实质量的好坏。承载按承载实验性质又可分 为静载承压实验和动载实验两种。 2 表面沉降实验法 随着压实的进展，路基表面会逐步沉降，因此表面沉降量在一定程度上 反映压实的程度。对于某些特殊的场合例如石方填方的压实，测定表面沉陷 是唯一可供实用的控制压实度的方法。表面沉降通常采用水准仪来测定。 3 贯入实验法 贯入实验法是利用贯入阻力与压实程度之间有一定关系的原理来控制压 实质量，随着路基被压实而变得紧密贯入阻力也相应增大。贯入实验又可 分为静载贯入和动载贯入实验法两种。静载贯入实验的常用设备是圆锥贯入 仪，而动载贯入实验则常用冲击指数仪。王忠( 1 9 9 6 ) 介绍了法国研制生产 的一种新型动力触探仪，它可以测定路基密实度，触探深度可达4 6 m ，最 大可到8 m 。贯入实验常作为测定细粒土强度的快速辅助检测手段，但在深度 压实的情况下，贯入法常常成为主要的压实控制方法。 1 4 本文的主要工作和意义 综上所述，对压实或夯实的路基土或地基土进行密实度动态测试方法研 究具有重要的现实意义和一定的紧迫性。通过对现有密实度动测方法的比较， 盛安连、顾炳其等( 1 9 9 7 ；l9 9 8 ) 提出的瞬态锤击法测定路基压实度的频谱 分析法目前在国内外处于领先水平，并在黄土路基上取得了成功，但对其它 土种没有进行进一步的研究。因此，利用瞬态锤击法对广泛存在的软土地段 路基或地基土进行密实度动态测试方法研究是一个全新的课题，还没有人对 此进行过研究。由浙江大学岩土工程研究所王奎华博士后开发研制的 e p p d s i i 型基桩动测仪可用于瞬态锤击土试样的数据采集，并通过在钢锤上 第一蕈培论 同时安装力传感器和加速度传感器，可使采集的测试信号比盛安连、顾炳其 等提出的方法更完整；同时在浙江大学岩土工程研究所土工实验室可完成土 密实度测试的室内实验，这一切为开展该新课题的研究提供了坚实的基础和 必要的条件。 本文以杭州、宁波软土地区广泛存在的粘质粉土为对象，对该土密实度的 瞬态锤击测试方法进行了较系统深入的探索性研究。所做主要工作如下： ( 1 ) 在实验室对粘质粉土试样进行瞬态锤击实验，获得相应的力信号及 加速度信号，同时测定试样的干密度和含水量，为研究试样的密实度与对应 测试信号之间的相关关系提供一定数量的实验数据。 ( 2 ) 对多种信号处理方法进行了研究并编制相应程序，以提取与粘质粉 土密实度相对应的实测信号的特征参数，并具有较高的频谱分辨率。该部分 工作内容包括： 对刘进明等( 1 9 9 5 ) 提出的f f t f s 频谱细化算法作了改进，推导出 适合周期和瞬态等非周期信号的频谱细化计算公式。为更好地反映测试信号 频谱特征，对瞬态锤击信号的预处理方法进行了有益的探索。 通过对现代谱分析中y u le w a l k e r 法、b u r g 法及m a r p le 法的研究， 提出了适合瞬态锤击信号处理的a r 谱估计的定阶准则、局部细化分析，并对 它们的频谱分辨率进行了比较，从而将现代谱分析应用于瞬态锤击法测试软 土密实度的研究中。 在小波变换的多分辨分析、m a l l a t 算法的基础上，提出了小波变换的 多分辨分析一自回归谱分析方法，实现对测试信号的滤波除噪、提取信号的特 征频带、进行功率谱估计并具良好的频谱分辨率。 将连续小波变换同经典谱分析中的均方估计法结合起来提出了利用 连续小波变换对瞬态锤击信号进行功率谱分析的计算思路、连续小波基函数 及小波计算参数的部分选取原则。 ( 3 ) 分别利用上述的这些信号处理方法对实测信号进行频谱分析，通过 对频谱分析结果的比较，提取测试信号的特征参数，然后分别对粘质粉土试 样的干密度、含水量对测试信号特征参数的影响规律进行较为深入的研究。 本文工作对软土地区土密实度瞬态锤击测试方法的研究具有开创性。其中， 对各种信号处理方法结果作了初步的分析对比，同时对测试信号尚存的一些 问题对分析结果的影响作了一定的探索，并指出改进的办法。 第二章密实度测试瞬态锤击信号的频谱分析 2 1引言 刘进明，应怀樵( 1 9 9 5 ) 提出了对f f t 谱局部进行细化分析的方法( 即 f f t f s 频谱细化法) ，在频谱细化分析时，可以得到某个主要频率成分频率、 幅值、相位的精确值，极大地提高了频率分辨率。从其频谱细化算法的推导 过程来看，利用了离散的傅立叶级数并且认为频谱曲线是连续的( 这一点 极为关键并具有借鉴价值) ，从而得到最终的频谱细化计算公式。但只有周期 信号具有傅立叶级数，非周期信号没有傅立叶级数，只有傅立叶变换，因此 可以认为其得出的频谱细化计算公式仅适合于周期信号，其推导过程存在一 定缺陷。如要对瞬态信号等非周期信号进行频谱细化分析，尚需对其频谱细 化计算公式做一定的改进。下面在简要介绍f f t f s 频谱细化算法的基础上， 借用其频谱细化思想，从离散傅立叶变换( d f t ) 出发，推导出适合周期和瞬 态等非周期信号的频谱细化计算公式。 2 2 f t f s 频谱细化算法及其改进 2 2 1 f t f s 频谱细化算法 对于采样频率正，采样点数为的时间序列x ( k ) ，k = o ，l ，一l ， 离散的傅立叶级数为 = 寺x ( k ) c o s ( 2 n 白z n ) ( 2 1 ) t l t 0 “= 专x ( t ) s i n ( 2 n k n n ) ( 2 2 ) v = 0 a o = 去工( 膏) 月= o ，l ，一，n 2 ( 2 3 ) 频率，母处的幅值谱矢量表达式为一以。由于频率分辨率为矿= z n ， 当数据长度为恒定时，频率分辨率无法再提高。刘进明，应怀樵( 1 9 9 5 ) 考虑到序列x ( k ) 中包含着0 ，2 频段的连续信息，提出把公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 中的n 看作区间0 蔓r t n 2 内连续变化的实数变量f ( 0 f 工2 ) ，从而得 9 第二章密实度测试瞬态锤击信号的频谱分析 2 1引言 刘进明，应怀樵( 1 9 9 5 ) 提出了对f f t 谱局部进行细化分析的方法( 即 f f t f s 频谱细化法) ，在频谱细化分析时，可以得到某个主要频率成分频率、 幅值、相位的精确值，极大地提高了频率分辨率。从其频谱细化算法的推导 过程来看，利用了离散的傅立叶级数并且认为频谱曲线是连续的( 这一点 极为关键并具有借鉴价值) ，从而得到最终的频谱细化计算公式。但只有周期 信号具有傅立叶级数，非周期信号没有傅立叶级数，只有傅立叶变换，因此 可以认为其得出的频谱细化计算公式仅适合于周期信号，其推导过程存在一 定缺陷。如要对瞬态信号等非周期信号进行频谱细化分析，尚需对其频谱细 化计算公式做一定的改进。下面在简要介绍f f t f s 频谱细化算法的基础上， 借用其频谱细化思想，从离散傅立叶变换( d f t ) 出发，推导出适合周期和瞬 态等非周期信号的频谱细化计算公式。 2 2 f t f s 频谱细化算法及其改进 2 2 1 f t f s 频谱细化算法 对于采样频率正，采样点数为的时间序列x ( k ) ，k = o ，l ，一l ， 离散的傅立叶级数为 = 寺x ( k ) c o s ( 2 n 白z n ) ( 2 1 ) t l t 0 “= 专x ( t ) s i n ( 2 n k n n ) ( 2 2 ) v = 0 a o = 去工( 膏) 月= o ，l ，一，n 2 ( 2 3 ) 频率，母处的幅值谱矢量表达式为一以。由于频率分辨率为矿= z n ， 当数据长度为恒定时，频率分辨率无法再提高。刘进明，应怀樵( 1 9 9 5 ) 考虑到序列x ( k ) 中包含着0 ，2 频段的连续信息，提出把公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 中的n 看作区间0 蔓r t n 2 内连续变化的实数变量f ( 0 f 工2 ) ，从而得 9 第二章密实度测试辩态锤击信号的频谱分析 到频谱细化计算公式 d ( ，) = 寺工( 七) c o s ( 2 x 圯f l ) ( 2 4 ) r t ，0 6 ( ，) = 寺x ( 七) s i n ( 2 n * f f , ) ( 2 5 ) t 女= o 由( 2 4 ) 、( 2 5 ) 两式得到的是连续频谱曲线，从而频谱分辨率不受采 样点数限制。 2 2 2 f f t 频谱细化算法改进 由上推导可知，f f t f s 频谱细化算法借用了周期信号的离散傅立叶级 数( d f s ) 概念，( 2 4 ) 、( 2 5 ) 式适用于周期信号，得到的结果口2 u ) + b 2 ( ，) 是幅值谱( 线谱) ；瞬态信号等非周期信号是幅值谱密度( 连续谱) ，幅值谱 与幅值谱密度的概念是不一致的，因此简单地利用( 2 4 ) 、( 2 5 ) 式进行瞬 态信号等非周期信号幅值谱密度细化分析是不合适的，需要针对不同类型信 号对( 2 4 ) 、( 2 5 ) 做一些改进。 时间序列x ( k ) 的离散傅立叶变换( d f t ) 为 z ( 。) ：艺x ( 七) 。一j 争 ( 26 ) ；o 对( 2 6 ) 式作进一步变化 x ( h ) = x ( k ) c o s ( 2 r c n k n ) 一f x ( k ) c o s ( 2 t c n k n ) = 口( 月) 一i b ( n ) k = oi = 0 其中，口( 功= x ( k ) c o s ( 2 n z t k n ) ，6 ( 功= x ( k ) s i n ( 2 册k n ) 。 借用刘进明应怀樵( 1 9 9 5 ) 频谱细化思想，即把一看作区间0 h n 2 内连续变化的实数变量f ( 0 f 正2 ) ，这样可得x ( k ) 在，处f f t 谱为 a ( f ) 一f 6 ( 门，其中口( 力、b ( f ) 分别为： 口( 厂) = x ( k ) c o s ( 2 n l f f 。) ( 2 7 ) 一l 6 ( 厂) = x ( k ) s i n ( 2 n * f 工) t ，o ( 2 8 ) 卜发东浙江大学博士学位论文2 0 0 1 年6 月 对于瞬态信号等非周期信号而言，其频谱在0 f 2 本质就是连续谱( 密 度) ，因此将离散变量n 看作连续变量厂是合理的，而f f t 谱仅在0 上均匀取 个值，频率分辨率厂受数据长度的限制。虽然从形式上看，两者最终是相 同的，但以上推导是从d f t 出发的，这对于周期信号或非周期信号都是可以 接受的，如此推导应当更为严格。另外从d f t 近似计算非周期信号的傅立叶 交换( f t ) 或周期信号的傅立叶级数( f s ) 来讲，信号的类型不同。具有不 同的计算关系式。刘进明等( 1 9 9 5 ) 没有指出这一点。 1 非周期信号幅值谱密度计算 设非周期连续信号x ( f ) ，采样间隔，。，得到时间序列x ( 七) ，k = 0 ，n l 。 用d f t 近似c f t 作频谱分析的关系式如下( 吴湘淇，聂涛，1 9 8 6 ) ： x ( n a f ) = x ( f ) l = t ；d f t x ( k ) ( 2 9 ) 由( 2 9 ) 式可知非周期连续信号x ( f ) 的c f t 与d f t 相比只相差比例系数，。， 另外工程上取正频率部分的2 倍作为幅值谱( 密度) ( 温熙森等，1 9 9 8 ) ，从 而由( 2 7 ) 、( 2 8 ) 式进一步得到非周期信号幅值谱密度计算关系式 口2 ( 厂) 十b2 ( 门，其中n ( ，) 、6 ( ，) 分别为： 一i 口( ，) = 2 t ：x ( k ) c o s ( 2 疵f 工) ( 2 1 0 ) i - - - 0 一】 6 ( ，) = 2 t x ( k ) s i n ( 2 n l c f f ，) ( 2 1 1 ) 2 周期信号幅值谱计算 已知周期信号的f t 和f s 是一致的，而周期信号x ( f ) 的f s 系数与单脉冲 信号x 。( r ) 的f t 之间存在如下关系( 温熙森等，1 9 9 8 ) ： 1 x ( f a = 五( ) k ( 2 - 1 2 ) 式中r 为信号周期长度。单脉冲信号0 ) 是非周期信号，因此可以利用 ( 2 i 0 ) 、( 2 1 1 ) 式计算其幅值谱密度，结合( 2 1 2 ) 式且t = m ，可得周 期信号幅值谱计算式d 2 ( ，) + 62 ( ，) ，其中a ( f ) 、b ( f ) 分别为： 第二苹番实度测试瞬态锤击信号的频谱分析 口( 厂) = 考七) c o g ( 2 绚正) ( 2 1 3 ) j i 卸 6 ( 厂) = 寺x s i n ( 2 , - 矗f 正) ( 2 1 4 ) t k - o 这同( 2 4 ) 、( 2 5 ) 式是一致的，进一步说明原频谱细化公式只适用于 周期信号，计算结果口2 ( ，) + 6 2 ( 力是幅值谱( 线谱) ，对于瞬态等非周期信号 幅值谱密度计算显然存在不足，应改用( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 式进行频谱细化。 2 3 频谱细化策略 如上所述，信号类型不同，频谱细化公式略有不同。在按( 2 1 0 ) 、( 2 1 i ) 式或( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 式计算瞬态等非周期信号或周期信号细化频谱时，所 需的运算量大，计算速度较慢。因此，可以先对点序列运用f f t 计算其 0 厂 f 2 频段的全景谱，然后对感兴趣的局部频谱进行细化运算。细化密 度可以任意确定，但为了提高频谱分析效率，具体实施细化分析时，细化的 范围可以由太到小，细化密度可以由低到高逐渐进行。出于软土瞬态锤击信 号的特征频带在低频段，因此在细化分析时可直接对低频段进行细化分析。 2 4 有关实验的若干问题说明 2 4 1 土样的颗粒分析 实验用土取自杭州市区文景苑基坑中，为说明实验用土的种类，对土样 进行了颗粒分析。实验方法采用联合使用筛分与比重计法，实验时土样取了 两份，实验结果如表2 一l 及图2 一l 所示，其中，图2 1 为土样颗粒级配曲线， 表2 一l 为土样的粒度成分。 从表2 一l 可得出，土样中粉粒( o 0 5 o o o s m m ) 成分占大多数，其中， l 试样为6 9 6 ，2 试样为7 6 1 。土样中粘粒( o 0 0 5 m m ) 次之，其中，l 试样为2 3 7 ，2 试样为1 8 2 。而土样中的细砂粒( 0 1 0 0 5 彻) 成分极 少，其中，l 。试样为6 7 ，2 。试样为2 1 。从图2 一l 中也可看出两试样颗粒 粒径在0 0 2 0 o c , 6 m m 范围颗粒大小分布曲线较为吻合，这说明土样中粉粒 成分的实验离差不大，实验数据可信。 土样的颗粒分析结果表明，实验用土为粘质粉土。 第二苹番实度测试瞬态锤击信号的频谱分析 口( 厂) = 考七) c o g ( 2 绚正) ( 2 1 3 ) j i 卸 6 ( 厂) = 寺x s i n ( 2 , - 矗f 正) ( 2 1 4 ) t k - o 这同( 2 4 ) 、( 2 5 ) 式是一致的，进一步说明原频谱细化公式只适用于 周期信号，计算结果口2 ( ，) + 6 2 ( 力是幅值谱( 线谱) ，对于瞬态等非周期信号 幅值谱密度计算显然存在不足，应改用( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 式进行频谱细化。 2 3 频谱细化策略 如上所述，信号类型不同，频谱细化公式略有不同。在按( 2 1 0 ) 、( 2 1 i ) 式或( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 式计算瞬态等非周期信号或周期信号细化频谱时，所 需的运算量大，计算速度较慢。因此，可以先对点序列运用f f t 计算其 0 厂 f 2 频段的全景谱，然后对感兴趣的局部频谱进行细化运算。细化密 度可以任意确定，但为了提高频谱分析效率，具体实施细化分析时，细化的 范围可以由太到小，细化密度可以由低到高逐渐进行。出于软土瞬态锤击信 号的特征频带在低频段，因此在细化分析时可直接对低频段进行细化分析。 2 4 有关实验的若干问题说明 2 4 1 土样的颗粒分析 实验用土取自杭州市区文景苑基坑中，为说明实验用土的种类，对土样 进行了颗粒分析。实验方法采用联合使用筛分与比重计法，实验时土样取了 两份，实验结果如表2 一l 及图2 一l 所示，其中，图2 1 为土样颗粒级配曲线， 表2 一l 为土样的粒度成分。 从表2 一l 可得出，土样中粉粒( o 0 5 o o o s m m ) 成分占大多数，其中， l 试样为6 9 6 ，2 试样为7 6 1 。土样中粘粒( o 0 0 5 m m ) 次之，其中，l 试样为2 3 7 ，2 试样为1 8 2 。而土样中的细砂粒( 0 1 0 0 5 彻) 成分极 少，其中，l 。试样为6 7 ，2 。试样为2 1 。从图2 一l 中也可看出两试样颗粒 粒径在0 0 2 0 o c , 6 m m 范围颗粒大小分布曲线较为吻合，这说明土样中粉粒 成分的实验离差不大，实验数据可信。 土样的颗粒分析结果表明，实验用土为粘质粉土。 第二苹番实度测试瞬态锤击信号的频谱分析 口( 厂) = 考七) c o g ( 2 绚正) ( 2 1 3 ) j i 卸 6 ( 厂) = 寺x s i n ( 2 , - 矗f 正) ( 2 1 4 ) t k - o 这同( 2 4 ) 、( 2 5 ) 式是一致的，进一步说明原频谱细化公式只适用于 周期信号，计算结果口2 ( ，) + 6 2 ( 力是幅值谱( 线谱) ，对于瞬态等非周期信号 幅值谱密度计算显然存在不足，应改用( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 式进行频谱细化。 2 3 频谱细化策略 如上所述，信号类型不同，频谱细化公式略有不同。在按( 2 1 0 ) 、( 2 1 i ) 式或( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 式计算瞬态等非周期信号或周期信号细化频谱时，所 需的运算量大，计算速度较慢。因此，可以先对点序列运用f f t 计算其 0 厂 f 2 频段的全景谱，然后对感兴趣的局部频谱进行细化运算。细化密 度可以任意确定，但为了提高频谱分析效率，具体实施细化分析时，细化的 范围可以由太到小，细化密度可以由低到高逐渐进行。出于软土瞬态锤击信 号的特征频带在低频段，因此在细化分析时可直接对低频段进行细化分析。 2 4 有关实验的若干问题说明 2 4 1 土样的颗粒分析 实验用土取自杭州市区文景苑基坑中，为说明实验用土的种类，对土样 进行了颗粒分析。实验方法采用联合使用筛分与比重计法，实验时土样取了 两份，实验结果如表2 一l 及图2 一l 所示，其中，图2 1 为土样颗粒级配曲线， 表2 一l 为土样的粒度成分。 从表2 一l 可得出，土样中粉粒( o 0 5 o o o s m m ) 成分占大多数，其中， l 试样为6 9 6 ，2 试样为7 6 1 。土样中粘粒( 0 0 7 40 0 5 00 0 2 00 0 1 00 0 0 5 0 0 7 40 0 5 00 0 2 00 0 1 00 0 0 5 酥漱 0 0 7 40 0 0 2 0 0 5 00 0 2 00 0 1 00 0 0 50 0 0 2 1 # 土样 6 73 3 02 8 77 94 21 9 5 2 # 土样2 13 8 22 8 59 44 51 3 7 注：粒组以m i l l 计；土样粒度成分以重量计。 苎 裁 隶 剧 刊 聪 黧 球 m 八 心 、 心 d l # 土样 + 2 # 土样 奄 气 。 1 k = ，一 、； 0 0 1 土粒粒径d ( m ) 图2 1 土样颗粒级配曲线 2 4 2 信号的预处理方法 实验时在锤上事先安装好力及加速度传感器，这样，一次锤击实验可同 时获得相应的力及加速度信号。信号的预处理方法采用在原始数据基础上截 取完整的瞬态脉冲，归零，最后进行零均值化处理。频谱分析是对预处理后 的数据进行分析的。详细的预处理方法在3 3 节中给出，这里只对信号的零 均值化处理作必要的说明。通常教材中对脉冲信号作傅立叶变换时是不去除 均值的( 如姜建国等，1 9 9 4 ) ，而本论文中对采集到的瞬态锤击信号作频谱分 析时都是去除均值的。为比较瞬态信号不去均值与去均值时其