（机械电子工程专业论文）路基压实度的振动测试方法试验研究.pdf

摘要 近年来我国加大基础设施的投入，公路建设飞速发展，公路的交通密度和负荷量在 日益增大，对公路建设的工程质量和数量也提出了更高的要求，而能够反映工程质量的 重要检测指标之一就是压实度。而现行的压实度检测方法都存在费时费力和有损路基的 缺点，所以研究简便快速的压实度检测法是公路建设形势的迫切需要。在总结和分析国 内外相关成果的基础上，本文结合瞬态瑞雷面波和瞬态冲击频谱分析的研究方法，进一 步对振动测试压实度的检测方法进行研究，以期对振动测试压实度的检测方法提供试验 依据，给出压实度的振动测试定量计算方法。 振动法是根据振动能量在不同密度介质中衰减快慢不同的原理提出的一种快速检 测压实度的方法。本文利用正交试验法对试验控制条件进行组合并制定最优振动测试试 验方案。对不同压实度、不同含水量的试验用土，在不同的测量距离上，采用不同的信 号采集方式( 有损采集和无损采集) 测取试验用土在锤击作用下的加速度响应信号。在对 加速度响应信号进行预处理的基础上，计算土壤阻尼比和加速度响应信号有效值，利用 m a t l a b 软件分析土壤阻尼比和加速度响应信号有效值同土壤压实度之间的相关关系，得 出相应的经验关系式。试验结果表明土壤阻尼比和加速度响应信号有效值是能够反映土 壤压实度变化的特征参量。通过对两特征参量同土壤压实度、土壤含水量的相关分析， 表明两特征参量同土壤压实度之间具有较好的线性关系、土壤含水量对两特征参量没有 明显影响；证明该试验方法是可行的，试验结果是可靠的。 振动压实度检测方法的进一步研究为开发一种准确、快速、无损检测压实度仪提供 了试验依据，对工程实际测量具有重要的意义。 关键词：压实度，含水量，瞬态冲击振动，加速度响应信号 特征参量，阻尼比，有效值，定量计算公式 长安大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h eg o v e r n m e n ti n c r e a s e dt h ei n f r a s t r u c t u r ei n v e s t m e n ti nt h er e c e n ty e a r s ，t h e c o n s t r u c t i o no fr o a di sd e v e l o p i n ga taf a n t a s t i cs p e e d r o a dd e n s i t ya n dt r a f f i cl o a di s i n c r e a s i n ga n di ti sa l s oah i g h e rd e m a n df o rt h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o np r o je c to nt h eq u a l i t y a n dq u a n t i t y c o m p a c t n e s si so n eo ft h ed e t e c t i o ni n d i c a t o r st or e f l e c tt h eq u a l i t yo ft h e p r o j e c t b u tt h ec o m p a c t n e s st e s t i n gm e t h o d sh a v es h o r t c o m i n g so f u s i n gm o r et i m ea n dl a b o r a n dd e s t r o y i n gt h er o a d b e d s oi ti sa nu r g e n tr e q u i r e m e n to ft h ec u r r e n ts i t u a t i o ni nt h e c o n s t r u c t i o no fr o a dt od e v e l o par a p i da n dc o n v e n i e n tt e s t i n gm e t h o dt om e a s u r et h e c o m p a c t n e s so fr o a d b e d b a s e do nt h es u m m a r i z e dr e l e v a n ta c h i e v e m e n t sb o t hd o m e s t i ca n d a b r o a d ，an e wm e a s u r i n gm e t h o do fc o m p a c t n e s sw h i c hc o m b i n e sw i 廿lt h et r a n s i e n tr a y l e i g h t w a v em e t h o da n dt h ef r e q u e n c ya n a l y s i so ft r a n s i e n ts h o c ki sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r t h e a c c e l e r a t i o nr e s p o n s es i g n a l sa r ea n a l y z e da n di tp r o v i d e sae x p e r i m e n t a lb a s i s f o r t h e v i b r a t i o nt e s to fc o m p a c t n e s sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sm e t h o do ft h e c o m p a c t n e s si sp u tf o r w a r d t h et e s t so fv i b r a t i o nw h i c hi sa c c o r d i n gt ov i b r a t i o ne n e r g y h a v i n gd i f f e r e n ta t t e n u a t i o n s p e e di nd i f f e r e n tm e d i aa n ds o m ec o m b i n a t i o no fd o m e s t i cd e s i g nt h e o r yi sar a p i dt e s t i n g m e t h o d st om e a s u r et h ec o m p a c t n e s so fr o a d b e d t h i sp a p e ru s e st h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t t oc o m b i n et h ed i f f e r e n tc o n t r o lv a r i a b l e s ( c o m p a c t n e s s ，w a t e rc o n t e n t ，m e a s u r i n gd i s t a n c e ) a n d p u t sf o r w a r dt h eb e s tv i b r a t i o nt e s tp r o g r a m w eu s ed i f f e r e n ts i g n a la c q u i s i t i o nm e t h o d s ( d e t r i m e n t a lt ot h ec o l l e c t i o na n dn o n d e s t r u c t i v ea c q u i s i t i o n ) t oc o l l e c tt h ea c c e l e r a t i o n r e s p o n s es i g n a l s ，a n dm e a s u r et h ea c c e l e r a t i o nr e s p o n s es i g n a l sw h i c ha r ep r o d u c e di nt h e h a m m e re f f e c t f i r s t ，t h ea c c e l e r a t i o nr e s p o n s es i g n a l sa r ep r e - p r o c e s s e d ，a n dt h e nt h e d a m p i n gr a t i oa n dr m s o ft h ea c c e l e r a t i o nr e s p o n s es i g n a l sa r ec a l c u l a t e d u s i n gt h em a t l a b s o f t w a r ea n a l y z e st h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ed a m p i n gr a t i oa n dr m sa n dt h ec o m p a c t n e s s a n dg i v e st h ec o r r e s p o n d i n gf o r m u l a t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es o i ld a m p i n gr a t i oa n dr m s a r et h ec h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r st or e f l e c tt h ec o m p a c t n e s s t h r o u g ht h ec o r r e l a t i o na n a l y s i s b e t w e e nt h et w oc h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r sa n dc o m p a c t n e s s ，w a t e rc o n t e n t ，t h er e s u l t ss h o w t h a ti th a sag o o dl i n e a r r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w oc h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r sa n d c o m p a c t n e s s a n dt h ew a t e rc o n t e n td i dn o ts i g n i f i c a n t l ya f f e c tf o rt h ep a r a m e t e r s t h et e s t 第一章绪论 m e t h o di sf e a s i b l e ，t e s tr e s u l t sa r er e l i a b l e t h ef u r t h e rs t u d yo ft h ed e t e c t i o nc o m p a c t n e s s sm e t h o d sp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o r a na c c u r a t e ，r a p i d ，n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gi n s t r u m e n to fc o m p a c t n e s s ，a n di th a st h eg r e a t s i g n i f i c a n c ef o r t h ea c t u a lm e a s u r e m e n to ft h ew o r k s k e yw o r d s ：c o m p a c t n e s s ，w a t e rc o n t e n t ，t r a n s i e n ts h o c k sv i b r a t i o n ， a c c e l e r a t i o nr e s p o n s es i g n a l ，f e a t u r ep a r a m e t e r s ，d a m p i n gr a t i o ， r m s ，q u a n t i t a t i v ef o r m u l a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 加7 年乡月，日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 李术峰 导师签名： 阎学丈 q 序 w 1 辱 函勺9 6 月f e 1 年易具7 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 随着我国公路建设事业的不断发展和我国经济实力的不断进步，更加注重国内的基 础建设，目前国内的公路交通密度和负荷量在不断增大，并且交通部也对高速公路施工 建设投入了大量的财力和物力，并提出一些发展目标，所以对高速公路建设的工程质量 检测和数量也就提出了更高的要求。2 0 0 8 年1 1 月2 6 日交通部宣布，将在2 0 0 9 年中国 交通行业实现l 万亿的投资规模，到2 0 1 0 年主要实现三个目标：一是东部地区要基本 形成高速公路网；二是中部地区基本形成比较完善的干线公路网；三是全国的乡镇要基 本实现通柏油路、水泥路。这三个基础建设目标的提出，无疑也是对公路施工建设的质 量检测提出了更高的要求，为了满足公路质量检测需要更好的检测手段，所以对压实度 的检测手段也就提出了更高的要求，而压实度就是检测工程质量的重要指标之一，压实 度的大小标志着压实程度的好坏，是检验土石方压实效果普遍采用的重要检测指标【l 】。 国内目前使用的传统的压实度检测方法，主要包括环刀法、灌砂法、水囊法等，这 些检测方法基本都是破坏性的压实度检测方法，而且明显已经不能满足当前施工检测的 需要。在公路施工建设快速发展的背景下，本文中的瞬态冲击振动检测法是以振动波在 不同密度介质中传播衰减快慢不同为基本原理的一种压实度无损检测方法，通过大量的 试验数据找出能够反映压实度变化的特征参数，进而研制一种快速无损检测压实度的仪 器压实度检测仪，使其具有准确、方便、快捷、安全的特点，能够满足现代化施工 快速准确检测压实度的要求，降低公路施工质量的检测成本和检测周期。 压实度是指路面材料被压实后的干容重与该材料的标准干容重之比，并常用表 示。压实度的计算公式如下式【1 】， 压实度= 淼1 0 。 ( 1 1 ) 1 1 国内外压实度测试方法研究现状及其特点 根据对国内外大量资料文献的参阅可知，目前，国内外对压实度的检测方法有很多 种，主要可以分为破坏性试验和非破坏性试验两大类。其中，灌砂法、灌水法、环刀法、 水囊法和蜡封法检测压实度的方法属于破坏性试验；核子密度仪法、瑞雷波( r a y l e i g h t w a v e ) 法、在线实时监测法和振动测试方法【2 3 】的检测压实度的方法属于非破坏性试验。 下面就分别对这两类压实度检测方法进行简单的介绍： 第一章绪论 1 1 1 压实度破坏性测试方法 “公路土工实验规程( j t j 0 5 1 9 3 ) 中对压实度检测的破坏性试验方法主要有灌砂 法、灌水法、水囊法、环刀法、蜡封法( 包含水中称重法和排水法) 。由于这些检测方法 都需要对被测土层进行挖坑，并对测体进行称量重量和测量体积，它们的不同之处就是 对测体的处理方式不同，所以这些检测方法都属于破坏性试验检测路基压实度。以下就 是对破坏性测试压实度的方法进行简单的介绍： 1 灌砂法 灌砂法是将颗粒粒径在0 3 0 m m 0 6 0 m m 或0 2 5 m m , - - 一0 5 0 m m 这个范围内的均匀 砂，从固定高度自由落到试洞内，根据单位体积中质量不变的原理来测量所挖试洞的容 积。灌砂法作为检测压实度的传统方法在国内外均比较适用，很多公路施工工程在现场 检测压实度时都使用该种检测方法，该方法主要适用于在现场测定基层、砂石路面及路 基土的压实层的干密度和压实度，但是不适用于路基土有大孔洞或大孔隙材料的压实度 检测。它的缺点主要是在检测过程中携带的砂过多，称量次数过多，而且在测量之前需 要标定的内容比较多，所以与其他传统的压实度检测方法相比，操作过程较烦琐，检测 速度较慢，而且检测结果容易受人为因素的影响，比较容易出现测量误差【4 】。 2 灌水法 灌水法的检测原理和灌砂法基本相同，是对灌砂法检测压实度的替代与补充，它与 灌砂法的主要区别是将填充物换为水来测定取样挖洞的体积，该检测方法主要适用于现 场测定粗粒土和巨粒土的密实度。该方法对体积的测量较为准确，而且国外已经研制出 可以用来测试的薄膜材料一聚乙烯塑料，测试效果较好。但是基于目前国内的研究技术 水平，还未研制出用于测试且效果较好的薄膜材料，所以需要尽快解决这个问题，研制 出既有流动性又有韧性的薄膜材料，用于压实度试验检测中【5 】。 3 环刀法 国内最早使用的测定路基压实度的方法就是环刀法，同时也是多种测定现场密实度 的传统方法之一。该方法主要适用于细粒土以及无机结合料稳定细粒土的压实度测试。 由于环刀法具有简便快捷的特点，所以该检测方法在国内应用较广泛。但是环刀法也存 在不足之处，由于环刀体积较小，以至于在修整环刀和称重土样的过程中会产生人为误 差，从而对检测结果产生较大的相对误差。再者在实际工程施工中，环刀在土坑内取得 的土质不同且土层较薄，所以同一个环刀内有时候会存在两种不同的土质，这样就使得 标准干容重测量不准确，而且在锤击环刀时，使压实后的土层受到破坏，改变了压实后 2 长安大学硕上学位论文 土体的结构，对于同一压实土层来说，往往都是上部松散，下部密实。所以，它的测试 准确度会受到较多因素的影响，对压实土层的破坏性也比较大【6 】。 4 水囊法 美国在1 9 6 3 年将水囊式容积测定仪正式列入工程测量标准，德国也在1 9 7 5 年正式 将水囊法检测压实度应用于施工工程中，目前这种检测方法在两国仍在使用。我国交通 行业在2 0 世纪8 0 年代曾引进这种压实度检测方法，并将其列入土工试验规程( j t j 0 5 1 8 5 ) ，后因检测技术和加工工艺等原因不能满足工程质量检测标准而放弃该方法的使 用【3 8 1 。近几年，在汲取国内外经验教训的基础上，对水囊法进行更进一步的试验研究。 该检测方法与灌砂法和灌水法相比，具有以下几个特点：( 1 ) 测试精度不受人为客观环 境因素的影响；( 2 ) 结构和操作过程都非常简单；( 3 ) 主体结构材料由有机玻璃制成，搬 运、携带方便；( 4 ) 薄壁( 壁厚为o 1 2 5 - o 1 3 0 m m ) 孚l 胶水囊在o 1 8 m 水头压力下可与试 洞内壁充分接触，保证检测结果的精度【7 1 。李小勇、冯伟凯【8 1 等在对水囊法的试验研究 过程中，针对其存在的缺点，利用其基本的工作原理进一步对气囊法进行了试验研究， 提出了气囊式容积测定仪的结构。 5 蜡封法 蜡封法通常用于测定易破裂土、沥青混合料和形态不规则的坚硬土的密实度。其中， 水中称重法主要是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的乘积 这个原理来测定物体的体积；而排水法则是将蜡封试件浸入一定体积的水中，称取到排 出水的质量即为蜡封试件的体积。以上这些密实度试验得到的只是试样的湿密度，要得 到测体的干密度，还需要对含水量进行测定【5 】，这对于及时检测现场施工质量是不利的。 综上所述，传统的破坏性试验检测压实度方法普遍都存在费时费工和有损路基的缺 点，并且工作效率很低，在当今大规模公路施工工程中，很难满足压实度质量检测控制 上的实际需要，对压实度的检测速度和检测质量都有重要的影响作用，所以，为了满足 当今公路施工工程的建设，需要发展一种简捷、快速、无损而有效的压实度检测手段， 以满足公路建设的需要。 1 1 2 压实度无损测试方法 压实度无损检测方法可以作为一种间接检测压实度的测试方法越来越受到操作人 员和研究人员的重视，无损检测方法减少了对压实路基的破坏，减少了环境因素的影响， 通过对国内外参考文献的参阅可知，目前国内外对路基压实度无损测试方法进行了大量 3 第一章绪论 试验研究，并有一些研究成果已经成功的应用到工程实际中，但是还是存在一些不足和 需要改进的地方，对无损检测法的情况介绍如下： l 核子密度仪检测法 核子密度仪检测压实度主要是利用放射性元素产生的射线与土的密度和含水量之 间的关系来确定压实度。该测试方法主要适用于粗粒土和细粒土，具有检测速度快、操 作简便等优点，近年来在高速公路施工建设中对压实度的检测中被广泛使用。各种型号 核子密度仪的工作原理和检测方法基本相同，均为利用放射性材料铯和镅测定密度和含 水量。核子密度仪虽然检测方法简便快捷，但是核子仪中的放射性物质对人体健康有害， 操作者必须配备防护用具，并且在打洞过程中会使洞壁附近的土层结构遭到破坏，从而 影响测量的准确性。对于核子密度仪法检测，可对施工控制起到一定的作用，但要与常 规的传统方法方法相比，这种方法在使用推广中还是有一定的限带l j 9 , 1 0 , 4 。 2 瑞雷波( r a y l e i g h tw a v e ) 检测法 瑞雷波法进行压实度检测主要是利用瑞雷波在分层介质中具有的频散现象和不同 波长的穿透深度不同这两种特性对压实度进行测量。其工作原理是在介质表面施加一个 恒定的瞬态激振力，土体内会产生不同频率的瑞雷面波，不同频率的瑞雷面波会反映不 同深度介质的密度变化情况，利用这种变化来间接反映压实度的变化。近几年，瑞雷面 波法广泛应用于公路工程质量检测中，达到了较好的使用效果，虽然r a y l e i g h t 波测试 方法可以达到无损、快速检测路基压实度，但是它不能对土体的含水量进行测试，因此 这种检测方法还是有缺陷的【1 1 柏】。 3 在线实时监测检测技术 在线实时监测技术主要是利用压路机振动轮与路基土材料的相互作用的动力特性 来估计压实质量的一种方法。这种检测思路首先在国外的一些研究试验中提出，并且在 7 0 年代末期已经有一些研制成功且安装在压路机上的压实仪问世并投向市场使用。中国 也在1 9 8 8 年研制成功了自己的振荡压实计。虽然路基压实度在线实时监测与控制技术 具有很多优点，也有许多机械设备投入市场，但是总的来看其研究还不太成熟，也不能 准确地给出压实度的定量值。目前，主要应用在国外的工程机械厂商如b o m a g 、d y n a p a c 、 s a k a i 等的双钢轮或单钢轮振动压路机上，且属于选用配置，价格昂贵。 4 振动测试法 1 2 , 1 3 , 1 4 】 振动测试法主要是利用向地面进行一定能量的瞬态锤击来测定路基的强度和压实 度的一种检测方法。路基路面在受到瞬态锤击后，在路基中就会产生一种冲击波或振动 4 长安人学硕士学位论文 波，通过检波器提取试验装置上的响应信号，分析其变化规律进而得到路基的强度或压 实度。目前在国内外利用瞬态锤击的方法来得到路基检测数据，主要集中在路基的强度 与压实度方面。 盛安连、顾炳其等【1 4 】率先展开对黄土路基压实度振动检测技术的研究，取得了初步 的成功。由于路基中含水量对锤击法检测压实度具有较大影响。目前国内用锤击法检测 路基压实度在考虑含水量影响的情况下研究了几种最新振动检测方法： ( 1 ) 凹陷量红外法 这种方法利用锤击路基时产生的凹陷变形与路基压实度之间的相关关系对压实度 进行检测，即路基密实度越大，产生的凹陷变形越浅，反之，凹陷变形越深。目前国内 已经成功研制出一种测量含水量的新方法一红外线烤干法，虽然该方法是一种破坏性测 试法，但效果较好，而且测量速度较快，完成一次含水量测量需要很少的时间，所以振 动测试法测量压实度经常采用该法测量含水量。 ( 2 ) 反弹位移量一电容法 当锤击土体时，锤体会产生脉冲反弹位移量。该反弹位移量与路基土的凹陷量的变 化都可以间接反映路基的压实程度，路基越密实，反弹位移量愈大；反之，反弹位移量 愈小。 ( 3 ) 频谱分析法 盛安连、顾炳其等【1 5 j 提出了利用瞬态锤击法检测路基压实度的频谱分析法，并研制 出瞬态锤击快速测定仪器对路基压实度进行无损检测。经过无数次的试验研究，终于发 现在其中一个频段内，含水量对冲击响应反应不灵敏，冲击振动响应值为路基压实度的 单元函数，只与压实度的变化有关，这一频段就叫做了s g 水滞频段。水滞频段的发 现，解决了国内外利用瞬态冲击法在不测量含水量的情况下就能定量测定压实度的难 题。 综上所述，目前国内外对路基压实度振动无损检测方法的研究主要是集中在对研究 响应信号的频域特征的分析，但是是否适用于其他的特征参量能够反映压实度的变化还 是一个未知数，还没有做定量的分析研究，并且没有对其他类型土壤做出同样的定量分 析，也不知道是否在任何含水量条件下都适用，都会有同样的结论。因此，本文将在查 阅国内外文献的基础上，运用振动波在介质中传播的衰减机理不同的原理，应用瞬态锤 击法对路基压实度振动响应信号的其他特征参量进行分析，以期得到振动信号特征参量 与压实度的定量表达式，提出控制和预测土壤压实度的综合评价方法。 第一章绪论 1 2 国内外压实度测试仪的研究现状 1 2 1 国外压实度仪的发展 国外针对振动压路机机载压实度仪进行了试验研究，有些研究成果已经应用于工程 质量控制中。本世纪8 0 年代，瑞典g e o d y n a m i c 公司率先研制成功压实度计，并申请了 专利。在本世纪9 0 年代德国b o m a g 公司研制出o m e g a m e t e r 和t e r r a m e t e r 压实度仪， 使机载压实度检测仪进入实际应用阶段，此后国际各大压实机械厂家如i n g e r s o l l a n d 、 d y n a p a c 等先后开发出自己的机载压实度检测装置。目前国外正在向智能化压实参数检 测与机器自动控制方向发展，b o m a g 推出了智多星压实控制系统，对单钢轮采用控制振 幅的v a r i o c o n t r o l 系统，双钢轮采用控制振幅和激振力的v a r i o m a t i e 系统，根据压实材 料的不同，响应信号自动调整振动参数，实现最佳压实效果【1 8 】。2 0 0 1 年秋天，北京工 程机械展览会上b o m a g 公司又推出了以智多星压实系统为控制的压实度检测系统，并 在2 0 0 2 年获得中国专利局授权，专利号z l 9 6 19 3 4 7 6 x 1 6 , 1 7 1 。 1 2 2 国内压实度仪的发展 我国从8 0 年代后期开始压实度检测装置的研究工作，一些高校和仪器厂家曾开发 了机载压实度检测仪，但由于技术不成熟和国内施工单位的不认可，并没有在国内得到 广泛应用。洛阳路威机械有限公司与河南科技大学联合研制的l w m s d 系列压实度仪使 我国在该项领域的开发工作进入实用化阶段2 2 1 。江苏某仪器厂曾开发了机载压实度检 测仪，试装在福建省三明重机厂型号为y z l 6 h 的振动压路机上，该仪器采用数码管显 示，没有应用计算机智能控制技术，尽管成本低，但在工程实践中效果并不明显【1 6 1 7 1 。 河北工业大学经过多年的研制，开发出压实度连续检测系统，该系统已安装在国内 几家振动压路机厂的进行了全面的考核，该系统使用方便、经济性好、可靠性高，该“智 能化道路机载压实检测仪于2 0 0 4 年夏获中国发明专利授权，专利号 z l 0 11 4 4 5 3 3 5 【1 6 , 1 7 。 综上所述，就目前国内外压实度仪的发展趋势来看，压实度仪正在朝着低成本、智 能化、高效率、方便使用的方向发展，如周熊，叶平等人研制的基于a t 8 9 s 5 2 的车载压 实度检测仪【3 6 】的设计。随着国内交通部门对国外无损检测标准的引进以及施工部门对检 测规程的制定，压实度检测仪必将会在公路施工和铁路施工中有用武之地。 1 3 研究的目的和意义 压实度是路基路面压实质量检测的重要技术指标之一，其检测方法的准确性和便利 6 长安人学硕十学位论文 性也会严重影响公路施工的施工周期和检测成本，进而影响公路的施工质量和服务年 限。本文基于不同密度介质的传播过程中振动波衰减不同的一般规律，对瞬态锤击法产 生的振动冲击信号进行分析和处理，找到能够反映压实度变化的显著特征参数，并应用 统计的原理找到特征参数与压实度的之间的影响规律，确定能够反映压实度变化的最佳 显著特征参数，并建立一种控制和预测土壤压实度的综合评定方法，为开发一种准确、 快速、无损检测压实度仪提供理论依据和试验依据，因此，开展压实度的快速无损检测 方法的研究具有重要的工程意义和经济效益。 1 4 本文主要研究内容 在查阅国内外压实度检测技术的基础上，分析了振动波在不同密度介质中传播时的 衰减规律，并应用瞬态冲击振动法对试验用土进行了试验研究。试验中，采用瞬态冲击 振动作为激振源对试验用土进行瞬态振动并产生加速度响应信号，利用m a t l a b 软件分 析加速度响应信号随压实度的变化规律，找到与压实度具有较好相关性的特征参数，为 研制一种无损压实度检测仪，实现压实度的快速无损检测提供理论依据。 本研究课题的内容主要分为三个部分：( 1 ) 试验总体方案的确定；( 2 ) 室内瞬态冲击 振动试验以及采集振动加速度响应信号；( 3 ) 对加速度响应信号进行分析与处理，并得出 相关结论； 1 ) 以国内外压实度测试方法的研究为基础，本试验中的瞬态冲击法是以振动波在不 同密度介质中传播时衰减快慢不同为原理的一种压实度检测方法，确定了试验检测系统 的总体结构、测量距离、信号采集方式以及试验工况等。 2 ) 室内瞬态冲击振动试验：以长安大学土槽实验室的砂性土为研究对象，配制不同 含水量的五块试验用土，对其进行振动压实，然后对不同压实度的试验用土进行瞬态锤 击试验，采集检波器上的瞬态冲击信号，同时测量土壤试样的含水量和干密度，这些数 据的测量为试验结果的分析处理提供了依据。 3 ) ) j n 速度响应信号的分析与处理：根据获得的试验数据，对加速度响应信号的特征 参数与对应的土壤压实度、含水量进行回归分析，得到加速度信号特征参数随着压实度、 含水量的变化规律，为瞬态冲击振动法检测仪器提供理论依据。 7 第二章路幕压实度的振动测试原理 第二章路基压实度的振动测试原理 2 1 振动波在介质中传播的衰减机理 从物理学的角度观察波在介质中的传播，发现除了在真空中传播时能够维持波的能 量不变，当波在其他密度介质的传播过程中时是不可能维持它的能量及振幅不变的。所 以在介质中传播时，波所带的能量总是会因某种原因或快或慢的转换成其他形式的能量 或热能而不断衰减散失掉，并且不同种类的波在不同密度介质中的衰减程度也是不一样 的。由于波同介质内部某些微观结构的相互作用，才会引起波的不断衰减，而这种相互 作用也同时导致了色散，在这种情况下，衰减和色散是具有相关性的，有时候波在介质 的传播过程中是分散了而不是真正的衰弱了。所以从宏观上讲，影响波衰减的因素较多， 折射、反射以及介质的性质、密度都会影响波的衰减特性，波在复杂介质中的衰减会比 在均匀介质中衰减要复杂的多【4 0 j 。 散体是由许多结构基本相同且各向同性的单个颗粒组成的物体。土体属于各向同性 但不均匀的散体介质，振动波在土体中的传播规律以及衰减情况均受到很多因素的影 响，并且振动波在散体介质中传播时会发生折射和反射，这就是振动能量逐渐衰减的全 部过程【1 9 】。孙业兴等通过研究振动场中波在散体介质的传播规律，并通过对波在以散体 介质为弹性介质中传播的试验研究，定量分析给出了弹性波在各向同性散体介质中的传 播速度、波动方程、波动能量的表达式，以及弹性波在各向同性介质中的能量系数和波 动方程表达式，并通过试验验证能量衰减与分层介质密度有关。在路基土壤压实的工程 实际中，振动波在压实地面上的衰减主要受场地土质和振动压路机的激振能量、激振力、 振动频率的影响，而衰减指数1 3 的大小主要与土质有关【2 0 ，2 1 ，2 2 1 。 2 2 路基压实度快速无损检测新方法 2 2 1 探地雷达测压实度技术 应用探地雷达检测压实度的工作原理是通过向地下发射高频脉冲电磁波，电磁波在 地下介质中传播时，当遇到有电性差异的物体就会产生反射，反射回来的电磁波再经天 线接收，根据接收的回波振幅、波形和双程时间等参数就可以推断出地下目标体的结构、 空间位置、电性及几何形态，从而达到探测地下结构的目的。该检测方法的关键问题在 于对介电常数模型的建立，而目前的研究应用也主要集中在路基土壤的面层和基层。 探地雷达检测法对于公路、铁路路基以及隧道等的压实质量进行无损检测测量，都 长安大学硕士学位论文 取得了较好的检测效果。一般认为，在路基中天线探测的有效深度范围为2 m l 6 m ， 完全符合压实度检测的要求，当两种介质的电性差异p r o 0 1 时，电磁波在这两种介质 的分界面上就会出现能量反射，显示两种介质间的电性差异，从而可以说介质是可辨的。 在路基断面横向位置处，如果子波在某一深度处峰值较大，则说明该处填料较为松散， 反之则说明该处填料较为密实，而子波就是组成雷达波图的主要成分。所以，在雷达图 像上显示出的反射波组，其深度的变化可以间接反映出介质层间厚度的变化程度。 探地雷达点测法进行路基压实度的检测时，只能对路基压实的疏密程度做定性分 析，并不能定量给出具体的压实质量控制数据，而且在路基验收检测标准中也没有对该 方法的测量给出具体的控制指标，所以该方法还需要进一步进行试验研究，并解决这些 问题【2 3 】。 2 2 2 剪切波法路基压实度的无损检测 剪切波在土介质中的传播速度较慢，并且波的传播速度与路基土的干密度具有显著 的相关性。通过大量的室内试验结果表明，路基土干密度与剪切波速具有显著的相关性， 在土质不同、压实度相同的情况下，测得的剪切波速数值是不相同的，所以不同土质的 干密度与剪切波速的相关回归模型也是不相同的，但是这4 种回归模型p = a + b v ，p = a + b * l g v ，p = a e b v ，p = a v b 均能较好的反映路基土的干密度与剪切波速的相关关系， 从而可以提出了一种新的检测路基压实度的方法一直达剪切波法，达到无损检测路基压 实度的目的。 在应用剪切波检测路基压实度的过程中，其中最关键的一个环节就是土的密度与剪 切波速的相关模型的确定，它是施工工程中测定路基压实度的前提标准，只有先在试验 室中对不同土质确定了二者的相关模型，才能在工程实测中实现路基压实度的快速动态 无损检测。以直达剪切波速法代替传统方法来检测路基土的干密度，进而检测路基的压 实度，是一种简便快捷，又能大面积进行检测的快速无损检测方法【2 4 】。 2 2 3 瑞雷面波法路基压实度的无损检测 瞬态瑞雷面波检测技术是国外近几年研究出的一种新的压实度检测技术。利用瑞雷 面波法检测路基压实度无损试验时，主要是利用瑞雷波的两种独特特性：( 1 ) 瑞雷面波传 播速度与介质密度之间具有相关性；( 2 ) 瑞雷面波速度在分层介质中传播时的频散特性。 瞬态瑞雷面波法检测压实度需要先求得激发的瞬态瑞雷面波的频散曲线，通过其平 均速度就可以反映出不同深度时的介质性质。通过分析频散曲线图，用拐点法或渐近线 9 第二章路基压实度的振动测试原理 法确定各个分层介质的分层界面，然后用等效半空间法计算并获得各层介质的瑞雷波波 速，再建立瑞雷面波波速与路基土干密度之间的相关关系式，从而实现利用实测的瑞雷 面波波速获得路基土压实度的检测结果。 在三灵高速公路路基压实度检测过程中，为建立干容重p 与瑞雷波速v r 的函数关 系，进行2 0 组与环刀法同点对比的试验，得出干容重与瑞雷面波波速的相关关系式 p = 0 3 0 6 v 瑚3 ( 2 1 ) 通过对瑞雷面波法与环刀法进行压实度检测的对比试验研究结果分析，认为瑞雷面 波法检测的压实度数值与应用环刀法检测的压实度数值结果基本一致，从而可知瑞雷面 波法检测压实度的测量误差较小，说明瑞雷面波法检测路基压实度的测试技术是可行 的，测量精度是可靠的。 瞬态瑞雷面波法以其快捷、无损、高精度的特点在公路工程质量检测中很快就得到 推广和应用，工程应用实例证明其检测效果较好，为新建公路和改扩建公路路基等的质 量评定提供了一种新型的无损检测压实度的方法，所以该检测方法可以进一步进行研 究，并具有较高的技术推广价值和应用价值【1 1 2 5 1 。 2 2 4 瞬态冲击法快速测定路基压实度的频谱分析法 该路基压实度检测方法的工作原理为：用一个在顶部装有传感器的钢锤，以固定高 度自由落下，给路基施加一个恒定的瞬念冲击振动能量，振动信号被事先安装在钢锤上 的加速度传感器所接收，从而获得加速度响应值( 一般用m v 级电压值替换) ，检测到的 加速度响应信号经过放大、滤波、峰值采样、a d 转换、信号分析和处理，从而得到路 基土的压实度测试值。通常情况下，当路基土压实度的压实程度不同时，土体对振动冲 击能量的吸收也是不相同的。路基土压实的越密实，土体吸收的能量就越少，传感器检 测到的加速度冲击响应信号就越大；反之，当路基土越松散，土体吸收的能量就越多， 传感器检测到的加速度冲击响应信号就越小。 当压实土体在冲击作用下，发现在低频频段内测定的压实度响应值与土体含水量的 变化无关，只与压实度的变化有关，并且加速度响应值与压实度之间是单一函数的相关 关系，而在低频频段会通常会出现水滞现象，我们就称这个频段为s g 水滞频段。试 验结果表明，用瞬态冲击频谱分析法检测路基压实度，具有较高的测量精度。当测量误 差在士1 5 以内，该方法的测量精度与环刀法和灌砂法的测量精度相差不多。用瞬态冲 击频谱分析法检测路基压实度，具有较快的测量速度。并且用该测量方法每测量一个点， 1 0 长安大学硕士学位论文 只需要2 3 m i n 的时间，比环刀法和灌砂法具有更高的工作效率。 该频谱分析方法在检测路基压实度时，只需要对土体进行瞬态冲击，不需要对土体 进行挖坑，就能获得路基压实度的响应值，从而做到了无损路基的原则。该测试方法只 需要在已经压实好的路基表面瞬态冲击一下，就能无损的检测到反映压实度变化的响应 数值，进而得到压实度的变化值，而且使压实度的现场检测简单化，大规模地提高了压 实度的检测速度。所以，瞬态冲击法是目前国内外都在研究的一种新型的无损检测压实 度的检测方法 1 4 , 1 5 , 3 7 1 。 2 3 本章小结 本章详细分析了振动波在不同介质中传播时的衰减机理，并对目前国内外快速检测 路基压实度的新方法的测试原理、优缺点以及适用场合进行了详细的分析，其中发现瞬 态冲击法是目前国内外研究较多的一种无损测量压实度的新方法，并且用该法检测压实 度也取得了较好的效果，也在广泛的推广使用中，需要为进一步研究瞬态冲击压实度仪 提供理论基础。 第三章路基压实度的振动试验研究 第三章路基压实度的振动试验研究 3 1 瞬态冲击振动测试方法 采用一定质量的钢锤在已经压实好的试验用土上以固定的高度自由落下，这时钢锤 以恒定的能量使土体受到瞬态冲击作用，即时在土体中产生一种瞬态振动冲击波，被事 先安装在距锤击点一定测量距离的地面上的加速度响应信号采集装置所接收，获得加速 度响应信号，保存在计算机中，进一步对加速度响应信号的时域波形图进行分析和处理， 找出能够反映压实度变化的显著特征参数，并间接得出特征参数和压实度之间的定量计 算公式，间接计算压实度的数值。根据振动波在不同密度介质中传播时的衰减速度不同 的原理可知，当路基土的压实度越大，振动波在土体的传播过程中，土体对振动波能量 的吸收就越小，反射回去的振动能量也就越多，振动波在垂直方向的衰减也就越慢，所 得到的加速度冲击响应值就越大，衰减距离也就越远；反之，当路基土压实度越小，振 动波在土体的传播过程中，土体对振动波能量的吸收就越大，反射回去的振动能量就越 少，振动波在垂直方向的衰减越快，则得到的加速度冲击响应值就越小，衰减距离也就 越近。所以，在一定测量距离上进行瞬态冲击振动试验，获得振动加速度响应值与试验 用土的压实度变化之间存在着较大的相关性，通过对加速度响应信号的分析和处理，从 而获得加速度响应值与压实度之间的变化关系式。 3 2 试验方案设计 3 2 1 路基压实度振动试验方案总体设计 在试验用土被振动压路机压实到一定程度时，利用瞬态冲击振动试验的基本原理， 在与振动源一定测量距离的位置上安装加速度响应信号采集装置，通过加速度传感器测 取振动加速度响应信号并保存在计算机中，通过对振动加速度响应信号的分析、处理与 比较，确定能够反映试验用土压实度显著变化的特征参量，并确定土壤压实度同测量加 速度响应信号的特征参量之间的函数关系，给出相关的定量计算公式，确定振动源和信 号采集装置之间的最佳测量距离范围，并找到能够显著反映压实度变化的最佳特征参 数。振动试验过程中需要注意的主要试验控制条件主要包括：试验用土的含水量、试验 用土的压实度、信号采集点与振动源之间的测量距离以及采集点与采集点之间的测量距 离。振动试验方案示意图见图3 1 。 1 2 长安 学硕学位论文 1 重锤：2 导向套：3 土样；4 加速度传感器；5 数据采集仪 图土1 路基压实度瞬态冲击振动试验方案示意图 3 22 信号采集方式的选择 根据国内外的文献资料可知，加速度信号测量方式有无损检测和有损检测两种方 式，其中，有损检测方式对试验用土的压实层有破坏作用，改变了土体被压实后的土层 结构，影响压实测量结果；而无损检测方式需要信号测量装置与试验用土紧密接触，否 则加速度传感器采集到