路基土压实度检测技术研究

绪论1.1问题的提出从众多的工程项目以及理论研究当中可以发现，在对路基施工、路面施工尤其是结构层施工方面，需要采用压实处理措施进行处理，这样可以进一步对路基、路面强度进行提升，并进而增强稳定度，可以充分消减路面破坏影响，进而可以提升路面使用年限。假设在施工中不能有效压实路基、路面，那么就会造成负面影响，这种影响表现在沉陷、裂缝出现或者是辙槽出现等。鉴于以上，需要进行有效压实，这样可以提升公路建设的有效性。1.2振动压实技术的发展1.2.1压实机械的发展趋势当前新科技、新工艺、新技术加速涌现，特别是数控一体化和人工智能化的兴起应用，无不将压实机械的智能程度提升到一个新的台阶。1)压实过程监测运用通过对往常的压实监测法进行回溯，可以看出，追溯到1960年，就有部分专家学者对压实过程提出了一些猜想，比如以基础和振动组件关联的动力学特征进行控制。2)压实机械采用的智能方式在对机器设备检测过程中，尤其是监测压实过程中，需要进一步引领压实设备实现智能化和数控化。并且在压实操控中引入适应和学习科技，并逐步提升压实过程的优化操控。3)压实过程的自动控制手段从自动操控维度来看，压路机振幅与压实能量处理主要依托土质状况进行处理。鉴于压实强度改变带来地面接触强度的改变，按照系统加速传感装置与钢轮振动方位的变化特征对钢轮作用进行调试，并且对此数据以记录方式进行评价，这样可以在垂直与水平两个维度上对振动方向进行调节。4)压实过程全方位定位机制以MSGPS为简称的全球定位体系，主要构成涵盖了特殊的CAD软件、触摸设备以及计算机设备等。以本系统为抓手，可以精确的确定压路设备的定位，并对压实区域与压实效果进行保障。5)压实机械辅助选取方式通过压实设备的辅助选择方式，可以对多维度的压实需求进行满足，比如压实的现场状况、压实需要的相关材料、特殊的压实曲线以及压实需要的工作量等等，统筹考虑这些因素进而形成配套的压实机制，并且通过参数选取对方案进行选取评估。6)压实过程的计算机仿真工艺压实计算机仿真工艺上以瑞典Geodynamik咨询公司开发的软件作为代表，并采用土壤动力研究方式，对差异化的机械参数与土壤状况进行研究，从而对土壤与动力关系进行论证，从而更加有效的对振动压路性能进行评估设计进行考量。1.3国内外研究综述德国、瑞典在压实测量方面走在前列。德国BOMAG之前就研发设计出基于BTM的土壤实时测度系列产品。其主要的工作机理就是以振动加速信号作为检测载体，从而获得土壤压实的系列数据，并进而能够对土壤压实程度进行充分反映。瑞典的DYNAPAC与其他公司联合一起设计了压实测量工作，以振动压路机的加速传感装置作为载体，对振动下的系统响应信息进行检测，并通过信号装置与滤波装置进行转换，从而获得振动信号的相关谐波与基波的分量，通过二者分量变化数据来对压实状况进行反映。1.3.2国内研究综述国内研究实践来看，徐州工程机械公司与其他单位合作设计了SMC-960A型密度测量装置，主要涵盖了传感装置、测量装置、采集与打印装置等相关组件。水利设计研究院也设计了相应的压实测量工具，称之为YS-1压实测度设备，主要通过基波/基波来对土壤密度进行有效反映。苏州交通研究机构设计研发了MSY-100为代表的系列压实测度工具，主要从力学平衡的层面对土壤压实情况进行评估分析。上述国内外的研究情况都从不同角度对测量的基本原理进行论证，但是鉴于内外部的扰动因素较多，直到目前，在国内仍未涉及研发出适应压路机进行土壤检测的高效工具。1.4课题的研究意义与主要内容1.4.1研究意义从对公路进行质量检测的角度来看，压实度检测科技属于新型的科学技术，能够让操作人员及时检测压实中的程度、状况以及对压实效果进行管控，这样能够实现次数较少碾压下的压实质量的提升，可以阻止压实不够充分到位的问题。本研究正是基于这一问题探讨，以通过设计实现人工成本节约、工期缩短、提升工作质量的同时进一步提升工作进程，不断提升经营效益。1.4.2主要内容本课题主要研究以下层面的具体内容:1)对土壤水分程度以及压路机的工作效率、运行过程影响压实效果情况进行分析，能够对压实检测方法存在的短板和问题进行分析，并结合随车压实检测的方式提升压实土壤的过程跟控。2)深入对比分析土壤压实状况和振动压路机振动加速情况的关联度，进而获取压实情况检测的有效手段。3)构建系列动力模型，以振动压路机与土壤关联度作为关联因素进行模型构建，并进行仿真研究（以Matlab/Simulink为基础）。4)以现场检验以及实验室测试为主要手段，通过压实检测装置进一步检测和分析相应的信号，对加速装置进行定位，以反映压实强度的信号，并通过有效的压实回归方程，进而为压实检测夯实基础。2压实度评定方法与压实度连续检测理论2.1土的固体颗粒特征从土颗粒尺寸来看，其外形差别较大，漂石的尺寸达到了数十公分，而胶粒的尺寸仅有几个微米，另外土颗粒也没有相对规则的形状，其尺寸难以进行直接测量，这样就需要采用其他方法对土颗粒的状况以及尺寸进行测量。当前，国内标准的划分可以参见表2.1。国内土工程分裂以及公路土工测试规定也界定了砂粒和粉粒的区别，在对砾石粒组和卵石粒组进行界定时，其界限调整到60毫米，相应的粒组划分情况参见2.20。表2.1粒组划分标准(GB50021--94)Tab2.1Grainsofstandards(GB50021--94)表2.2粒组划分标准Tab2.2Grainsofstandards2.2土粒级配分析方法粒度成分分析的目的在于确定土中各粒组颗粒的相对含量。土的颗粒级配是通过土的颗粒分析试验确定的，对于粒径大于0.075mm、小十等于60mm的粗粒组，可采用筛分法;而对于粒径小于0.075的细粒组，则必须采用沉降分析法。当土中兼含大于0.075的土粒时，两类分析方法可联合使用。沉降分析法有密度计法(比重计法)、移液管法等。2.3土粒级配表示方法按照土粒分配情况，可以采用累计曲线对土颗粒级别进行描述，这种方法较为全面，应用较为广泛，可以适应于不同土级程度的测量。2.4无粘性土的密实度无粘性土一般是指粗粒土(砂类土和砾类土)。粗粒土中一般粘粒含量甚少，不具有可塑性，呈单粒结构，其物理性质主要决定于土的密实程度。砂砾类土密实度在一定程度上可根据天然孔隙比e的大小来评定。但对十级配相差较大的不同类土，则天然孔隙比e难以有效判定密实度的相对高低。因此，为了合理判定砂类土的密实度状态，在工程上提出了相对密实度Dr的概念。Dr定义为:式中e一现场无粘性土的天然孔隙比;emax,3x一土的最大孔隙比;emin，一土的最小孔隙比。当Dr=0，表示砂土处于最松散状态;当Dr=1，表示砂土处于最密实状态。砂砾类土密实度的划分标准如表2-3所示。2.5粘性土的物理特征从粘土的物理特性来看，其颗粒不大，而且直径一般要低于0.005毫米，并且电场形成于细土颗粒的周围，水分子被电分子所吸引，并以粘结水膜形式存在。而且土壤中的水分与土粒也会发生反应。2.2路基压实2.2.1压实度的概念从压实度的概念来看，主要是通过对土壤或者路面进行压实处理后，干密度除以标准干密度的数值，通常可以采用百分比进行描述。而对施工质量描述来看，压实度的数据非常重要，通过压实土壤颗粒，就能有效提升道路的使用年限，这样经济和社会效益就较为明显。2.2.2影响压实因素振动压路机压实流程看，整个流程相当繁杂而且也不是一成不变，主要是压实材料的特殊性决定了压实过程的波动性。对于某种类型材料来讲，其在压实中的环境变化情况、温度改变或者是其它因素变化的话，压实程度变化也较为明显，压实影响的原因众多，总结来看，一般涵盖了土质情况、水分情况、压实的振动速率、压实方向与强度等等。1)含水量从土壤含水度来看，主要是在100摄氏度至105摄氏度的情况下，烘干之后水分失去的质量和干土质量的比。而从压实效果来看，土壤中十分含量对压实影响明显。如果水分行亮低，那么颗粒之间的吸引力就会让土壤较为松软，而且很多孔隙都能相通，而土粒就难以进行移动，压实质量不高。2)土类和级配假如击实的外部条件差别不大，那么土壤差异就会造成压实效果差别大。一般来讲，级配高的土壤压实相对容易，级配低的土壤压实较为困难。这主要是由于级配高的土壤具备充足的颗粒进行孔隙的填补，这样就能得到良好的干密度，反之，低配的土壤就不能具备充分的细土粒进行填补。3)击实功能如果土壤相同，那么击实程度不同效果差异也比较大。如果要消除粒间阻力影响的话，这样就会增加土壤的干密度，也就是含水量在不断下降，通过击实力的增加提升土壤的干密度的效果是非常有限的，如果含水程度不高的话，那么击实效果就会非常明显，而含水度高的话，那么干密度和含水程度的变化关系就较为接近于饱和线。4)振幅、振动频率对压实度的影响实际来看，压实材质的不同，对于振动频率选择就会有较大的差异，这对于振动压路设备的振频区间就有明确的要求，这样可以满足差异化压实材质的需要，通常来讲，振动压路设备频率基本保持在30赫兹到50赫兹的区间之内。5)振动压路机工作速度对压实效果的影响测试发现，同等强度和频率的碾压力度，频率越大那么压实效果就越差，假如降低频率的话，就会增强压实效率；但压实频率改变则对生产效率改变的影响过大，那么要满足压实需要，同时又要提升生产效率，就要对碾压速度与次数进行调整。6)振动压路机行驶方向对压实度的影响测试发现，如果想要达到理想的压实成效，也就是压实度提升明显的话，就要保障压路机运行轨迹与其偏心块旋转的轨迹相吻合，后续在进行论述。2.3传统压实度评定方法从通常压实情况测量来看，可以区分为两类，也就是非破坏与破坏性试验评定检测方法。2.3.1破坏性试验评定方法对于破坏试验来讲，主要是对土层密实度以及含水状况测试之前，亟待测试测量层的破坏程度，这样能够取得样品。通常在破坏测试中，采用三种方式，下面一一进行说明。1)灌砂法灌砂法的工作原理是采用颗粒较为均匀的砂粒，并从特定高度落至容积确定的筒中，并按照单位质量稳定的要求，对筒的溶剂进行测试，这样就可以获得取出材料的大小。2)水袋法水袋法的工作原理是在测试之前，需要在密实度测量的部分挖取圆形的测试洞孔，并对洞的深度以及洞中取出土质及含水量都要满足测试要求。在对测试洞孔体积测算中，需要将橡皮薄袋装入测试水洞，并在一定压力之下压入测试水袋一定的水，这样让测试皮袋通过扩张实现和测试洞壁的全面接触，以此为基础测试洞孔的体积。3)环刀法环刀法应用相对上述方法，较为简洁便利，但其破坏影响要比上述方法大很多。除此之外，采用环刀方法，使用范围也较为局限，主要应用于砾石少的土况，而且测量精准性受多重因素的叠加影响。3路基土压实度检测试验及分析3.1试验方案为了验证压实度检测系统在运行中的稳定性、可靠性、准确性，以及技术方案的可行性，这里通过一系列的室内试验和现场试验对系统进行测试。1)实验室试验通过实验室试验对仪器本身进行检验和标定，其中包括静态标定和波形显示试验，通过静态标定试验来观察仪器采集静态输入信号的准确性及经过标定后所能够达到的精度;通过波形显示试验来验证仪器采集的标准信号及信号在屏幕上的显示是否一致。2)振动台试验通过振动台试验对加速度传感器的性能以及仪器的数据采集功能做进一步的分析检验。3)现场试验试验过程中将仪器安放在压路机驾驶室内，通过固定在振动轴上的加速度传感器将信号输入到信号采集仪中，再通过电脑进行显示。每压完一遍，用灌砂法测量路基压实度一次。4)试验数据分析处理通过现场试验对振动压路机碾压过程中的振动加速度信号进行采集、存储，同时记录好现场用灌砂法测量的压实度相关数据。仪器采集信号的正确性、信号的处理以及压实度连续检测方法的研究确定都需要通过对这些大量的试验数据进行处理来获得。3.2系统标定试验试验目的:对信号采集系统进行静态标定，观察标定前后所能达到的精度;对两种型号的加速度传感器的性能进行适当的检验。试验器材:JF-2型激振信号发生器、激振器、机械振动综合实验台、加速度传感器、电荷放大器(TYPE5853)、示波器、万用表、数据采集仪(YE6263),笔记本电脑等。试验步骤:1)把传感器安装到振动台上，安装方式为磁座(或螺钉)方式。安装好后，把电缆线一端接到传感器上，另一端接到电荷放大器上。调整放大倍数为100，灵敏度倍率为传感器灵敏度的10倍。电荷放大器输出端接到示波器上，对示出波形适当调整，读出峰峰值△V1频率f1并做记录。2)把接到电荷放大器上的接头取下，快速接到数据采集仪的输入端，数据采集仪通过网线接到电脑上。启动YE7600软件，设置相关参数，采集出振动波形，计算特征值，读出峰峰值△V2频率f2并作记录。3)调节信号发生器，产生不同频率、振幅的信号，重复进行1),2)步骤，测得10组数据为止。4)对测得的10组数据进行分析。如果标定误差比较大，需要适当更改采集系统中相关参数的设置值，再进行一次标定，直到标定误差很小时，试验方可结束。3.3灌砂法测压实度为使试验做得准确，应注意以下几个环节:1)标定罐的深度对砂的密度有影响。标定罐的深度减2.5cm，砂的密度约降低1%。因此，标定罐的深度应与试洞的深度一致。2)贮砂筒中砂面的高度对砂的密度有影响。贮砂筒中的砂面的高度降低5cm,砂的密度约降低1%。因此，现场测试时，贮砂筒中的砂面高度应与标定砂的密度时贮砂筒中的砂面高度一致。3)砂要标准。量砂如果重复使用，一定要注意晾干，处理一致，否则影响量砂的松方密度。4)每换一次量砂，都必须测定松方密度，漏斗中砂的数量也应该每次重做。因此量砂肩{事先准备较多数量。切勿到试验时临时找砂，又不做试验，仅使用以前的数据。5)地表面处理要平整，只要表面凸出一点，使整个表面高出薄层，其体积如果算到试坑中去，会影响试验结果。6)在挖坑时试坑周壁应笔直，如果出现上大下小或上小下大的情形，会使检测密度偏大或偏小。3.4检测结果分析灌砂时检测厚度应为整个碾压层厚，不能只取上部或者取到下一个碾压层中。现场试洞中挖出土壤经过烘干等处理后，计算出其干密度值，相关试验步骤现场土壤的干密度值与最大干密度值之比，即为压实度。二种土的压实度如表5.7所示:3.5结论及误差分析由十试验路段每部分的土壤性质并非完全一样，所以，每压完一遍后，分别取5个测试点进行压实度测量，表5.7中的压实度为5个测试点压实度的平均值。同时，可以看到第7遍压实后，压实度已不再增加，再进行碾