振动原理在道路测试中的应用

黄庆祥

振动原理在道路测试中的应用

黄庆祥

以检测原理中的振动原理为例,提出道路检测中振动原理的概念,详细讲解振动原理,分析振动检测的主要仪器,以促进我国检测设备的研制与开发和我国道路检测新学科的持续发展。

振动原理,道路,强度,弯沉

0 引言

随着交通事业的迅速发展,特别是高等级公路的发展十分迅速,使得路基路面质量控制的程序越来越完善,要求的检测水平越来越高,而一般的检测已不能满足高等级公路检测的需要。虽然,为适应高等级公路质量检测的需要,少数省区引进了一些检测设备,但像我们这样一个大国,靠引进设备来解决问题不是一个方向,因而,我们应该掌握现行检测仪器的原理,自己研制与开发,使主要检测设备国产化。道路测试中按检测原理,检测设备分有振动检测、超声波检测、射线检测和激光检测等几种,本文选取振动技术,分析振动原理和振动检测的主要设备,说明振动原理在道路测试中的应用。

1 振动原理的概念及特点

道路中振动检测技术是用向地面瞬态锤击来测定它的强度与压实度(或密实度)的一种方法。路基路面在受到锤击后即刻就得到凹陷变形,或者产生一种传递振动波。这种凹陷或传递振动波即为检测所需要的主要参数,由于这种参数是依靠锤击后道路产生振动获得,因而,简称为振动检测技术。

在国内外利用锤击的方法来得到路基路面检测数据,主要集中在路基路面的强度与压实度方面。从理论上讲,无论是路基、路面均可用锤击的方法测定它们的强度和压实度(或密实度),但实际上,目前国内外只限于测定它们的强度。

2 振动原理综述

锤击式路基路面强度检测原理：用一定质量与形状的钢锤,由一定高度自由落下,即在路基路面上产生一种冲击波。由于冲击时间短,因此,这种波一般是脉冲波或尖峰波,这种冲击波随即被精密位移传感器或千分表所接受,就产生了脉冲反弹位移量。

除了用锤击方法测出压实层反弹位移量的方法外,还有一种方法,就是用锤击法测出路基的锤击凹陷,这种凹陷变形反映了压实土的抗力性能,而这种抗力又与压实土的回弹模量有关,很明显,回弹模量愈大,或土体愈坚实,则凹陷应愈浅,反之,愈深。显然,用这种方法与测定土体反弹量一样,同样也能确定压实土体的强度。对路面来说,特别对路面面层来说,其压实层的凹陷量只有1mm左右的数量级,一般不易量出。因而,对于路面面层适宜的方法是测量它的反弹位移量,对于路面基层要视情况来定。

3 振动检测的主要仪器

3.1 便携落锤式路面弯沉快速测定仪

3.1.1 仪器主要结构

1)便携式机械测振结构。

便携式机械测振结构是最简易的一种结构形式。该结构制作方便,价格便宜,操作容易,是我国公路路面定点弯沉强度检查的一种适宜的现场测试仪器,主体结构组成如图 1所示。

由图 1可知,便携式落锤弯沉仪是由机械式测振架、圆钢球与落锤撞击垫板三部分组成,测振架长可为 100 cm,底撑长为15 cm,三支与地面成 30°;弹簧吸振能力大于90%;钢球直径为5 cm～8 cm;锤质量可为2 kg～3 kg;塑料垫板既薄且硬,耐击力强,安置塑料垫板的目的为保护路面不受直接冲击,尺寸可为10 cm×10 cm×0.3 cm。记数器为特制的千分表,即当千分表记数后,表针不会回零。

2)便携式电子测振结构。

便携式电子测振结构与机械测振结构相似,区别在于机械式测振结构用的是特制千分表,而电子测振结构用的是位移传感器。由于电磁灵敏度高,因此,位移计式测振结构的测量精度高,很适宜于水泥混凝土结构的强度测定。

便携式落锤弯沉仪的结构与机械式测振所不同的只是换上了位移传感器,这种位移传感器可选择量程 1 cm～2 cm即可。位移传感器的工作原理是：当脉冲反弹力驱动时,位移传转换器中的动变压器开始工作,增加的电流在 A/D转换器中进行模数转换,其数字电流进入液晶记算器显示。

3.1.2 仪器工作基本原理

将一个重 2 kg左右的钢球,在 1m高的高度处自由落下,球体落在离测力杆的尾端O位置的 5 cm～7 cm处,对地面的冲击波使路面产生脉冲反弹,驱使测杆向上移动,即在特制千分表或位移计算器里记入了反弹位移量,这种反弹位移量即表示了路面的弯沉强度。如果事先知道了“反弹位移量与弯沉值”的关系曲线,即能通过反弹位移量反求得到路面弯沉值。

3.2 车载落锤式路面弯沉快速测定仪

车载落锤式路面弯沉快速测定仪是目前国际上最先进的一种路面弯沉强度无损检测设备之一。车载落锤式分拖挂落锤式(或外载式)与内载落锤式两种。

3.2.1 仪器主要结构

在一般情况下,外载拖挂式为常用,以该种仪器为例,来叙述其主要结构。图 2为拖式结构方框图。

由图 2看出,拖挂式落锤弯沉仪的结构主要由四部分组成：第一部分是操纵盘,如图 2a)所示。它由一批按钮组成。它操作液压缸,使测架升降,同时,操纵落锤下落与提升,另外还控制打印输出等。第二部分是液压升降架,如图 2b)所示。它是由液压筒、升降架、电磁铁等组成,整套架子固定在拖车上,升降受液压筒控制。第三部分由弯沉盆测梁和传感器组成,如图 2c)所示。在本仪中,测梁长25m,传感部分用速度型传感器,全梁布置 5个,间隔为 0.5m,包括击板底部 1个,共 6个速度型传感器,一次能测6个弯沉数据。第四部分是落锤和击板部分,如图 2d)所示。除了四部分结构外,还有一套软件系统,主要是处理数据、存储与显示、打印等。

3.2.2 仪器工作基本原理

落锤式自动弯沉测定仪的基本工作原理如图 3所示。按图 3将测定车开到测定地点,将一切准备工作做好后,工作人员在驾驶室操作测定按钮,将液压升降架放下,测架随之落到路面,操纵按钮,使液压升降架上的电磁铁去磁,与测架脱钩,升起液压架,此时测架 5个速度传感器至待测状态。与前述同时,操纵落锤系统液压部分,使击板下垂到路面,同样也处于待测状态。此时,按下按钮,电磁铁去磁,落锤与吸铁脱钩,自由下落,击至铁板,如锤头质量为 5 000 kg,铁板触地面积为 700 cm2,则锤击一下的压强为0.7 MPa,这相当于我国《公路柔性路面设计规范》选定的标准黄河汽车对路面产生的单位压力。此时,6个速度传感器同时记录到下沉时的速度,送入数据处理装置,并对速度进行积分,得到中心弯沉值与弯沉盆,然后存储、打印与数字显示。

4 结语

高等级公路的迅速发展,对道路测试技术提出越来越高的要求。本文提出道路检测中振动原理的概念,详细讲解振动原理,分析振动检测的主要仪器。从理论上讲,无论是路基、路面均可用锤击的方法测定它们的强度和压实度(或密实度),但实际上,目前国内外只限于测定它们的强度。

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On app lication of vibration principle in road testing

HUANG Qing-xiang

This article takes the vibration principle according to detection principle as an example,raise the conception of vibration princip le in road-detected,details accountof the vibration princip le and analyzes themain instruments in vibration-test,so that promote the research and development in our test instrument and the sustainab le development in new subject on road-test.

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U 415

A

1009-6825(2011)09-0156-02

2010-12-10

黄庆祥(1983-),男,助理工程师,山西省交通科学研究院,山西太原 030006