（安全技术及工程专业论文）基于DSP的便携式压实度实时检测系统.pdf

! e 塞銮垣盔堂亟堂鱼j 金毫旦s 至垦至 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e mo fh i 曲w a yb u i l d i n g ，m o r er e q u i r e m e n t sa r e i i l l p o s e do nt h ec o m p a c t i o nd e g r e eo fs o i l d 谢n gt l l ec o n s t r u c t i o no ft h er o a d b e d ， m a l l ya d v a i l c e dm a c h i n e sh a v e b e e nu s e d ，w h i c he 血a n c et h es p e e do ft h er o a d c o n s 虹u c t i o n s ot h ed e m a l l d so f t h es t a l l d a r do f m e c h a n i z a t i o nc a i l tb es a t i s f i e dw i t hb y t h et m d i t i o n a lw a y so fc h e c 虹n gs o i lc o 1 p a c t i o n s oi t sv e r yi m p o r t 锄tt od e s i g nm e e q u i p m e l l tw h i c hc a l lc h e c k sm ed e g r c eo fs o i lc o m p a c t i o nc o n t i n u o u s l ya 1 1 de x a c t l y t h e r ew i l lb ef e a tp r a c t i c a ls i 印诵c a n c ei nm o n i t o r i n gt h eq u a l i t yo fs o i lc o m p a c t i o n t h i s 缸i c l ea 1 1 a l y s e st h es o n so fs o i la n dt h em e o r yo fc o m p a c t i o nf i t s t l y ， c o n s i d e r i n gt h et 1 1 e o r yo fv i b r a t o r yr o l l e b ya n a l y z i n gt h em l l e r - s o i ls y s t e m ，t h e ma _ c h e m a t i c a lm o d e lw i mm e 柳。一舶e d o md e g r e es y s t 锄h a sb e e ne s t a b l i s h e d t h e r e l a t i o nb e t w e t h ed e g r e eo fs o i lc o m p a c t i o na j l dv i b r a t o r ya c c e l e m t i o ni sm e f b u n d a t i o no f m e a s u r em e t h o d s s e c o n d l y ，t h es y s t e mo nt l l eb a s i so fd s pe m b e d d e ds t a l l d a r dm o d u l a rh a sb e e n d e s i 弘e d a l s oc a n b u sc a nb ee x t e l l d e dt or e a l i z et h ec o l l e c t i o n ，咖n s f e ra n dd i s p o s a l o f v i b r a t o r ys i 辨a l sa n dv e l o c i t ys i 伊a l s t h es o 脚a r eo f m es y s t e mi sd e v e l o p e do nt h e c i r c l l n l s t a n c e so f s u a lb a s i c6 o ，s ot t l es o 脚a r es y s t e mi si i s 昏缸e n d l y t h e 如n c t i o n s o f ( l a t as t o r a g e ，d i s p l a ya n dp r i n ta r er e a l i z e d t 1 1 es c h e m eh 勰b e e i lp r o v e df b a s i b l eb yt 1 1 et e s t i n g 粕de x p 舐m e n t s t h es y s t 锄 a l s oh a sb e e nt e s t e di n 也el a b o r a t o r y nc a na c l l i e v eb a s i c a l l ym et 硒ko fc h e c k i n gt h e c o m p a c t i o nd e 伊e eo f t h es o i l j l ( e y w o r d s ：d y i l 锄i cm o d u l u so fd e f o m a t i o n ；d s p ；c a nb u s ；s c i ；b r a t o r y a c c e l e m t i o n ；v 毫l o c i t y 致谢 本学位论文是在导师谭南林教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。谭老师严 谨求实的科研态度、执著追求的敬业精神、敏锐的洞察力以及平易近人的工作作 风，无不使作者深受启迪，并将永远铭记在心。几年来，谭老师不仅一直对作者 的课题研究和学位论文进行了精心指导，而且对本人的学习生活都给予无微不至 的关心。值此论文脱稿之际，谨向导师表示衷心的感谢和深深的敬意。 在课题研究和论文撰写过程中，也得到了本实验室苏树强、焦风川和张乐乐三 位老师的具体指导和帮助。他们给了我很多建议，积极为我创造实验条件，才使 我的论文工作顺利完成。在课题的技术难点上，苏老师进行了有益的指导，为作 者完成课题和学位论文起了很大的帮助。在此向他们表示感谢。 在攻读硕士的两年半里，实验室的各位同学也在日常工作和学习中给了我极大 的鼓励和帮助，他们是邢然、杨亮、刘建伟、牛涛、李响、张勇、周长涛等，同 专业的高小明、李继洪、王阳、田苗苗等也提供了许多帮助，在此一并表示谢意。 另外，父母和亲人在漫长的求学历程中给予了作者最大的理解和支持，以及 无限的关怀和奉献，值此学业完成之际，特向远方的父母和家人表示深深的谢意 和衷心的祝福。 最后，向所有关心和帮助过我的朋友表示衷心的感谢! 韭裹窑适盔堂亟堂鱼j 坌塞呈l 直 1 引言 1 1问题的提出 压实是道路施工作业的一个重要组成部分，压实质量对道路的安全与寿命有 着决定性的影响。有效的压实能够显著的提高路基的承载能力和稳定性，防止渗 透，消除沉陷。 压实度是反映压实质量好坏的重要指标，其检测的准确性及实时性对工程质 量的控制至关重要。 实践证明，以高标准进行路基的压实，是保证路基应有强度和稳定性的一项 最经济有效的技术措施。 沥青混合料面层的旖工压实度是指按规定方法采取的混合料试样的实际密度 和标准密度之比，以百分率表示。压实度用k 来表示，按下式来计算： k = p s p o 1 0 0 ( 1 1 ) 式中k 沥青路面层某一测定部位的压实度， p 拿一由试验确定的芯样，g ，c m 3 p o 一沥青混合料的标准密度，g c m 随着路基施工机械化水平的大幅度提高和先进的装运、摊铺、压实机械的使 用，路基填筑速度不断提高，采用传统的压实质量检测方法往往难以满足及时指 导施工的要求。 由于振动压路机的压实功能强、激振力大、工作效率高、有效的压实程度大 等特点，振动压路机已广泛用于路基填土和其他多种路基、路面材料的压实作业， 可以说振动压路机是目前在路基压实作业中应用最为广泛的压实设备之一，但与 之相匹配的压实检测系统尚显落后。 为此，国内外都在研究如何进行连续、准确的压实度检测设备，达到对路基 压实质量的进行全面监控的目的。国内外车载式压实度仪，大都是通过检测安装 在振动压路机振动辊上的加速度信号来分析、计算压实度，只是计算的方法和后 续的显示设备、显示方式不同。 1 2国内外压实度检测方法现状 国外在道路工程中非常重视对路基路面的合理压实与压实度检测。西欧瑞典、 韭塞至迪盔堂亟堂僮论塞i 宣 西德等国家从2 0 世纪7 0 年代就开始研究利用振动轮震动加速度在压实时的变化 规律，并寻找判定路面压实的各种方法。 德国b o m a g 公司的r e i i l l l a r d 尉r s c l l i l e r 根据压实过程中作用力的平衡关系， 提出通过测量振动加速度传到压路机上的有效压实功率来判定压实度大小的方 法。 1 9 7 1 年，k c r r i d g e 研究发现，振动轮在振动时轴心的运动轨迹接近于一椭圆 曲线，并且椭圆的长轴随压实遍数的增加而变长，因而提出了用椭圆长轴的变化 来判断压实度大小的理论。 多年来国外很多厂家和科研机构一直在根据相应的压实度检测原理研制检测 压实度的仪器。市场上压实度计的主流产品是德国的b o m a g 公司和瑞典的 g e o d y i l 锄i k 公司生产的。1 9 7 8 年，瑞典g e o d y n a n l i ka b 开发公司与d y i l a p a c 公 司合作，根据振动压路机的振动轮在压实过程中的动态相应，提出了以加速度的 二次谐波与基波的比值来判定压实的方法。在以后的十年中，b o m a g 公司与 g e o d y n 锄i k 公司经过不断完善和改进，推出了各自的压实度计“1 。 我国对压路机压实度计的研究要晚于国外。1 9 8 5 年以来，国内一些研究机构 和厂家对机械式压实度计进行了研究，并在九十年代初期分别开发了几种类型压 实度计。有代表性的压实度检测仪归纳起来大致有三种形式：由东南大学、徐州 工程机械厂、宝应四明仪器有限公司三家合作研制的s m c 一9 6 0 a 密实度测量仪； 水利水电科学研究院研制的y s 1 型压实度计；苏州交通设计研究院和江阴交通工 程机械厂联合开发的m s v l o o 压实度比较仪。 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 密实度测试仪由传感 器、测量分析仪、数据采集器和打印机等四部分组成。s m c 9 6 0 a 是通过加速度传 感器检取压路机振动轮上的振动信号，并转换为电信号，经放大电路放大后送入 滤波电路。两个滤波器分别将信号中的基波和二次谐波分量选出，并且各自经过 交直线性转换和压频转换。在经过除法电路由计数器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s m c 一9 6 0 a 一样，即利 用谐波与基波的比值反映土壤密实度的大小。所不同的是y s 。1 压实度计在进行数 据处理时，采用了去平均值的方法。同时，根据振动压路机振动频率的工作范围， y s 1 型压实计设置恶劣“频率选择”开关，以满足不同振动频率的工作要求“1 。 苏州市交通研究所研制开发了m s y 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 2 j e 立窑遒盔芏亟堂焦i 金塞 i 宣 土壤的压实程度。 1 3主要研究内容 本课题来源于铁道建筑研究设计院高速铁路路基模量测定仪与压路机械集 成系统测定仪部分总体设计。 在学习国内外压实度测量技术的基础上，采用新型d s p 芯片作为主处理器， 实现压实度的连续快速检测，并提高压实度检测的实时性和准确性。 本论文主要的研究内容包括： ( 1 ) 比较全面地分析了现有压实度检测方法，分析“压路机一土”系统模型， 总结加速度信号与压实度的关系，为硬件系统设计和软件编程提供理论支持； 【2 ) 针对检测信号研究了相应的算法，采用f f t 进行信号处理，并针对 d s p 2 8 1 2 进行软件编程实现； ( 3 ) 设计了基于d s p 的硬件系统，并对硬件系统进行调试； ( 4 ) 在上位机上设计了基于v b 语言应用界面，方便施工人员对压实度进行直 观、方便的控制； ( 5 ) 设计基于d s p 的信号发生装置，模拟实际信号，并利用m a t l a b 软件，在 实验室完成压实度检测系统安装测试。 本文所设计的系统是为提高工作效率和工作准确度所设计的，是铁道建筑研 究设计院和北京交通大学交通安全与人机工程实验室合作的高速铁路路基模量测 定仪与压路机械集成系统测定仪部分总体设计科研项目。 j e 塞坌适丕堂亟土堂焦j 金塞 基王旦s 趁便夔式压塞廑拴捌这遮盐堡迨基垂! | 2 基于d s p 的便携式压实度检测仪设计理论基础 2 1 压路机压实度检测仪集成系统 2 1 1 压实度检测仪集成系统示意图 图l 一1 总体布置图 f i g 1 lt o t a ld e c o r a t i o nd i a g r a m 加速度传感器连续检测振动压路机振动棍上的加速度信号，该信号经放 大器放大、滤波后送入安装在压路机驾驶室内的模量测定仪进行数据处理。 落锤机构包括承载板、落锤、导向杆、提升机构及测振传感器等。落锤 仪的落锤自由下冲击路基面产生的冲击信号，由模量测定仪检测，并由此计算动 态变形模量e v d 值( m n m 2 ) 。落锤仪用于路基碾压到一定程度后，定点、准确 检测路基的动态变形模量e v d 值。 速度传感器一检测压路机的运行速度，模量测定仪根据检测的速度信号计 算出压路机所在位置的里程。采用速度传感器的目的是为了得出检测的模量值在 路基上对应的位置。 移动p c 一安装在压路机驾驶室，包括一台移动p c 、打印机等。独立采集 并处理振动棍上的加速度信号和落锤仪的冲击信号，显示、存储并打印检测结果。 2 1 2 压实度检测仪的工作原理与影响因素 4 j e 夏窑适太堂亟堂僮迨塞 基王坠s 鲍堙握式压塞廑拴巡值遮让堡诠基地 信 号 调 理 电 路 d 转换 模块 图1 2 便携式压实度检测仪工作原理图 f i g 1 2w o r l ( p r i n c i p l eo f t h ep o n a b l ec o m p a c n o nd e g r e ee x 卸血i l a t i o ni m t n l m e n t 在本系统中，采用d s p f 2 8 1 2 实现压实度检测仪的信号采集和部分信号处理的 功能，上位机一般采用一台移动p c ，实现数据的存储、打印和显示。为了节省硬 件资源，通过采用多路开关实现了硬件的复用。 由于振动压路机的工作环境影响，振动加速度信号的准确测量比较困难，存 在大量的干扰和噪声。首先是机械本身对测试结果的影响，如轴承的磨损、压路 机的激振力、振幅和行驶速度等；其次是被碾压的土体对测试结果的影响，如填 料的类型、土的含水量、填料的级配、路基面的不平整或倾斜等。因此采用了相 应的信号调理电路，并在后续的信号处理过程中考虑了这些因素的影响。 2 2 土的基本构成、分类、压实特性及压实度 2 2 1 土的基本构成 土是由岩石经过物理和化学风化作用后的产物，是由各种大小不同的颗粒组 成的分散体。并且由于颗粒成份的不同及其组织方式的不同进而可划分成不同的 类型。在通常情况下，土在外力作用下会表现出不同于其它一般固体或液体材料 的特征。 在一般情况下，土是由矿物质颗粒、空隙和充满部分空隙的水组成，也就是 说土是由固相、气相和液相组成的三相体系0 1 。如图2 1 所示： s j b 立銮适盍堂亟堂焦诠塞基壬旦s 的俚毽基压塞廑捡型丛选让垄诠基趟 图2 1 图的构成不意图 f i g 2 1c o m p o s i n go f e a 吡 ( 1 ) 土的固相组成部分 土的固相组成部分包括无机矿物质颗粒，包括石英、云母、长石及它们经过 反应形成的氧化铁、氧化铝、次生二氧化硅、粘土矿务、碳酸盐等；有机物一部 分是因风化过程中微生物的参与形成的，如腐殖质矿物，另一部分来源于动植物 残骸等有机残余物。 ( 2 ) 土的液相组成部分 土的液相组成部分指在土的固相物质孔隙中存在的水。土中的水由于溶解了 许多矿物，是一种成份十分复杂的电解质水溶液，与土颗粒之间有着复杂的相互 作用。土中的水根据与土固体颗粒的作用形式可分为结合水和自由水。另外，还 可能有气态水和固态水，他们的作用和液态水不同。土中含水量的大小及土中水 与固体颗粒的作用形式对土的压实由很重要的影响。 ( 3 ) 土的气相组成部分 土的气相组成部分主要指在土的孔隙中充满的空气。其成份与大气的区别主 要在于c o ：、0 ：及n ：的含量的不同。土中空气的o ：含量较小，而c o ：与n ：较多。 土中的气体可分为与大气连通的和不连通的两类，其中后者对土的力学性质影响 较大。 2 2 2 土的分类 瑞典专家l a r s f o r s s b l a d 推荐一种与土的压实有关的土的分类系统( 表2 一1 ) 。 土的粒径级配是影响压实效果的重要因素之一。只含有一种粒径的材料，用现有 的压实方法无法提高其压实效果。为了达到高的压实度，必须用小颗粒填料填满 6 韭塞趸煎盔堂速堂焦监塞基王旦笪堙煎嚣压塞廑拴测这毽盐垄诠基趟 被压实材料大颗粒之间的空隙。这意味着有各种各样粒径颗粒组成的材料，经过 压实才能得到满意的压实度。 表2 1 以压实性能为标准的土的分类法 i 岩石填方和带有大石头及石块的粒状 i i 砂和砾石( 粒径小于o 0 6 m m 的材料不到5 l o ) a 良好级配；b 均匀级配 i粉沙、粉质士a 粉质砂、粉质砾石 b 粉砂和砂质粉土、死砂士、带士砾石 粘土a 低或中等强度粘土( 无侧限压缩强度 0 2 m p a ) 瓣瓣 图2 - 2 土的级配示意图 f i 粤2 2d i a g r a mo f s o i lc l 鹅s e s 该项目的压路现场有四种土类型：细粒土、粗粒土、碎石土和级配碎石。在 人机界面中需要用户进行相应的设定。 2 2 3 土的压实特性 以相同的压实方法压实不同含水量的同类土，得到不同的压实结果。这说明 含水量是土压实效果的一个重要影响因素，被压实土的最佳含水量是用葡氏 ( p f o c t o r ) 试验测定的，其试验方法是将土样配成不同的含水量，在标准击实仪上击 实，然后测出相应含水量的干容度，在直角坐标上绘出含水量和干容量之间的关 系曲线( 图2 3 ) ，该曲线被称为击实曲线“1 。击实曲线上干容量最大的点相应的含 水量值为最佳含水量。 7 韭夏窑望丕芏亟堂僮丝塞 基王坠数便堡嚣匿塞廑捡型丛递让堡垒基碹 鞋 鞋 i ! 湫 砾石、 砂、 m 和一 1 t ，7 、 。： ，一一忒 ”专i ， 、电 i 们l、 l 05l o1 52 02 53 0 古永置， 图2 3 土的击实曲线 f 唔2 3c u r v eo f t h es o i lc o f n p a c 虹o n 不同性质的土的最大干密度及最佳含水量也不相同。粘土最佳含水量绝对值 较高而最大干密度绝对值较低，压实性能差。亚砂土和亚粘土的压实性能较好， 最大干密度的绝对值较大。砂石颗粒大呈松散状态，水分易于散失，因而最佳含 水量的概念对它没有多大实际意义。 当土的含水量较低时，土中的颗粒间的摩擦力和内聚力抗拒压实。含水量上 升到最佳含水量附近时，土逐渐容易压实在一起。若含水量继续升高，土的最大 干容量反而降低。 上述击实曲线所反映的变化说明土压实性的复杂，其内在机理解释或者所谓 压实理论尚在发展中。由于有些影响因素无法或难以测定，以致自普罗特在三十 年代提出水膜润滑理论至今，虽然已作了一些有一定实用意义的推理，但还没有 公认的完整的压实理论。到七十年代经过学者们不断研究和探索，基本上认为土 的压实特性同土的组成与结构、土粒的表面现象( 即物理化学性质及其现象) 、毛 细管压力、孔隙水和孔隙气压力等均有关系，所以因素是复杂的。但可以这样简 要地理解：压实的作用使土块变形和结构调整以致密实。在松散湿士的含水量处 于偏干状态时，由于粒间引力( 可能还包括毛细管压力) 使土保持着比较松散的 状态或凝聚结构，土中孔隙大都相互连通，水少而气多，在一定的外部压实功能 作用下，虽然土中孔隙中气体易被排出，密实可以增大，但由于水膜润滑作用不 明显以及外部功能也不足以克服粒间引力，土粒相对移动便不显著，因之压实效 果比较差：含水量逐渐增大时，水膜变厚、土块变软，引力也减弱，施以外部压 实功能则土粒移动( 加以水膜之润滑) 而挤密，压实效果渐佳；在最佳含水量附 近时，虽然土中孔隙更少连通或不连通，孔隙中的气和水处于封闭状态而不能排 出以及击实时土内产生的孔隙水压力和孔隙气压力虽然也降低了压实功的作用， 但试验结果却表明，这时土中所含的水量，最有利于土粒受击实时发生相对移动 使土密实，以致能被击实至最大干容量，也就是说在最佳含水量时土的密度达到 了该压实功能下的极限值，干容量不再提高。当含水量再增加到偏湿状态时，孔 8 j e 基銮亟盔堂亟堂僮途塞 基王旦s 的馕毽式压塞廛捡型这超让堡途基碴 隙中出现了自由水，击实时不可能使士中气体排出而孔隙压力却更为显著，抵消 了部分击实功，所以击实功效反而下降。这样就出现了右段的击实曲线所示的干 容量下降的趋势m 。 由上述可见，构成土的压实特性变化的外观因素主要有三：土类、含水量( 反 映土的原始物理状态) 和外部击实功能大小。这三者的不同组合与作用通过土的 颗粒变位，结构调整，引力和孔隙压力( 包括水和气) 的作用等内在因素表现出 不同的结果。 2 2 4 土的压实原理 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，土的 颗粒产生运动并重新组合，强迫排出积在颗粒问的空气，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。 目前，虽然积累了许多土的压实实践经验，许多学者也进行了大量的土的压 实试验研究，并取得了许多可喜的成果，但距土的压实理论的完成仍相差很远。 图2 4 压实的三种方法 f i g 2 - 4n 巩ec o r n p a c t i c l n m e 血。出 土的压实可归纳为三种不同的压实原理：静作用压实；冲击压实；振动压实。1 。 ( 1 ) 静作用压实 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 地目的。但是，仅依靠静载荷压实土，颗粒之间的摩擦力也增加。因此，静作用 压实，有一个极限的压实效果和影响深度，无限的增加静载荷，也不能得到相应 的压实效果，反而会破坏表层土的结构。 9 黝星移 占暑 觚里 j 宝窑道丕堂亟堂焦迨塞基壬坠s 笪埋塑式匿塞廑拴型邀遮让堡诠基碹 ( 2 ) 冲击压实 冲击夯是利用自由落体产生的冲击力进行压实工作。当冲击夯与土的表面接 触时，冲击力产生压力波传入土中，使土的颗粒运动以至密实。冲击载荷的影响 深度比静载荷的影响深度要大得多。所以，冲击压实比静作用压实的压实效果好。 现在在公路篪工中已经越来越多地应用了冲击式压实机。 ( 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，土处于容量尽量小的状态。 2 2 5 压实度的概念 在实验室中，用葡氏实验法测得最佳含水量及相应的最大干密度& 一，现场 作业过程中测得实际干密度艿m 。后者与前者比值的百分数，被称为压实度1 。压 实度的计算公式如下式 艿：粤1 0 0 ( 2 1 ) 西。 、7 压实度是压实程度的重要标志，是检验土石填方压实效果普遍采用的检测指标。 由于测量的方法各有不同，因此，在不同的系统中又有不同的压实度的表示方法。 本系统在定点测试时用动态变形模量值来衡量压实的程度。在原理上，变形 模量比密度实验更能体现基层，底基层或路基的强度。弹性模量与密度之间有良 好的关系。室外动态试验分析材料动态模量的方法主要有两类：一是基于弯沉的反 算方法；二是基于应力波的反算方法。前者能够模拟路面实际荷载的作用型式和大 小，且以反映路面结构整体强度的弯沉作为路面结构的响应参数，易于理解和接受， 因此是目前国内外使用最广的方法，其代表的试验仪器是落锤式弯沉仪( 即落锤 仪1 。 e v d 即“动态变形模量( d y i l 锄i cm o d u l u so f d e f o 衄a t i o n ) ，是指土体在一定大小 的竖向冲击力f s 和冲击时间t s 作用下抵抗变形能力的参数。它由平板压力公式 臣d = 1 5 r x 盯s( 2 - 2 ) 计算得出。其中 e v d 动态变形模量( m p a ) ；r 一圆形刚性荷载板的半径( i m ) ，1 5 0 r r u n ： 盯荷载板下的最大冲击动应力，它是通过在刚性基础上，由最大冲击力 f s _ 7 0 7 k n 且冲击时间t s = 1 8 m s 时标定得到的，即盯卸1m p a ： l o j e 立銮道太堂亟堂焦途童基王坠s 笪僵塑式匡塞毽捡型丛邀盐堡迨基亘| ! | s 实测荷载板下沉幅值，即荷载板的沉陷值( m m ) ； 1 5 荷载板形状影响系数。 因此实测结果采用公式e v d = 2 2 5 s 计算。 2 3振动压路机的数学模型及运动方程分析 2 3 1振动压路机的工作原理 在系统施工中采用y z 2 0 型振动压路机，y z 2 0 型振动压路机为全液压振动， 双频双幅，低频高幅适用于超厚铺层及艰难压实作业，高频低幅适用于一般铺层施 工因而扩大了其使用范围。在高速铁路路基压实的过程中，针对上面提到的四类 土，细粒土和粗粒土应该使用高频低幅，碎石土和级配碎石应使用低频高幅。 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。 龌动 凰 圈2 5 振动压路机模型 f i g 2 5m o d c lo f m ev i b r a t i o nm a c h i n e 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，土处于容量尽量小的状态。 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 不多产生和持续扩散。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力进入到动摩擦 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 北立銮道盔堂亟堂僮丝毫基王坠鳆埋萎式廷塞鏖蝗型丛途盐堡迨基熊 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了“。 如果以e 表示土的压实度，e 与振动压路机的振动参数和工作参数有下列函 数关系 一 1 e = ，l ( 凡) + ，2 ( = = ) ( 2 3 ) y 式中p i r 一振动压路机械振动轮的线载荷，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，r a d ，s ； y 振动压路机的工作速度，l n s ； 为了克服土颗粒之问的粘聚力和吸附力，振动压路机必须有足够大的线载荷 p l 和振幅a 。线载荷越大，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，也就越容易破坏土的颗粒之间的粘聚力，使土容易被压实。 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”的振动系统的二阶固有频率时，土的颗粒运动加速度增高，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。 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、干砂和水饱和砂等其 内部摩擦阻力几乎为零。因此，这些物料在“液化”状态下仅需要振动就可以达 到完全密实的效果。瑞典d y i l a p a c 公司使用图2 6 所示装置，研究在振动状态下物 料内摩擦阻力矩的变化情况。采用这种装置分别测试了不同物料在不同物理状态 下的振动与非振动时的摩擦阻力矩。 图2 6 物料内摩擦阻力澳4 试仪 f j g 2 - 6m a 硎a l i i l s i d cn l bm e 地s i s 伽l c et e s ti 1 1 s 劬l n 瑚t 1 2 拙塞銮适太堂亟堂鱼诠窑基王旦的便握式廷塞廑捡捌这途过堡迨垂互| i 测试结果显示，对于粘聚性很小的物料，如干性水泥、干砂和水饱和砂等在振 动状态内摩擦阻力几乎等于零。因此，对于这些材料，只要满足一定的振动加速 度要求，就完全可以通过振动达到自彳亍密实的效果。对于粘性较大的土，在振动 状态下，内摩擦阻力虽也有十分明显的下降，但仅仅通过振动是不足以使这种物 料达到密实的。为了使其密实，还必须施加一定的正压力。同时，还要有足够大 的振幅，以克服土的抗剪切强度和土的颗粒之间的粘聚力和吸附力。这说明，两 台振动参数相同的振动压路机，振动轮的线载荷越大，压实效果越好“。 2 3 2 振动压路机一土数学建模 为了使振动压路机的数学模型尽可能与实际工况相吻合，数学模型应力求简 化，使数学计算方法简单易行。在分析数学模型之前，要对模型中有关参数和条 件进行假设： 假设上图所示的被压实土壤具有一定刚度的弹性体，其刚度为1 ( 2 ，阻尼为线 性阻尼c 2 ； 振动压路机的机架、振动轮的质量简化为具有一定质量的集中质量块，机架 为m 1 ，振动轮为m 2 ； 振动压路机工作在任何一瞬间，振动轮都保持与地面的紧密接触。 经过以上简化，“振动轮一土壤”系统的数学模型建立如图2 - 7 “1 。 图2 7 振动轮一土壤系统数学模型 f i g 2 7m a l e m a t i c a lm o d e lo f v i b 髓t o r yr o l l 柚de a 曲 其中x 机架瞬时位移( 瞬时振幅) ； x ，振动轮瞬时位移( 瞬时振幅) ； m 机架质量；m ，振动轮质量； k 减震器刚度；k ，土的刚度； 1 3 j e 塞銮逼太堂亟堂焦监塞 基王q s 鲢便选嚣匿塞廑捡型垡亟让墨盈基碴 c 。减震器阻尼：c ：土的阻尼； f 0 激振力；国工作频率( 角频率) 。 2 1 3 - 3 振动压路机一土系统运动方程 m x + c z + 必x = f ( 2 4 ) 式中：m = _ ： ；c = 三。乏 ；k = 二志 ；，= k 。：研 。 式中： 矗= m 。2m 。偏心块的静偏心力矩； m = ，孙r 胄；丝= 7 0 ，；巧偏心力；，偏心块的偏心距。 对于线性非时变系统，激振为谐振力时，微分方程式( 2 4 ) 的解是： 铲日牌卜= 届麟r ， 式中 4 = 南；马= q 国= 易；4 = 墨一聊。矿： c = 历2 ，碍口4 一埘2 岛2 一m l 屯国2 一q c 2 国2 + 岛也朋1 墨2 d = 七2 c l 扛+ 七l c 2 d 一掰2 q 国3 一臻l c 2 3 一挪1 c t 3 无阻尼状态下振动系统的一阶、二阶固有频率( 角频率) q 、哆分别为： q = ( 鸭墨+ 玛屯+ 玛毛) 一妖元i 石甭j i 丙f = 而磊丽 ，2 m _ ( 2 - 6 ) 她= i 帆毛+ m 岛+ 啪) + 厄而再丽两丽l 弛伤7 ) l lj 因加速度口2 = 而，故加速度的幅值为 耐冗 兽器 i ， 根据式( 2 8 ) 用数值法可以拟和出压实度随墨和g 的变化趋势。 首先给定除足：外其它参数的值r 而给k 由小到大一系列值，这样就可以得到 加速度幅值随增大的变化趋势。用同样方法可以计算出加速度幅值随c 2 的变化 1 4 j i 峦套适太兰亟土堂焦迨塞基王旦s 筮僵透嚣压塞廑捡型焦途盐堡诠基型 趋势，计算结果如图2 8 。在实际压实的过程中，随着压实的进行，土的刚度丘增 加，土的阻尼减小。随着土刚度的增加，压实轮加速度幅值增加，随着土阻尼的 减小，压实轮加速度幅值增加，也就是说，随着压实工作的进行，加速度幅值在 增加， 图2 8 加速度随k 。c 变化趋势图 f i g 2 - 8c u n r eo f a c c e l e r a n o nc h a n g i n gw i _ i l lk a i l dc 具有两个自由度的“压路机一土”的模型是可信的。它既有与实际情况相符 合的特点，又具备了在数学上便于处理的特点。但是在般情况下这个模型还只 能用于定性分析，其原因是： ( 1 ) 被压实材料的物理特性具有很大的随机性。同一种材料由于被压实时的 初始状态、环境温度和湿度不同，其物理特性有很大的区别。另外，随着压实遍 数的增加，被压实材料的刚度、阻尼也随之变化。但是，在进行理论分析时，把 土简化成具有一定刚度和一定线性阻尼的弹性体。这样的简化与假设，必然导致 理论分析结果存在一定误差。 ( 2 ) “压路机一土”的模型中，假定振动压路机的振动轮在工作时与地面保 持紧密接触。事实上，振动压路机进行压实作业时，特别是压实较密实的路基时， 振动轮往往发生跳离地面的现象。 ( 3 ) 振动压路机工作时是一个多自由度的振动系统，为了计算方便而简化为 具有两个自由度的“压路机一土”的模型，在这个模型中，把振动压路机的机架、 振动轮简化为具有一定质量的集中质量块，这些处理方法也必然给理论分析带来 一定误差【旧哆 2 。4振动压路机加速度信号与压实度的关系 2 4 1振动加速度信号与土壤刚度的关系 通过分析振动压路机的数学模型，可知振动压路机振动轮对地面作用力只的 韭塞銮道太堂亟堂焦诠塞基王旦里的僵蕴式匿塞廑拴鲴邀遮盐堡i 盆基地 大小不仅与振动压路机本身的振动参数有关，而且也与被压实土壤的刚度屯和阻 尼c 2 有关，c 可表示为： 只= ( 如屯) 2 + ( 岛：) 2 j ( 2 9 ) 从式( 2 9 ) 中可以看出，振动压路机对地面作用力只是土的弹性变形量七2 而和 土的阻尼力c 2 屯的矢量和。所以振动压路机对地面的作用力大小与土壤的物理特 性有着密切的关系。同一种土在相同含水量下，采用相同型号振动压路机和压实 方法碾压时，土壤的刚度由小到大逐渐增大，土层对振动轮的反力逐渐变大，振 动加速度信号的正弦波逐渐畸变，反力越大，土壤刚度越大，加速度畸变变得越 严重。 2 4 2 振动加速度信号与压实度的关系 大量的施工实践表明，振动压路机进行压实作业时，振动轮的振动加速度与 被压实材料的压实状态有着密切的关系。地面材料呈较松软的弹性状态时，振动 加速度信号呈有规律的正弦波状态，随着碾压遍数的增加，路面的刚度也随之逐 渐增加，振动轮的振动加速度也增大。然而，当压实遍数增加到一定程度以后， 振动轮加速度信号将产生畸变，不再呈原来的正弦规律。而且，振动加速度的数 值也明显降低，甚至出现负增值。当振动轮的振动加速度增量明显减小，甚至为 零时，说明振动压路机在这种特定条件下，其压实能力已充分发挥完毕，压实工 作结束。因此可以通过对振动压路机振动加速度信号的采集、分析、处理来反映 土壤的压实程度。 通过加速度来测定压实度的方法有很多，大致有以下4 种“”： ( 1 ) 比值法：该方法又称为谐波分析法，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，检取振动激励的系统相应信号，通过滤波器和f o u i i e r 变换， 用二次谐波与基波的比值来反映压实的程度，也可以用二次以上谐波的加权平均 值与基波的比值来反映压实度的大小。土壤压实程度越高，加速度信号畸变的程 度越厉害，谐波的畸变信号越严重，谐波分量也越大，其比值也越大。具体算式 如式( 2 1 0 ) 所示 a ； 旦一x 1 0 0 = h v r ( 2 - 1 0 ) a l ( 2 ) 幅值法：4 与4 一。指的是振动压路机碾压n 遍与n 1 遍加速度幅值的差值 小于预定值，如以- 】月。o 0 1 时，认为压实已经达到要求。加速度可以是有效幅 1 6 j e 塞銮逼态堂亟堂鱼坌塞茎王旦敛僵蕴基压塞廑捡捌这遘盐堡诠基互! ! ； 值或峰峰值。具体算式为式( 2 1 1 ) 所示 4 4 一。( 2 - 1 1 ) ( 3 ) 周期法：l 一易或凳一l ，其中，巧是加速度信号第一次过零点的时间间 隔，五是加速度波形第二次过零点时的时间间隔 ( 4 ) 轨迹法：振动轮在振动时轴心的运动轨迹接近于一椭圆曲线，并且椭圆长、 短轴随压实遍数增加而变化。因此，用椭圆长、短轴的变化来判断压实度的大小1 9 1 。 在本系统中，采用了比值法。 2 5基于d s p 的压实度检测仪系统概述 由于动态连续检测方法中间环节较多，即影响测试数据的因素较多，首先是 机械本身对测试结果的影响，如轴承的磨损、压路机的激振力、振幅和行驶速度 等；其次是被碾压的土体对测试结果的影响，如填料的类型、土的含水量、填料 的级配、路基面的不平整或倾斜等。要定量、准确得到各种情况下振动棍的加速 度信号与路基土体模量值的相关关系，就要找出各种因素对振动信号的影响并量 化影响程度，这不但要对各中间环节进行理论分析，而且需要做大量的、各种样 本的试验，所以要准确找出振动参数与模量值的相关关系难度很大。国内外的经 验也证实了连续、动态检测是一种快速的检测方法，但很难准确找出振动参数与 压实度之间的相关关系。为此，本系统在连续、动态、快速检测的基础上，增加 定点、准确的动态变形模量值( e v d ) 检测装置，即安装直接测试动态变形模量值的 落锤仪。达到在连续、动态、间接检测模量值的同时也可定点、准确、直接测试 动态变形模量( e v d ) 检测装置。振动棍的加速度信号和落锤仪的冲击信号，通过电 子转换开关切换，共用同一微处理器、显示器、打印机等硬件资源，两者有各自 独立的接口，用户可根据实际需要，选择其中一种或两种测试功能的配置，以达 到满足测试要求的情况下尽量降低成本。 1 7 j e 塞銮适太堂亟堂焦监塞基王qs 笪匿塞庭捡型丛望佳选让 3 基于d s p 的压实度检测仪总体设计 3 1系统c p u 的选用和开发调试环境的建立 3 1 1下位机c p u 的选用 d s p 数字信号处理器是以数字信号处理为基础具有数字处理的全部优点： 1 接口和编程方便。d s p 与其它以现代数字技术为基础的系统都具有相互兼 容性，d s p 与该类系统接口以实现某种特定功能时要比模拟系统与该类系统接口 容易得多。具有可编程特性的d s p 芯片可满足在程序开发过程中就软件修改和升 级的要求。 2 具有良好的稳定性和可重复性。d s p 数字处理器以数字处理为基础，受环 境稳定、湿度、噪声、电磁场的干扰和影响小，可靠性高；数字系统的性能基本 不受元器件参数性能变化的影响，便于测试、调试，时候现场特殊的工况条件。 3 d s p 运算精度高。1 6 位数字系统可以达到1 0 “的精度。 当然，d s p 数字处理器在高频信号处理上也存在一定的缺点，由于系统运行 的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题。 d s p 相对与g p p 具有独特的处理器功能结构如表3 1 表3 1 d s p 与g p p 比较 t a b 3 1c o 呷撕s o nb e t 、e e nd s p 柏dg p p d s pg p p 存储器结构采用增强型哈佛结构，采用冯诺依曼机构 提高寻址速度访问速度慢 对密集的乘法运算的支专用的硬件乘法器要求多个指令周期 持单周期内完成乘累加运算来实现一次乘法 循环实现用专门的硬件实现循环功能通过软件编程来实现循环 零开销循环 数据类型 大多数采用定点计算 定点计算或浮点计算 也可实现浮点运算 开发工具d s p 集成芯片开发商g p p 集成开发商 提高开发工具通常并不提供开发工具 表3 1 列出了d s p 与g p p 的不同之处，而且d s p 处理器还具有支持专门的 1 s a e 塞銮遭盘堂亟堂僮途塞基王坠鳆廷塞廑捡型丛望佳丝让 寻址模式，这点对通常的信号处理操作和算法特别有效。典型的有：循环寻址， 对实现数字滤波器延时很有用；位倒序寻址，对快速傅立叶变换很有用；而，g p p 的寻址模式多采用软件实现。 针对本系统中涉及的采样参数较多，运算量大。实时性要求高等特点