路基压实的振动加速度与压实度的相关关系

曹源文+韦建学+樊文胜+黄志福+樊友伟

摘 要：以江西省抚州至吉安高速路A1标段路基压实施工为依托工程，通过振动加速度信号采集及采集信号的相关后续处理，建立压实过程中振动加速度与压实度的相关关系。结果表明：路基压实过程中，压实度的实时监测对压实质量起重要作用，其中加速度与压实度相关关系的建立是关键。

关键词：路基压实；振动加速度；压实度；压实质量

中图分类号：U416.04 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2016）05-0106-05

Abstract： Based on the subgrade compaction of A1 section of Fuzhou-Jian Expressway in Jiangxi Province， the relationship between vibration acceleration and compaction degree was established by acquiring vibration acceleration signals and processing later on. The results show that real-time monitoring of compaction degree plays an important role in quality control during the process of subgrade compaction， with establishing the relationship between vibration acceleration and compaction degree being a critical part.

Key words： subgrade compaction； vibration acceleration； compaction degree； compaction quality

0 引 言

在中国城市道路建设过程中，传统的路基压实度检测大都采用抽样形式，由于抽样检测的局限性，在很大程度上不能全面反映整个道路铺筑过程中的压实情况。为满足施工要求，多年来国内外诸多厂家和科研机构一直致力于开发以振动压路机振动加速度与压实度关系为原理的压实度检测仪器。

在路基压实过程中，通过对压路机振动加速度和路基压实度的检测，能实现整个路基铺筑过程的压实检测，弥补了传统抽样检测的不足之处。同时该方法具有实时检测的特性，对工程质量的监管工作具有一定的指导作用。因此，本文依托江西省交通厅重点科技项目——路基路面压实度自动连续监测新技术研究，以路基压实的实际施工过程为例，对压路机振动加速度信号及路基压实度进行检测试验，研究压路机振动加速度与路基压实度的关系。

1 压路机振动加速度信号采集

1.1 振动加速度信号采集系统

根据压路机振动压实的基本原理和信号检测原理[1]，建立振动加速度信号采集系统，如图1所示。

1.2 YE6263动态数据采集测试系统

YE6263动态数据采集测试系统是一种基于10/100Base-TX网卡网络传输的多功能数据采集测试分析系统，它可以用于实验室的数据采集、波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程中的监控系统。

在振动加速度信号的采集过程中，主要用到采集仪中的3个数据采集通道，即图2所示的动态数据采集仪上从左边起的第3、5、6通道。3个通道分别与安装在振动轮上的3个加速度传感器连接，在检测过程中分别对3个通道进行参数设置和调试。采集仪通过双绞线与计算机连接，通过对采集软件和采集仪参数的设置，将采集仪的参数传输到计算机并进行保存。

1.3 振动加速度信号现场采集

现场进行振动加速度信号的检测。首先确定振动加速度传感器的安装位置，由于振动轮产生的冲击波按扇形逐次向填筑材料的深层延伸，所以垂直方向上的冲击波应最先达到底层并反馈回振动轮，且垂直方向上填筑材料受到的力最大[2]。此外，振动轴能真实反映振动轮的振动情况，因此振动加速度传感器安装在振动轴上并垂直地面。由于信号质量的对比需要，在实际测量时除了垂直方向还在左右偏角45°方向也安装了振动加速度传感器。具体安装位置如图3所示。

振动加速度传感器安装完成后，还需要对振动加速度传感器进行标定，并对YE6263数据采集系统进行采集参数设定。振动加速度传感器的标定主要通过室内振动台试验实现，采集参数设置主要包括采样频率设定和传感器的灵敏度设置等[3]。由于振动压路机型号不同，振动轮的振动频率也不一样，主要有28、42、53 Hz几个频率。在对以不同振动频率作业的压路机进行加速度信号检测时，为了使信号更加真实准确，必须满足采样定理，即采样频率不小于信号最高频率的2倍。YE6263数据采集仪内置的采集频率范围为200～1 000 Hz，但不是范围内的所有频率都可以使用，主要呈梯度递增。为使采集的信号没有遗漏，使用的采样频率主要为500 Hz和1 000 Hz。经过具体试验测试可得，在26～45 Hz范围内最好采用500 Hz的采样频率，46～54 Hz范围内最好采用1 000 Hz的采样频率。

数据采集仪采集参数设定好后就可以进行振动加速度信号的采集，信号采集结果如图4所示。

2 振动加速度信号处理

在实际测量过程中，为了能够使采集到的信号最大限度地包含有用的振动加速度信号，采集系统的采样频率一般设得较大。这样就导致有用的信号和各种噪声混杂在一起，难以直接识别和利用，只有分离信号和噪声，并经过必要的处理分析、清除修正系统误差之后，才能比较准确地提取所测信号中包含的有用信息。

2.1 加速度信号分析

在对检测到的振动加速度信号进行一系列后期处理之前，首先对信号的成分进行确定。分析振动加速度信号的成分时，需要对所测振动加速度信号做频域处理，得到如图5所示的快速傅里叶变换频谱图。

由图5可知，原始信号除了振动压路机的空载振动频率42 Hz外，还包括二次谐波、三次谐波、四次谐波和一些高频的噪声信号。原因在于：振动加速度传感器安装在振动轴上，振动轴和轴承之间的碰撞、摩擦会产生噪音；传感器距离液压马达较近，液压马达工作时会产生振动和噪声，对采集的信号产生影响；还有振动压路机发动机的影响。因此，要对所测的原始信号进行去噪处理。

2.2 加速度信号的小波降噪

对振动加速度信号进行小波去噪处理需要经过3个步骤：首先对含噪声的信号进行小波变换；其次对经过小波变换得到的小波系数进行去噪处理；最后对处理后的小波系数进行逆变换，得到去噪后的信号。

选择coif小波基函数对采集到的振动加速度信号进行变换处理，并采用无偏似然估计原则进行降噪处理[4]。经过coif小波基函数和无偏似然估计原则降噪后的信号如图6所示。

2.3 加速度信号拟合

振动加速度传感器每秒采集到的振动加速度信号量是很大的，且采集的振动信号呈现正弦变化规律，如果运用每个峰值对应一个压实度值，实际意义不大。因为在一个采集完整的正弦波形的时间里，振动压路机行驶的距离只有短短几毫米，因此，需要确定用多少个周期的波形来充当一个压实度反映点。

分别对1～20个周期的波形进行拟合分析，并计算数据的均值、标准偏差以及集中程度，得到图7所示的关于数据拟合的标准偏差和集中程度的拟合曲线。

由图7可以看出，10个周期时数据的标准偏差是最小的，且集中程度最好，因此确定以10个周期为1个单元进行拟合，求得的幅值有效值最接近真实值。

3 振动加速度-压实度关系式

3.1 压实度判定方法

采用有效值法利用振动加速度判定压实度的理论依据是：在实际路基铺筑压实过程中，随着压实遍数的增加，路基填筑土的压实度增大，加速度信号的基波幅值也随之增大。有效值法正是基于基波的这一特性来反映填筑材料的压实状态。在整个压实过程中，填筑材料的密实度一直呈增长趋势，加速度信号的基波幅值也随之呈现逐步增大的趋势，因此，采用有效值法可以完全反映出整个压实过程压实度的变化情况，这正是实时检测压实度所需要的[5-7]。

3.2 振动加速度-压实度关系的建立

不同的填筑材料特性和不同的振动压路机参数都会导致压实度增长速率不同，本文以江西省抚州至吉安高速路A1标段路基压实为依据试验，路基填筑土为粘质土。颗粒分析试验数据、击实试验数据和振动压路机参数分别如表1～3所示。对表2中数据进行曲线拟合得到最佳含水量为13%，最大干密度为1.882 g·cm-3。

整个关系式的建立分5步：第1步，把振动加速度信号经传感器和YE6263信号测试仪传递给计算机；第2步，将每一遍加速度信号导入MATLAB软件中，对其进行小波滤波处理；第3步，将小波处理过的信号导入EXCEL表格中，以10个周期的数据进行拟合，得出相同位置下每一遍的振动加速度有效值；第4步，采用灌砂法求出所有碾压遍数下的压实度值；第5步，将每一遍对应的加速度值和压实度值按照碾压遍数进行拟合，得出加速度-压实度关系式。

第1步为信号采集阶段，采集方法按照本节前述的步骤进行。由于采集的加速度信号数据非常庞大，这里仅用其中的一部分来表示，振动加速度原始信号如图8所示。

第2步为小波去噪阶段，针对图8的原始信号，按照前述方法进行小波滤波后的信号，如图9所示。

第3步为拟合求幅值有效值阶段。图10为振动加速度有效值随碾压遍数的变化趋势。

第4步为压实度值计算，压实度值等于干密度值除以最大干密度值，最大干密度由击实试验得到，为1.882 g·cm-3，干密度通过灌砂法得到。压实度随碾压遍数的变化趋势如图11所示。

第5步为加速度-压实度关系拟合。将第3步和第4步求出的加速度有效值和压实度值按照碾压遍数进行一一对应，如表4所示，并将其进行拟合得到加速度-压实度关系，如图12所示。

通过对两者的拟合，由图12可以得到压实度δ和加速度有效值a之间的线性关系

δ=0.008 68a+0.627 3（1）

对拟合结果进行校正可得，判定系数R2=0.928 9，说明两者拟合后得到的线性关系相关性很好，能够较好地反映出两者之间的关系。

4 结 语

本文通过对压路机振动加速度信号的采集、处理及对路基压实度的检测，运用数据拟合的方法将压路机的振动加速度与路基压实度联系起来，建立了基于江西省抚州至吉安高速路A1标段路基压实的压路机振动加速度与路基压实度的相关关系，得到以下结论。

（1）振动轴能真实反映振动轮的振动情况，因此振动加速度传感器安装在振动轴上并垂直于地面。为了信号质量的对比需要，在实际测量时除了垂直方向还应在左右偏角45°方向安装振动加速度传感器。

（2）利用YE6263动态数据采集测试系统采集到的振动加速度信号存在一定的噪音和干扰信号，拟合求幅值前应进行滤波处理。

（3）路基压实过程中，振动压路机的振动加速度与路基压实度之间存在一定的线性关系，基于江西抚吉高速A1标段路基压实的加速度-压实度关系为δ=0.008 68a+0.627 3。

参考文献：

[1] 秦四成.振动压路机[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2] 许端端.土的压实机理及压实指标的研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[3] 单成祥.传感器原理与应用[M].北京：国防工业出版社，2006.

[4] 周 伟.MATLAB小波分析高级技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[5] 吴 梁.路基土压实度检测技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2008.

[6] 潘参荣.浅析路基压实度的控制技术[J].筑路机械与施工机械化，2011，28（9）：52-54.

[7] 黄志福，梁乃兴，赵 毅.路面压实度自动连续检测技术[J].长安大学学报：自然科学版，2015，35（6）：24-32，55.

[责任编辑：党卓钰]