振動原理在道路測試中的應用

黃慶祥

振動原理在道路測試中的應用

黃慶祥

以檢測原理中的振動原理為例,提出道路檢測中振動原理的概念,詳細講解振動原理,分析振動檢測的主要儀器,以促進我國檢測設備的研制與開發和我國道路檢測新學科的持續發展。

振動原理,道路,強度,彎沉

0 引言

隨著交通事業的迅速發展,特別是高等級公路的發展十分迅速,使得路基路面質量控制的程序越來越完善,要求的檢測水平越來越高,而一般的檢測已不能滿足高等級公路檢測的需要。雖然,為適應高等級公路質量檢測的需要,少數省區引進了一些檢測設備,但像我們這樣一個大國,靠引進設備來解決問題不是一個方向,因而,我們應該掌握現行檢測儀器的原理,自己研制與開發,使主要檢測設備國產化。道路測試中按檢測原理,檢測設備分有振動檢測、超聲波檢測、射線檢測和激光檢測等幾種,本文選取振動技術,分析振動原理和振動檢測的主要設備,說明振動原理在道路測試中的應用。

1 振動原理的概念及特點

道路中振動檢測技術是用向地面瞬態錘擊來測定它的強度與壓實度(或密實度)的一種方法。路基路面在受到錘擊后即刻就得到凹陷變形,或者產生一種傳遞振動波。這種凹陷或傳遞振動波即為檢測所需要的主要參數,由于這種參數是依靠錘擊后道路產生振動獲得,因而,簡稱為振動檢測技術。

在國內外利用錘擊的方法來得到路基路面檢測數據,主要集中在路基路面的強度與壓實度方面。從理論上講,無論是路基、路面均可用錘擊的方法測定它們的強度和壓實度(或密實度),但實際上,目前國內外只限于測定它們的強度。

2 振動原理綜述

錘擊式路基路面強度檢測原理：用一定質量與形狀的鋼錘,由一定高度自由落下,即在路基路面上產生一種沖擊波。由于沖擊時間短,因此,這種波一般是脈沖波或尖峰波,這種沖擊波隨即被精密位移傳感器或千分表所接受,就產生了脈沖反彈位移量。

除了用錘擊方法測出壓實層反彈位移量的方法外,還有一種方法,就是用錘擊法測出路基的錘擊凹陷,這種凹陷變形反映了壓實土的抗力性能,而這種抗力又與壓實土的回彈模量有關,很明顯,回彈模量愈大,或土體愈堅實,則凹陷應愈淺,反之,愈深。顯然,用這種方法與測定土體反彈量一樣,同樣也能確定壓實土體的強度。對路面來說,特別對路面面層來說,其壓實層的凹陷量只有1mm左右的數量級,一般不易量出。因而,對于路面面層適宜的方法是測量它的反彈位移量,對于路面基層要視情況來定。

3 振動檢測的主要儀器

3.1 便攜落錘式路面彎沉快速測定儀

3.1.1 儀器主要結構

1)便攜式機械測振結構。

便攜式機械測振結構是最簡易的一種結構形式。該結構制作方便,價格便宜,操作容易,是我國公路路面定點彎沉強度檢查的一種適宜的現場測試儀器,主體結構組成如圖 1所示。

由圖 1可知,便攜式落錘彎沉儀是由機械式測振架、圓鋼球與落錘撞擊墊板三部分組成,測振架長可為 100 cm,底撐長為15 cm,三支與地面成 30°;彈簧吸振能力大于90%;鋼球直徑為5 cm～8 cm;錘質量可為2 kg～3 kg;塑料墊板既薄且硬,耐擊力強,安置塑料墊板的目的為保護路面不受直接沖擊,尺寸可為10 cm×10 cm×0.3 cm。記數器為特制的千分表,即當千分表記數后,表針不會回零。

2)便攜式電子測振結構。

便攜式電子測振結構與機械測振結構相似,區別在于機械式測振結構用的是特制千分表,而電子測振結構用的是位移傳感器。由于電磁靈敏度高,因此,位移計式測振結構的測量精度高,很適宜于水泥混凝土結構的強度測定。

便攜式落錘彎沉儀的結構與機械式測振所不同的只是換上了位移傳感器,這種位移傳感器可選擇量程 1 cm～2 cm即可。位移傳感器的工作原理是：當脈沖反彈力驅動時,位移傳轉換器中的動變壓器開始工作,增加的電流在 A/D轉換器中進行模數轉換,其數字電流進入液晶記算器顯示。

3.1.2 儀器工作基本原理

將一個重 2 kg左右的鋼球,在 1m高的高度處自由落下,球體落在離測力桿的尾端O位置的 5 cm～7 cm處,對地面的沖擊波使路面產生脈沖反彈,驅使測桿向上移動,即在特制千分表或位移計算器里記入了反彈位移量,這種反彈位移量即表示了路面的彎沉強度。如果事先知道了“反彈位移量與彎沉值”的關系曲線,即能通過反彈位移量反求得到路面彎沉值。

3.2 車載落錘式路面彎沉快速測定儀

車載落錘式路面彎沉快速測定儀是目前國際上最先進的一種路面彎沉強度無損檢測設備之一。車載落錘式分拖掛落錘式(或外載式)與內載落錘式兩種。

3.2.1 儀器主要結構

在一般情況下,外載拖掛式為常用,以該種儀器為例,來敘述其主要結構。圖 2為拖式結構方框圖。

由圖 2看出,拖掛式落錘彎沉儀的結構主要由四部分組成：第一部分是操縱盤,如圖 2a)所示。它由一批按鈕組成。它操作液壓缸,使測架升降,同時,操縱落錘下落與提升,另外還控制打印輸出等。第二部分是液壓升降架,如圖 2b)所示。它是由液壓筒、升降架、電磁鐵等組成,整套架子固定在拖車上,升降受液壓筒控制。第三部分由彎沉盆測梁和傳感器組成,如圖 2c)所示。在本儀中,測梁長25m,傳感部分用速度型傳感器,全梁布置 5個,間隔為 0.5m,包括擊板底部 1個,共 6個速度型傳感器,一次能測6個彎沉數據。第四部分是落錘和擊板部分,如圖 2d)所示。除了四部分結構外,還有一套軟件系統,主要是處理數據、存儲與顯示、打印等。

3.2.2 儀器工作基本原理

落錘式自動彎沉測定儀的基本工作原理如圖 3所示。按圖 3將測定車開到測定地點,將一切準備工作做好后,工作人員在駕駛室操作測定按鈕,將液壓升降架放下,測架隨之落到路面,操縱按鈕,使液壓升降架上的電磁鐵去磁,與測架脫鉤,升起液壓架,此時測架 5個速度傳感器至待測狀態。與前述同時,操縱落錘系統液壓部分,使擊板下垂到路面,同樣也處于待測狀態。此時,按下按鈕,電磁鐵去磁,落錘與吸鐵脫鉤,自由下落,擊至鐵板,如錘頭質量為 5 000 kg,鐵板觸地面積為 700 cm2,則錘擊一下的壓強為0.7 MPa,這相當于我國《公路柔性路面設計規范》選定的標準黃河汽車對路面產生的單位壓力。此時,6個速度傳感器同時記錄到下沉時的速度,送入數據處理裝置,并對速度進行積分,得到中心彎沉值與彎沉盆,然后存儲、打印與數字顯示。

4 結語

高等級公路的迅速發展,對道路測試技術提出越來越高的要求。本文提出道路檢測中振動原理的概念,詳細講解振動原理,分析振動檢測的主要儀器。從理論上講,無論是路基、路面均可用錘擊的方法測定它們的強度和壓實度(或密實度),但實際上,目前國內外只限于測定它們的強度。

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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

黃慶祥(1983-),男,助理工程師,山西省交通科學研究院,山西太原 030006