（光学工程专业论文）车载式压实度检测仪的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着高速公路建设的发展，汽车流量的不断增加，公路建设的质量问题也越 来越引起人们的重视。路面达不到设计的使用寿命，出现早期破坏的情况时有发 生，而压实程度不够是造成路面早期破坏的主要原因之一。压实作业是使路基和 路面各结构材料获得足够密实度的重要环节，采用行之有效的压实度检测方法是 对其实行监控的重要手段。 传统的压实度检测方法均属于抽样检测，采用抽样方法往往会造成“薄弱点” 漏检现象，形成道路质量的内在隐患。本文在借鉴国内外对压实度检测方法研究 成果的基础上，提出用车载式压实度检测仪来测量土壤的压实程度，其优点在于 可以对压实度进行连续检测，避免压实不足或过分压实等现象。 文中首先分析了振动压路机振动加速度信号与土壤压实度之间的关系，从而 得出车载式压实度检测仪进行压实度测量的依据，确定了压实度仪的结构组成。 随后，建立起“振动压路机一土壤”系统动力学模型，并基于m a t l a b s i m u l i n k 对动力学模型进行了仿真，进一步验证理论分析的正确性。最后，通过大量的实 验室实验和现场试验，用压实度检测仪样机对振动轮信号进行采集、分析，确定 出加速度传感器最佳安装位置、压实度值的信号反映方法，提出切实可用的压实 度标定回归公式，为压实度仪早日实现产品化铺平道路。 关键词：车载式；振动压路机；压实度；激振信号；m a t l a b s i m u l i n k 英文摘要 i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t 删o na n dt h et r a f f i cf l o wc o n t i n u e st o i n c r e a s e t h eq u a l i t yp r o b l e m so fh i g h w a yc o n s t r u c t i o nh a sd r o w nm o r ea n dn l o i e a t t e n t i o n t h er o a d8 h f 黜c o u l dn o ta c h i e v et h es e r v i c el i f eo ft h ed e s i g n ，a n dt h e e a r l yd a m a g eh a v eo c c u r r e dn o wa n dt h e n t h ec o m p a c t i o nd e g r e ei n s u f f i c i e n t l yi so n e o fm a i nr e a g o n 8w h i c ht h er o a ds u r f a c ee a r l yd e s t r o y s t h ec o m p a c t i o nw o r ki st h e i m p o r t a n ti i n l 【w h i c ht h er o a d b e da n dt h er o a d 飘l r f h c ev a r i o u ss t r u c t u r a lm a t e r i a l o b t a i nt h ee n o u g hc o m p a c t n e s s t h et r a d i t i o n a lc o m p a c t n e s sd e t e c t i o nm e t h o db e l o n g st ot h es a m p l i n gd e t e c t i o n ， u s e st h es a m p l i n gm e t h o do f i c nm a k et h ep h e n o m e n o no f ”t h ew e a kp o i n t ”u n d e t e c t e d ， t h i sf o r m st h ei n t r i n s i ch i d d e nd a n g e ro ft h er o a dq u a l i t y t h ea r t i c l eb a s e do nt h e r e s e a r c hr e s u l t so ft h ec o m p a c t n e s sd e t e c t i o nm e t h o df r o md o m e s t i ca n df o r e i g n 。 p r o p o s e ds u r v e y st h ec o m p a c t i o nd e g r e eo ft h es o i lw i t ht h ei n v e h i c l ec o m p a c t i o n m e t e r i t sm e r i ti sm a yc a r r yo nt od e t e c tc o n t i n u o u s l y ，a n dc a l la v o i dt h ep h e n o m e n o n o fc o m p a c t i o nb e i n gi n s u f f i c i e n to re x c e s s i v e t h ea r t i c l ef i r s ta n a l y z e dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a l o ft h ev i b r o - r o l l e ra n dt h es o i lc o m p a c l n e s s ，t h u so b t a i n e dt h em e t h o do ft h e i n v e h i c l ec o m p a c t i o nm e t e rt od e t e c tc o m p a c t n e s s h a sd e t e r m i n e dt h ei n s t r u m e n t s t r u c t u r ec o m p o s i t i o n s u b s e q u e n t l y , h a se s t a b l i s h e dt h es y s t e md y n a m i c sm o d e lo f ”t h ev i b r o r o l l e r - s o i l ”，a n dh a sc a r r i e do nt h ed y n a m i c sm o d e ls i m u l a t i o nt h a tb a s e d o nm a t l a b s i m u l i k , a n dh a sc o n f i r m e df u r t h e rt h ec o r r e c u l e s so ft h el h e o r e t i c a l a n a l y s i s f i n a l l y , t h r o u g ht h em a s s i v el a b o r a t o r i e se x p e r i m e n ta n dt h ef i e l dt e s t ，u s e t h em o d e lm a c h i n eo ft h ec o m p a c t n e s si n s t r u m e n t a t i o nt og a t h e ra n da n a l y s et h e s i g n a l ，a n dt oc o n f i r mt h eb e s ti n s t a l l m e n tp o s i t i o no f t h ea c c e l e r a t i o ni n s t n n n e n t ，a n d t oc o n f i x mt h es i g n a lr e f l e c t i o nm e t h o do f t h ec o m p a c t n e s sv a l u e ，a n dp r o p o s e do n eo f c o m p a c m e s sr e m mf o r m u l aw h i c hm a yu s ep r a c t i c a l l y , t h a tw i l ls m o o t ht h ew a yt o r e a l i z et h ep r o d u c tf o rc o m p a c t n e s sm e t e re a r l y k e yw o r d s ：i n v e h i c l e ：v i b r a t i o nm i l e r ；c o m p a c t i o n ：v i b r a t i o ns i g n a l s ： m a f l a w s i m u l i n k 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乎丫怵 日期：2 肋7 年毕月d 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者躲乎丫咻指导教师躲嗜、队 日期：沏7 年年月。e 1 日期： 。7 年垆月，口e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 振动压路机的发展 1 1 1 振动压路机的发展历程 压实机械的应用起源于我国。早在1 0 0 0 多年以前的隋唐时期就出现了压路机 的最早雏形使用了人力或畜力拖动的石磙压实地面。但是最先把振动方法应 用于土体基础的压实是德国的劳申豪森( l o s e n h o u s e n ) 公司1 9 3 0 年研制出的振动 平板压实机。随后欧美一些国家相继推出了拖式振动压路机、自行式振动压路机、 双钢轮振动压路机等机型。新的压路机不仅压实厚度深，效果好，而且速度快， 生产效率高，使振动压实技术有了很大进步。 到了2 0 世纪6 0 年代，国外大中型振动压路机已经采用了液压技术，全液压 化使得压路机结构简单、布置方便、操作省力。随着液压传动和液压控制技术的 发展，出现了调频调幅式振动压路机，为压实工作参数的优化调节奠定了基础。 计算机技术、微电子技术、传感技术、测试技术的迅速发展，推动了压路机 机电一体化的进程。这些新技术的应用提高了机器性能和生产率，保证了压实质 量。到目前为止，振动压路机以无可比拟的优势，占据全球压路机市场销售总额 的8 5 “。 1 1 2 压实机械的发展趋势 随着现代新技术革命的兴起，特别是微电子技术、计算机技术和自动控制技 术等的迅速发展，引导着压实机械向着自动化、智能化的方向发展。 1 ) 压实过程监测技术 由于压实监测方法存在很大的缺点，早在2 0 世纪6 0 年代初就有人提出了利 用振动部件与基础之间相互作用的动力特性来判断压实进程的设想。这种方法的 原理是建立在当地面在振动部件的作用下逐步压实时，地面与机器系统的动力特 性也在变化，这种变化将指示出地面承压能力变化的相对数值，从而也反映了地 面被压实的程度。将这一思想变为现实并成功用于压路机上的一种压实度监测装 置是德国的b t m 压实计。其b t m o s 型计算机压实控制测量系统，可以进行连续 和实时测量并处理压实过程中压实度的变化情况，可显示或打印出压实层剖面各 点的压实质量。在此基础上又开发出可与微机相连的离线处理系统b c m 0 3 ，数据经 处理后可绘制出整个压实地区的压实质量图。 2 ) 压实机械的智能化技术 在压实过程和机器工作状态实时监测的基础上，压实机械进一步向智能化方 向发展。将自适应和自学习技术引入压实控制中，并在此基础上实现压实作业的 最优控制。通过一段时间的压实实践，压路机会自动对压实作业的各项参数( 频率、 第一章绪论 2 振幅、速度和压实遍数) 进行不同组合，并判断压实效果，从而决定最优控制方案。 当被压材料的性质发生变化时，它会不断的改变自身的参数，自动适应状况的变 化。使压实作业始终在良好的条件下进行。 另外，电脑将普遍应用在压实机械上，用以对工作过程的监测、机器技术状 态的诊断、报警和故障分析。人工智能的引入将大大改善机器的维修保养工作， 并加速它们的现代化进程。 3 ) 压实过程的自动控制技术 在自动控制方面，压路机主要用于根据土质条件自动进行振幅和压实能量的 输出。由于地面接触力随着压实强度的变化而变化，钢轮的振动方向根据系统内 的加速度传感器连续测试钢轮的动态特性，并通过记录评估这些数据，进而使振 动方向在水平和垂直方向之间自动进行调整。 压路机上自动控制技术的另一个应用是自动滑转控制系统，简称a s c ( a n t i s l i pc o n t r 0 1 ) 1 3 l 。该系统通过监测振动轮和胶轮之间的滑转，借助于调整液压驱 动系统的流量，来提供最佳的牵引条件，避免设备停顿或下滑，安装该系统的压 路机爬坡能力高达6 8 。 4 ) 压实过程全球定位系统 全球定位系统，简称m s g p s ( m e a s u r i n gs y s t e mg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 。 该系统由微机、触摸屏和专门开发的c a d 软件所组成。通过此系统，压路机的位 置可以被精确的记录下来，并能确定压实的位置和保证压实质量。通过精确无误 的跟踪压路机所处的位置，特别是当压路机偏离出压实区域的范围时，通过清晰 地反映在显示器上的测定结果，可以及时帮助驾驶员在保持行走状态下纠正错误， 从而使压实位置和质量得到保证。 5 ) 压实机械辅助选择技术 该技术可以根据压实过程的工作量、现场条件、材料特性、葡氏压实曲线以 及所要求的压实度来选择压实机械的配置方案，对每种方案均可提供各种使用参 数的选用建议，包括压轮类型、振幅和振频、摊铺厚度和铺层数、每层压实带的 安排、碾压速度和遍数以及压实生产率和压实时间的确定。 6 ) 压实过程的计算机仿真技术 在压实理论和技术的研究中，实验研究与计算机仿真技术的结合将成为更加 重要的研究手段。瑞典g e o d y n a m i k 技术咨询公司开发的一种振动压实过程的计算 机仿真软件，建立了一种土壤动力学模型，将土壤最基本的物理力学特性：土壤 的密度、弹性模量、泊松比、内摩擦系数作为计算机仿真模型的输入参数，通过 不同的土壤条件和不同的机械参数下模拟滚轮与土壤相互作用的动力学特性，对 现有振动压路机的压实性能进行评价和对设计的新机型进行性能预测。 第一章绪论 3 1 2 问题的提出 随着我国经济的飞速发展，对基础设施建设的力度不断加大，尤其是公路建 设的蓬勃发展使得振动压路机这种重要的筑路机械扮演了越来越重要的角色。 同时，公路建设的质量问题也越来越引起人们的重视。路面达不到设计的使 用寿命，出现早期破坏的事情时有发生，而压实程度不够是造成路面早期破坏的 主要原因之一。公路路面的投资费用往往占工程总投资的3 0 9 6 5 0 9 6 ，特别是高等 级公路，其路面的投资比重更大。因此，路面过早破坏在经济上造成的损失是非 常巨大的。除了加强路面工程的管理，在技术上按标准要求控制路基、路面的压 实是保证路面质量最经济有效的措施之一。 国内外的工程实践和试验研究都早己证明，在路基路面结构层施工时，必须 采用施工机械进行认真压实，这样才能提高路基、路面结构层和路面整体的强度， 增加其稳定性，以便减少甚至避免路面可能产生的多种早期损坏现象，从而大大 提高路面的使用性能和使用寿命。若路基、底基层或面层材料压实不足，在使用 过程中，路面达不到一定的强度，在载荷作用下就会产生剪切破坏，如：辙槽、 裂缝、沉陷等。可见，进行有效充分的压实对公路建设有着重要的意义。 压实作业是使路基和路面各结构材料获得足够密实度的重要环节，采用行之 有效的压实度检测方法是对其实行监控的重要手段。由于碾压过程控制不当，在 施工中经常出现下列问题：压实遍数不够，达不到规定的压实度，因而要重新压 实，影响工期；压实遍数过多，既不经济又可能导致压实度降低，同时也是对人 力、物力的浪费。 传统的检测方法有灌砂法、环刀法及核子密实度仪法等。采用传统方法检测， 在压实过程中不能测量和评估压实状态，只能在压实结束后采取少量的试样材料 进行试验，代表性差，描述粗糙；而且试验过程中有时需要做大量的工作，费用 昂贵，时间较长。此外，上述传统方法均属于抽样检测方法，很难反映道路上每 一点的压实情况。在具体施工中，可能在部分区段，由于材料级配不合理，或材 料内水分的含量过高或过低而产生材料压实度的“薄弱点”。采用抽样方法往往会 造成“薄弱点”漏检现象，形成道路质量的内在隐患。 可见，为了对振动压路机实现实时控制，保证每个施工段以最少的碾压遍数 达到施工要求的标准，让工程施工人员和监理人员及时掌握施工现状，开发研制 一种能随车检测土壤压实程度的压实度仪是很有必要的。 1 3 国内外研究综述 1 3 1 国外研究综述 早在2 0 世纪七十年代，瑞典、德国等国家就针对上述问题，开始研究利用振 第一章绪论 4 动轮振动加速度在压实过程中的变化规律，寻求探索检测路面压实的各种方法。 八十年代中期，瑞典d y n a p a c 公司和德国b o m a g 公司开始研制压实度仪，并 做了大量的试验研究，产品按原理大致有两种： 一种是德国b o m a g 研制出删动态土壤压实度仪系列产品。它的工作原理是 通过检测振动轮上的振动加速度信号，得出压实土壤的阻抗值，从而反映土壤的 压实状态。大体上，对于相同的材料，压实越好，阻抗值越高。当大到一定程度， 阻抗值增加值趋近于零时，表示压实过程结束。这套系统主要由加速度传感器， 微处理器，仪器盘和打印机等构成。 其二是瑞典d y n a p a c 公司与g e o d y n a m i k 公司共同开发的压实度仪h l 。它的工 作原理是通过安装在振动压路机上的加速度传感器，检取系统在振动激励下的响 应信号，通过滤波器和信号的傅立叶变换，得出振动信号的基波和二次谐波分量， 然后用二次谐波与基波的比值来反映压实的程度。土壤压实程度越好，谐波的畸 变程度越严重，谐波分量也越大，其比值也越大。当这个比值与事先标定值接近 到一定程度时，说明压实过程可以结束。在压实过程中可将记录信息进行分析， 并能够将其作为结果在屏幕上显示出来。压实程度低于预设值范围的区域以红色 显示出来，个别压实过程可以用曲线的形式表示出来，并与不同的压实过程相比 较。 1 3 2 国内研究综述 九十年代初，国内某些厂家对随车压实度检测方法进行了探索研究，并研制 出了几种压实度仪。 徐州工程机械厂与宝应四明有限公司研制的s m c - 9 6 0 a 密实度测量仪，由传感 器、测量分析仪、数据采集器和打印机等四部分组成。通过加速度传感器检取压 路机振动轮上的振动加速度信号，转换为电信号，经放大电路放大后送入滤波电 路。两个滤波器分别将信号基波和二次谐波分量选出，并且各自经过线性变换和 压频转换，再经过除法电路算出谐波分量与基波分量的比值，最后在显示器上显 示出土壤的密实度。 水利水电科学研究院研制的y s 一1 压实度计工作原理与上述一样，即利用谐波 与基波的比值反映土壤密实度的大小。它在进行数据处理时，采用取平均值的方 法。同时，根据振动压路机振动频率的工作范围，设计了频率选择开关，以满足 不同振动频率的工作要求。 苏州市交通研究所研制开发了m s y 一1 0 0 型压实度比较仪，它是从力平衡角度 分析振动压路机对土壤压实的工作原理。在土壤颗粒性质、直径、级配、含水量 等一定的条件下，土壤颗粒比较松软时，土壤强度比较低，其弹性模量比较小， 对振动轮的反力比较小；反之，对振动轮的反力就比较大，加速度与振动轮反力 第一章绪论 5 有线性关系，而反力与土壤密实度有良好的相关关系，所以加速度的变化正是反 映了土壤的压实程度。 这些研究开发对国外测量原理进行了验证，但由于受到多方面因素的制约， 目前为止，国内还没有完全适合压路机随车检测用的理想检测仪。因此，如何将 压实度计应用在各种不同的振动压路机上，适应于各种不同的土壤条件，提高测 量的精确性，仍需要作新的尝试和研究。 1 4 课题的研究意义与主要内容 1 4 1 研究意义 在西部大开发过程中，交通基础建设是各地的先行举措，我国规划在西部地 区修筑的公路里程达到了3 5 万公里。公路行业对填土路基的压实标准规定较为全 面，对高速公路规定，路基顶面以下8 0 c m 以内压实度达到9 5 ，8 0 c m 以下1 5 0 c m 以上达到9 3 。目前公路路基的压实度检验仍主要采用灌砂法、环刀法等方法，这 些传统的检测手段效率低，且会对路面结构层造成破坏，核子密度湿度仪法因放 射性防护问题使用不便。作为一种公路质量无损检测的新技术，使用随车压实度 检测仪可以使工作人员在压实过程中实时检测压实状况、控制压实质量，从而保 证路基路面在最少碾压遍数下得到充分压实，避免压实不足或过分压实等现象。 这样，既能节省人力、缩短工期，又可以在保证施工质量的基础上加快施工进度， 具有明显的社会效益和经济效益。同时，此技术的基本理论涉及土动力学、弹性 动力学、机械理论、数字电路、模拟电路、数字信号处理等学科，内容丰富，具 有相当的理论研究价值。 1 4 2 主要内容 本课题的主要研究内容有： 1 ) 分析研究土壤含水量及振动压路机振动频率、行驶速度对压实度值测量的 影响；分析传统压实度检测方法存在的不足，提出应用随车压实度检测方法来实 现对土壤压实度的控制。 2 ) 分析研究振动压路机振动加速度信号与土壤压实度之间的相互关系，从而 得到随车压实度检测仪进行压实度值测量的方法。 3 ) 建立起“振动压路机一土壤”系统动力学模型，并基于m a t l a b 对动力学模 型进行了仿真研究。 4 ) 分析研究激振信号的处理方法；分析激振信号的噪声及其对信号的影响，确 定振动压路机施工工况下激振信号的采样频率、滤波器的类型、频谱变换的算法、 f f t 变换块的大小及窗函数的类型。 5 ) 通过大量的实验室和现场试验，用压实度计样机对信号进行采集、分析， 第一章绪论 6 确定加速度传感器最佳安装位置，确定压实度值的信号反映方法，提出切实可用 的压实度标定回归公式，为压实度仪的产品化铺平道路。 第二章路基路面压实与现场压实度评定方法 7 第二章路基路面压实与现场压实度评定方法 通过对路基路面的充分压实，可以提高公路建设的质量，延长公路的使用寿 命，对公路建设有着重要意义，而采用行之有效的压实度检测方法则是对其实行 监控的重要手段。本章给出了路基路面压实的相关概念，及传统的压实度检测方 法，并且分析了传统压实度检测方法存在的不足，最后提出了应用车载式压实度 仪进行压实度实时检测的方法。 2 1 路基路面压实 2 1 1 压实度的概念 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。压实度值是反映施工质量的一个重要指标，通过颗粒的压实， 确保道路的使用寿命，使之发挥最大的经济效益。 如设压实度为j 、实际干密度为，。、标准干密度为n ，则晡1 艿：丛1 0 0 ( 2 1 ) ，2 2 1 2 影响压实因素 振动压路机对被压材料的压实过程是个很复杂的随机过程，由于被压材料的 物理特性具有很大的随机性，即使是同一种材料，在被压时的初始状态、环境温 度和湿度不同，其压实度也有很大的区别，影响压实度的因素很多，主要有以下 几种：含水量、土类和级配、振动压路机的振幅、频率、工作速度和行驶方向。 1 ) 含水量 土的含水量是指土在1 0 0 1 0 5 c 下烘至恒重时所失去的水分重量与达到恒重 时干土重量的比值。土中含水量对压实效果的影响比较显著。当含水量较小时， 由于粒间引力( 可能还包括毛细管引力) 使土保持着比较疏松的状态或凝聚结构， 土中孔隙大都互相连通，水少而气多，在一定的外部压实功能作用下，虽然土孔 隙中气体易被排出，密度可以增大，但由于水膜润滑作用不明显以及外部功能不 足以克服粒间引力，土粒相对移动不容易，导致压实效果比较差；含水量逐渐增 大时，水膜变厚，引力缩小，水膜又起着润滑作用，外部压实功能比较容易使土 粒移动，压实效果渐佳；土中含水量过大时，孔隙中出现了自由水，压实功能不 可能使气体排出，压实功能的一部分被自由水所抵消，减小了有效压力，压实效 果反而降低；可见，只有在最佳含水量的情况下压实效果最好。由重型击实试验 可得到土样的最大干密度和最佳含水量，最佳含水量是施工控制的重要依据，最 大干密度则是现场压实度的标准。 第二章路基路面压实与现场压实度评定方法 8 2 ) 土类和级配 在相同击实功条件下，不同土类及级配的压实性也是不一样的。级配良好的 土应该是工程施工中优先选用的填方用土。 3 ) 振幅、振动频率对压实度的影响 振动压路机的振动频率是影响材料颗粒运动状态的重要参数，它反映了单位 时间内振动轮对被压材料的冲击次数。当振动频率选择在合适的范围内时，随着 振动轮的振动，被压材料的颗粒运动加速度增高，其内摩擦阻力急剧下降，颗粒 之间的相互填充作用加强，这是振动轮受到的材料的抗剪作用也急剧减小，非常 有利于压实。在实际中，不同的被压实材料，其适合于压实的振动频率范围相差 较大，这就要求振动压路机具有较大的振动频率范围，以适应不同压实材料的要 求，一般振动压路机的振动频率在3 0 5 0 h z 的范围内。 振动压路机的振幅反映振动轮对被压实材料的冲击能量的大小。振幅越大， 被压实材料颗粒运动的位移越大，参加振动的材料颗粒越多。振动轮对材料的冲 击能越大，振动冲击波在材料中传播的距离越远，从而增加压实深度或压实厚度， 压实效果越好，压实度值也越大。但是振幅也是具有一个合适的范围，过大的振 幅使振动轮在过大的振动强度下脱离地面，也就是一般所说的“跳振”，使表层 受到严重不规则冲击、揉搓和过度碾压，这样多余的能量不仅不会被碾压层的土 或材料吸收，反而会使己压实表面层产生松散现象，从而引起压实度降低，这是 施工中应该避免的问题。 4 ) 振动压路机工作速度对压实效果的影响 工作速度是指振动压路机在进行压实作业时的行走速度，主要影响被压材料 单位面积上吸收的振动能量，它对被压材料所能达到的压实度和平整度也有着显 著的影响。试验表明。在相同碾压遍数下，工作速度越高，压实度越小，反之， 工作速度降低，压实效果增强；但工作速度的降低意味着生产率的降低，因而要 达到规定的压实度，又要保持较高的生产率，就必须合理选择工作速度和碾压遍 数。 5 ) 振动压路机行驶方向对压实度的影响 振动压路机工作时振动轮是向前向后往复连续滚压的，由于运行方向的改变， 对压实度也有着显著的影响。实践表明，为了得到较好的压实效果，即得到大一 点的压实度，振动压路机的偏心块旋转方向最好保持与压路机运行方向保持一致， 这一点在第三章最后一节做了详细分析。 2 2 传统压实度评定方法 传统的压实度评定方法可以大致分为破坏性试验评定方法和非破坏性试验评 第二章路基路面压实与现场压实度评定方法 9 定方法。 2 2 1 破坏性试验评定方法 所谓破坏性试验，是指在测量土层或材料层的密实度和含水量之前，需要对 被测量层进行一定程度的破坏，以采取样品。常用的破坏性试验主要有三种 灌砂法、水袋法、环刀法，下面将对这三种方法进行简单介绍。 1 ) 灌砂法 先在拟测量密实度的地点挖掘一个圆形试洞，洞深通常应等于碾压层的厚度。 在挖洞过程中，应使洞壁尽可能垂直，避免洞径上大下小。仔细收集洞中挖出的 全部土或材料，勿使丢失，并采取措施保护其含水量不受损失。及时称取洞中挖 出的全部土或材料的质量，并取部分有代表性的样品做含水量试验用。剩下的重 要一步是测量试洞容积，确定所挖出的全部土或材料的体积。 灌砂法即用均匀颗粒( 或单一颗粒) 的砂，由一定高度下落到一规定容积的筒 或洞内，根据其单位质量不变的原理，来测量试洞的容积。用试洞的容积代表洞 中取出材料的体积。 2 ) 水袋法 先在拟测量密实度的位置挖掘一个圆形试洞，对洞深的要求以及对称量洞中 挖出的土或材料和取样品测量含水量的要求，均与上述灌砂法相同。测量试洞的 容积时，将水袋法中使用的薄橡皮袋放入试洞内，在规定压力下将水压入橡皮袋 中，使橡皮袋扩张到与试洞底和试洞壁相接触，根据所用水量确定试洞体积。 3 ) 环刀法 采用环刀法测试前，先清除干净试验地点表面未压实土层，并将压实土层铲 平一部分；根据土质干湿和紧密程度的不同，采用直接压入法、落锤打入法或手 锤打入法将环刀压入或打入到土中；然后将环刀及土样挖出，称量环刀与湿土重、 环刀重，自环刀中取出具有代表性的试样测定其密实度。 环刀法是较简单和较快捷的一种试验方法，但它的破坏性较灌砂法和水袋法 大得多。此外，环刀法只能用于测定不含砾石或碎石的细粒土的现场密实度，测 量结果的准确度和精确度受较多的因素影响。 用上述三种方法测得的密度，都是某一深度范围内的平均密度。用前两种方 法测得的密度是试洞深度范围内的平均密度，通常试洞的深度等于碾压层的厚度， 用环刀法测得的密度是环刀内土样所在深度范围内的平均密度。国内使用的环刀 高度通常约5 0 n ，则环刀法所得密度仅是它所取土样所在高度范围内土的平均密 度，不能代表整个碾压层的平均密度。由于碾压后，土层的密实度是从上到下减 小的，而且项部与底部的密实度相差很大。因此，用环刀法测定土的密实度，如 环刀是从顶面往下取土的，则所得密度将偏大；如环刀取的是底部的土，则所得 第二章路基路面压实与现场压实度评定方法 l o 的密度或计算的压实度将明显偏小。 2 2 2 非破坏性试验评定方法 非破坏性试验使用的仪器是各种核子仪。它利用放射性元素( 通常是，射线) 测量路基土或路面结构层材料的密度，利用中子来测量它们的含水量。放射性射 线穿过物质时要发生衰减，其衰减量的大小与物质的密度成正比，这样通过测量 放射性射线的衰减量可以反推物质的密度，故又称，射线法。 核子压实度法的特点是：测量速度快，需要的人员少；方便，操作人员不必 费力挖坑取大块试样称重；无损，不破坏土的结构，一些无规律的测定值可被立 即发现并对其进行检验；可用于测量各种土( 包括冻土) 和路面材料的密度以及它 们的含水量。核子法适用于现场用核子密度仪以散射法或直接透射法测定路基或 路面材料的密度和含水量，并计算施工压实度。适用于施工质量的现场快速评定， 不宜用作仲裁试验或评定验收试验 按照职业健康管理体系( g b t 2 8 0 0 1 2 0 0 1 标准) 要求对操作人员应进行 防护，避免长期使用对人体造成的辐射伤害。 虽然核子压实度法比上述三种方法的优点多，特别是在连续进行控制施工质 量的工作中。但该方法价格高，使用环境条件要求高，此外超标的放射性物质对 人体有害，一旦发生问题还会对环境造成污染；而且使用插入式核子仪同样也会 破坏土层的结构。 2 3 传统压实度评定方法存在的不足 通过上面对各种传统方法的简要分析，可知用传统的方法检测压实度存在着 以下问题： 1 ) 破坏性试验评定方法采取样品时，需要熟练的手工操作如挖坑、称重等， 同时也破坏了土层结构； 2 ) 非破坏性试验评定方法核子仪测定会对工作人员的身体造成一定的损 害，一旦发生闯题还会造成严重的环境污染； 3 ) 用传统测定方法在压实过程中不能测量和评估压实状态，只能在碾压结束 后进行检测，对压实不足的路段很难及时了解，从而引起返工、拖延工期，当压 实变数过多是则白白浪费施工进度，甚至会振松已压实的材料； 4 ) 用传统测定方法只取少量的试样材料，由于采样量有限，通常只占被压实 材料很少的一部分，缺乏充分的代表性，因此不可能提供压实质量全面信息，而 公路筑路材料复杂，这样就极容易出现低质量路段漏检； 5 ) 用传统测定方法对压实结果的描绘比较粗糙； 6 ) 用传统测定方法做试验时需要做大量的工作，费用昂贵，时间较长。 第二章路基路面压实与现场压实度评定方法 l l 针对以上问题，为了能对振动压路机实现实时连续控制，保证每个施工工段 以最少的碾压遍数达到施工要求的标准，开发研制一种能连续检测土壤压实程度 的压实度测量系统很有必要。 2 4 车载式压实度检测评定方法 车载式压实度检测方法是指把仪器安装在压实机械上，利用与土壤压实度密 切相关的某些参数来测定路基路面的压实程度。它是一种间接测量压实度的方法， 由于测量结果与多种因素有关，其结果还需通过传统测量方法进行间接检查，然 后用相对比较的方法得出压实度。技术成熟后，它能够连续检测施工路段中各点 的压实度，尤其是检测到局部压实不够的施工质量问题，这是传统方法所无可比 拟的。 车载式压实度检测仪的基本构成如图2 1 所示： 图2 1 车载式压实度检测仪基本构成 f i g2 1b a s i cc o n s t i t u t i o no f i n - v e h i c l ec o m p o c t i o nm d 旧 图2 1 中各部分功能作用如下所述。 前置放大电路一般采用电荷、电压放大电器。由于传感器输出的信号十分微 弱，且阻抗很高，经过放大器的前置放大，同时变高阻抗为低阻抗，并以电压信 号输出，使信号由微伏级上升为毫伏级的有用电压信号。 利用低通滤波器的目的主要是得到压实度的低频信号，要求低通稳定，滤波 效果好。另外，在放大器输出的信号中叠加有一直流电平，因此设置低通滤波器 另一个作用是可以消除该部分所带来的直流分量。 a d 转换装置的功能主要将采集到的电压模拟信号量化和编码后，转变成数字 信号并输出。信号处理与运算的目的是对由a d 采集转换的数字电压信号进行各 种分析处理，一般是由一块单板机完成。 显示器用来完成压实度数值及其相关信息的显示。 第三章压实度自动检测的理论基础 1 2 第三章压实度自动检测的理论基础 3 1 压实的基本方法 压实是通过施加外力使被压实材料提高压实度的过程。在压实过程中，土颗 粒产生运动并重新组合，强迫排出积在颗粒间的空气，粗颗粒土中的水被排出。 有效的压实，使得被压实材料的压缩系数大大降低，支承能力提高，沉陷减小。 在提高土的压实度的同时获得较高的剪切强度。压实后，土的剪切强度大约能提 高4 0 ，因而大大提高了被压实材料的承载能力，降低了渗水性。 为了追求好的压实效果和高的压实效率，人们一直在孜孜不倦地探索新的压 实方法和压实技术。到目前为止，现代压实技术所采用的压实方法可以归纳为以 下四种旧：静作用压实、搓揉压实、振动压实、夯实和冲击压实。 3 1 1 静作用压实 将重物置于被压材料的表面，利用重物的重力，对被压材料施加垂直压力作 用，使被压材料内部产生相应的法向应力和剪切应力，当剪切应力达到材料的抗 剪强度时，材料的颗粒之间就会发生相对滑移，重新排列而变得更加密实。光轮 压路机和轮胎压路机，靠自身重量压实土，都属于静作用压实。 为了获得较高的压实度，必须促使土颗粒位移或运动，以达到土的结构紧密 的目的。但是，仅依靠静载荷( 自重) 压实土壤，颗粒之间的摩擦力阻止颗粒进行 大范围的移动。随着静载荷的增加，颗粒间的摩擦力也增加。因此，静作用压实， 有一个极限的压实效果和影响深度，无限地增加静载荷，也不能得到相应的压实 效果，反而会破坏了表层土的结构。 3 1 2 搓揉压实 在搓揉压实中，搓是利用对被压材料表层施以水平方向的反复交变的作用力， 使被压材料表层颗粒产生相对滑移，重新排列而变得致密；揉是一种压入作用， 它依靠对被压材料局部施加很大的垂直压力，使压头直接剪切侧面材料，破坏压 头下方局部材料与被作用材料整体之间的联系，使之受到很大压缩而变得密实。 总的来说，这种搓揉作用力的作用深度较浅，仅在表层某一范围内传递，但其可 获得较高的表面压实度和表面平整度。 3 1 3 振动压实 振动压实采用快速、连续地反复冲击土的方式工作。压力波从土的表面向深 处传播，土颗粒处于振动状态，颗粒间的摩擦力实际上被消除，在这种状态下， 小的土颗粒充填到大颗粒土的孔隙中，土处于容积尽量小的状态。 振动压路机在作业时，由于振动轮的振动使其对地面作用一个往复冲击力。 振动轮每对地面冲击一次，被压实的材料中就产生一个冲击波。同时，这个冲击 第三章压实度自动检测的理论基础 1 3 波在被压实的材料内沿着纵深方向扩散和传播。随着振动轮不断振动，冲击波也 将不断产生和持续扩散。被压实材料的颗粒在冲击波的作用下，由静止的初始状 态变为运动状态。被压实材料颗粒之间的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐渐进入 到动摩擦状态。同时，由于材料中水分的离析作用，使材料颗粒的外围包围一层 水膜。形成了颗粒运动的润滑剂。颗粒间的摩擦阻力将大为下降，为颗粒的运动 创造了十分有利的条件。被压实材料在冲击波的作用下产生了运动，带来了颗粒 间的初始位置的变化，并由此而产生了互相填充间隙的现象，颗粒之间的间隙减 小了。较大颗粒之间的间隙由较小的颗粒所填充，被压实材料的密实度提高了， 从而压实度也提高了。同时，颗粒之间的紧密接触也增大了被压实材料的内摩擦 阻力，使基础的承载能力也随之提高。 如果以万表示土的压实度，则j 与振动压路机的振动参数和工作参数有下列函 数关系： m 艿= ，i ( 兄) + ( = 兰) ( 3 1 ) y 式中：只振动压路机振动轮的线载荷( n c m ) ； a 振动压路机工作振幅( m m ) ； 国振动压路机工作频率( 角频率) ； 1 ，振动压路机的工作速度( m s ) 为克服土颗粒之间的粘聚力和吸附力，振动压路机必须有足够大的线载荷只 和振幅a 。载荷越大，作用在被压实的土表面上的正压力也越大，从而越容易破 坏由土颗粒之间的粘聚力和吸附力形成的抗剪切强度。振动轮振幅越大，土颗粒 运动的位移越大，土颗粒间的粘聚力越容易被破坏，土就容易被压实。 振动压路机的工作频率是影响土颗粒运动状态的重要参数。当工作频率靠近 “压路机一土”的振动系统的固有频率时，土的颗粒运动加速度提高，其内摩擦 阻力急剧下降，土的颗粒之间的相互填充作用加强。这时土仿佛处于流动状态。为 了便于理解，将这种内摩擦阻力急剧下降，仿佛处于流动状态下的土的状态称为 “土的液化”现象。土处于“液化”状态时，有些物料，例如纯干性水泥、于砂、 水饱和砂等其内部摩擦阻力几乎为零口1 。 3 1 4 夯实和冲击压实 夯实和冲击在原理上都是利用动能转化为冲击能来压实土壤，只是在冲程和 频率上有所不同。夯实的冲程约为5 3 0 m m ，频率约为8 2 0 h z ，冲击的冲程可高 达数米，而频率则极低，为单个的脉冲。冲击压实的特征是巨大的动能在很短时 间内转化为冲量，而形成瞬时作用的巨大冲击力，它可在土壤中产生很大剪切应 力和法向应力，从而有效地克服黏性土壤的内聚力，压缩土体并排出土中的空气 和水分。冲击能量所形成的冲击波可传至很深的深度，因而在压实深度上有很大 第三章压实度自动检测的理论基础 1 4 的优势。此外，由于冲击作用的时间很短，往往在被压材料还来不及发生“流动” 之前，冲击已经结束，因而可减少由土壤“流动”而导致的不稳定，可有效地用 于对较大含水量的黏土和干砂的压实。由于冲击压力波较振动压力波能传至更深 的层面，所以，冲击压实能获得最大的压实深度。 3 2 振动压路机的工作原理 振动压路机是依靠自重和振动的联合作用来压实路基和路面材料，使被压实 的材料具有足够的密实度。压实可以充分发挥路基和路面材料的强度，可以减少 路基、路面在行车荷载下产生的变形，还可以增加路基和路面材料的不透水性和 强度稳定性。现在全世界的建筑工程都要求对土壤进行有效地压实，以便承受新 建的高速公路、机场、海港、堤坝、铁路和建筑基础的更大的负荷。由于振动压 路机压实效果好，影响深度大，生产率高，而且适用于各种土壤的压实。因此，振 动压路机逐渐成为许多压实工作的标准设备和首选设备。 3 2 1 振动压实理论 振动技术已被广泛应用于压实作业，其基础理论研究尚有不同的学派。对土 壤振动压实从理论上来阐述，可以归纳为以下的几种学说”1 ： 1 ) 内部摩擦减小学说 内部摩擦减小学说可概括为：由于振动作用，使铺筑材料的内部摩擦急剧减 少，剪切强度降低，抗压阻力变得很小，因而在重力作用下易于压实。 2 ) 共振学说 振动压路机在工作时，当激振力频率与被压实材料的固有频率一致时，振动 压实最为有效。实践证明，共振效果是显着的，说明了这一理论的正确性。然而， 由于材料的固有频率是变化的，要求激振器的频率作相应的变化是困难的，但利 用共振现象来进行压实是比较容易的。 3 ) 反复载荷学说 振动压路机在工作时，由于振动所产生的周期性压缩运动的作用，而达到振 动压实的效果。在低频率范围内，它具有一定的现实性，而在高频率范围内，并 无充足的理论根据。实验表明，在高频率范围内，振动作用的效果远远超过反复 荷载作用的效果。 4 ) 土壤液化学说 在振动波的作用下，被压实材料的颗粒呈现高频受迫振动状态，其内部粘聚 力和摩擦力急剧下降，使之仿佛处于流动状态，此即称之为“液化”现象。这种 液化现象的出现，使材料颗粒之问的相互充填作用加强，并且由于受自重力的作 用而向着低位能的方向流动，这就为压实创造了条件。 第三章压实度自动检测的理论基础 1 5 3 2 2 振动压路机的压实机理 振动压路机的工作轮结构如图3 1 所示： 图3 1 振动轮结构示意图 f i g3 1t h es c h e m a t i cd r a w i n go f v i b r a t i o nw h e e ls 叽c n l r e 图3 1 中：，一离心力；聊一偏心块质量；p 偏心距；一角速度 压实机理