采用谐波比值法的路基碾压实时检测技术研究

何东炀

(中铁建昆仑路桥建设有限公司 四川成都 610000）

1 引言

路基工程在公路交通建设中占比最大，不同地区填料及填筑工艺选用需因地制宜，目前路基填筑的压实度检测仍然是采用灌砂法、环刀法、核子法等，但是在实际施工过程中这三种试验检测方法都很低效，并会给路基填筑质量带来较多的隐患，另外具有强烈放射性的核子法也未进行广泛的应用[1-2]。压实度实时连续检测成套设备是在公路检验之中的一种前沿的技术，能够让施工人员在操作时在第一时间掌握现场压实情况并进行转化操控[3]，从而确保每层路基通过相对较少的压实次数就能达到规范及设计要求，有效避免每层路基因碾压不到位或是过度碾压引起的问题，不但可以减少机械台班数量，还可在保质保量的前提下提高填筑速度，减少工期[4-5]。该技术原理涉及信息、电路、机械、材料及弹性力学等学科领域，具有一定的科研价值。前人通过采集压路设备振动加速度信号进行数据分析，进而得出振动频率与不同土体压实度间的联系，并提出新的压实度连续检验方法[6-7]。

2 工程概况

德遂高速位于四川盆地中部的川中低山丘陵区，龙泉山脉以东，地势总体上为西北高，东南低。沿线地形起伏相对较大，海拔高程多在300～600 m，切深一般在80～140 m。土质较软弱土含水量高，孔隙比大，压缩模量大，物理力学性能差，主要溪流两岸、山间洼地、塘和堰底部，或混杂于山间沟谷冲积地带、分布零散，厚度不均，多呈透镜状分布。

3 压实连续检测系统的构成

压实度连续监测系统是将相关仪器安装在压路机振动轮上，通过传感器收集分析一些和土壤压实度关系紧密的参数来反映路面压实度的实际情况[8]。将收集信号过程中的影响因素消除后，与传统检验方法得出的结果比较分析，来确定现场实际的压实度，从而实现对作业路段路基压实度的连续监测，尤其是对路基边缘、过渡段碾压不到位等路段的监测。典型的双轮式压路机[9]压实度连续检测仪基本构成见图1。

图1 双轮式压路机压实度检测仪组成

其中前置放大器的主要部分是由电荷和电压放大器构成，其主要作用是通过放大电信号，从而降低电信号的阻抗，将相关信号换成电压信号输出，将信号放大1 000倍。低通滤波器是收集压实度反馈回来的低频信号，消除放大器输出信号中直流电平的叠加量。A/D转换装置是将电压信号回收量化编码后，转换成数字信号的方式进行输出。信号处理与运算，通过单板机把输出信号进行分析处理[10-12]。

4 压实度连续检测试验分析

4.1 试验路基土选用

结合西南片区公路施工中常用路基填筑土的力学及物理特性，并参照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007），选取两类最具代表性的填土路基段进行试验研究。

Ⅰ号填土路基的试验场地在德阳市郊区高速公路匝道施工现场，其级配如表1所示。按照公路试验规范标准，可分类为砂类土。

表1 Ⅰ号土通过筛孔后的质量百分率

Ⅱ号土基的试验场地在遂宁市区高速连接线施工现场，其级配如表2所示。按照公路试验规范标准，可分类为砂类土。

表2 Ⅱ号土通过筛孔后的质量百分率

对比二者，不难看出Ⅱ号土中粒径大于2 mm的颗粒含量相对较高，粒径小于0.074 mm的颗粒含量相对较低，二者均级配较好。

对两类土体分别进行室内击实试验，确定土的最大干密度和最佳含水率。重型击实试验的击实距离0.45 cm，落锤重量4.5 kg，试筒容积997 cm3。分5层完成击实，各层击实二十七次，击实功大小为0.275 kg/m。Ⅰ、Ⅱ号土的击实曲线如图2所示。

图2 Ⅰ、Ⅱ号土击实曲线

通过图2不难看出，Ⅰ号土的含水量10.28%时，最大干密度为1.957 g/cm3；Ⅱ号土的含水量10.09%时，最大干密度为1.972 g/cm3。

4.2 路基土实时连续检测试验

安装传感器:传感器的安装方式、位置都与采集数据的质量好坏有密切相关。其安装位置主要受到振动幅值的影响，可供选择的安装方式有:使用频率为5 kHz的螺钉、4 kHz的环氧树脂、1.5 kHz的强磁吸盘，0.5 kHz的双面胶。按照工程惯例及现场具体情况，也便于多个检测位置做交替检测，实际安装时采用的是强磁吸盘。安装位置选择在压路机前轮振动轴上，并进行必要的清洁、打磨，以保证传感器接触面的平滑，最后将传感器固定在磁座上，利用强磁吸盘进行固定，具体安装位置如图3所示。

图3 安装传感器

传感数据采集:采集仪为YE6263型，静态误差在±0.3%以内，8条动态数据采集通道数，模数转换分辨率大小为12BT，带宽为0到200 kHz，采集分析软件为YE7600。进行振动数据采集必须使用计算机、操纵数据采集仪、信号转换数据采集仪以及配套的专业采集软件。数据采集仪的工作流程是:先将每相同时间段采样一次模拟信号，将信号离散化；再将所获得的瞬时模拟量转换为数字量，从而产生间隔频率相同的数字信号。

压实并采集完相关数据后，采用灌砂法测定的压实度结果，两类土压实度值如表3所示。

表3 两种土的压实度值

4.3 谐波比值法对监测数据分析

采集数据的预处理:通过YEC—DASP信号处理系统完成现场采集数据的预处理。利用软件中的自谱分析，可以得到该传感器信号的频谱，如图4所示。

图4 信号自谱图

谐波比值法:经前人研究发现，在压路机振动压实作用下，地基也随着震动频率具备振动特性，在施工过程中振动轮激振信号的波形中不但包含振动轮固有频率的振动，还包括地基振动引起的杂波，收集到杂波会导致激振信号畸变，这是谐波比值法进行路基土压实情况判定的理论基础。在进行振动碾压时，若土壤特性为蓬松，振动频率就没有高次干扰频率波，而只有正常频率；如若在质地较为坚硬的路基段就不断出现高次谐波，可使用滤波器将出现干扰波进行过滤，并筛选出二次谐波与基波，将两者的比值作为评价压实度是否满足要求的特征指标。二次谐波能够较为明显地反映出信号的畸变情况，故称之为“谐波比”，英文缩写为HVR。谐波比值大小与压路机振动轮速度、方向、型号重量、振幅以及频率相关。

对采集到的激振波形初步处理后利用傅立叶法进行转换，该波形含有加速度幅值的多次谐波与基波的频率，转化后得到的频谱中振幅谱峰值频率分别为26 Hz与52 Hz。因为压路机工作时振动频率基本为30 Hz左右，可以选定26 Hz为基波信号的主频，52 Hz的信号为二次谐波。经过两者对比，其比值大小可以用于反映填土压实情况。表4为两种土碾压时振动轮的激振信号“谐波比”。

表4 信号HVR值%

Ⅰ、Ⅱ号土碾压时振动轮的激振信号“谐波比”HVR值(%）、压实遍数与压实度之间的关系，如图5～图8所示。

图5 Ⅰ号土压实度、HVR随压实遍数变化

图6 Ⅰ号土压实度与HVR的关系

图7 Ⅱ号土压实度、HVR随压实遍数变化

图8 Ⅱ号土压实度与HVR的关系

图6所示的线型回归方程为y=5.6HVR+0.1，相关系数R2=0.89，其中y表示压实度，HVR为加速度谐波比。

图8所示的线型回归方程为y=3.4HVR+0.5，相关系数R2=0.88，其中y表示压实度，HVR为加速度谐波比。

通过两组土体分析图像可得，压实度与HVR随着压实遍数增加而增大，两者的波形有典型的正相关变化规律。能够较好地反映激振信号和路基土壤压实度二者的关系，可以在实践中推广应用。

5 结束语

通过本文的研究工作可以得出结论如下:

(1）振动轮激振信号能够客观反映土体压实强度，将收集的激振信号特征信息HVR比值进行处理后，能够对土体压实效果进行评价，并进行了相关评价方法的介绍。

(2）建立简单有效的压实度实时检测系统，通过数据处理算法，在现场施工环境下检验了系统的应用性能与效果，并通过与传统检验方法(灌砂法）对比，表明该系统可采用谐波比对路基压实度进行实时连续检测，且检测结果有效、可靠。

(3）利用本文提出的谐波比值法判断两种级配、最佳含水率不同的砂类土的压实度情况，分别得到了两组土压实度与HVR比值间的回归公式和相关系数。