振動(dòng)壓路機(jī)連續(xù)壓實(shí)儀及控制指標(biāo)研究

周保剛　謝立揚(yáng)

摘要：通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外壓實(shí)連續(xù)控制的儀器類型進(jìn)行介紹，全面解讀了連續(xù)壓實(shí)儀器的發(fā)展和控制指標(biāo)，并分析了控制指標(biāo)的差異和使用上的差別，為進(jìn)一步開展壓實(shí)連續(xù)控制儀器的研究、試驗(yàn)、開發(fā)和推廣工作提供了一定依據(jù)，以便更好地對(duì)土壤和瀝青路面壓實(shí)進(jìn)行有效地監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)壓路機(jī)；連續(xù)壓實(shí)儀器；控制指標(biāo)；土壤監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U415.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： The development and control index of continuous compaction meter were elaborated by starting with the introduction to several types of continuous compaction meters. The difference of control indices and how they are applied were analyzed， which provides basis for further research， test and promotion of the continuous compaction meter and helps to monitor the compaction of soil and asphalt pavement more effectively.

Key words： vibratory roller； continuous compaction meter； control index； soil monitoring

0 引 言

連續(xù)壓實(shí)控制簡(jiǎn)稱CCC，是指在壓實(shí)過(guò)程中利用連續(xù)壓實(shí)儀檢測(cè)振動(dòng)輪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)，根據(jù)被壓材料與振動(dòng)壓路機(jī)的相互作用，經(jīng)過(guò)處理后得到能反映土體壓實(shí)狀況的控制指標(biāo)。按振動(dòng)輪響應(yīng)信號(hào)處理方式的不同，形成了幾種連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)。基于這些技術(shù)多國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，已研制出具有不同工作原理的壓實(shí)檢測(cè)儀器，如落錘頻譜式路基壓實(shí)度快速測(cè)定儀、瑞雷波法壓實(shí)儀、核子密實(shí)度計(jì)、電渦流壓實(shí)度計(jì)等，其中以安裝在振動(dòng)壓路機(jī)上的連續(xù)壓實(shí)度儀應(yīng)用最廣[1]。本文全面解讀連續(xù)壓實(shí)度儀的發(fā)展和控制指標(biāo)，以便為有效監(jiān)控瀝青路面壓實(shí)情況提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外連續(xù)壓實(shí)度儀

目前在市場(chǎng)上使用的連續(xù)壓實(shí)度儀主要由壓路機(jī)生產(chǎn)廠家自己開發(fā)并使用，有以下幾種類型。

Geodynamik開發(fā)的壓實(shí)控制系統(tǒng)被廣泛地用于Caterpiller、Ingersoll-Rand、Vibrobax的壓路機(jī)產(chǎn)品上。它包括用于振動(dòng)壓路機(jī)和振蕩壓路機(jī)上的示波器，用于連續(xù)壓實(shí)控制的文件系統(tǒng)、以及處理CCC數(shù)據(jù)的DC軟件程序。

Ingersoll Rand 公司將智能控制技術(shù)應(yīng)用于3種高頻振動(dòng)壓路機(jī)上。3種HFA模型擁有8種振幅，每種設(shè)置都可以自動(dòng)地調(diào)整振動(dòng)頻率。操作者可以通過(guò)這種設(shè)置選用高頻低振幅完成薄層路面的作業(yè)；或者使用高振幅和低頻率的搭配，完成厚實(shí)和堅(jiān)硬路面的作業(yè)，從而降低破壞路面總體結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。

Bomag使用了一種特殊的瀝青管理系統(tǒng)，使壓路機(jī)壓輪可感應(yīng)出路面的硬度和溫度。當(dāng)路面材料變得堅(jiān)硬時(shí)，壓路機(jī)的壓輪會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)能量輸出方向，由垂直變?yōu)樗剑员ＷC達(dá)到路面的壓實(shí)要求，且不會(huì)傷害路面瀝青造成過(guò)度壓實(shí)。這套系統(tǒng)還能提示操作者路面溫度的高低，幫助操作者決定距離攤鋪機(jī)的遠(yuǎn)近。

Sakai公司的精確壓實(shí)系統(tǒng)能夠保持精確的工作速度來(lái)完成壓實(shí)工作。當(dāng)壓路機(jī)啟動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的沖擊出現(xiàn)在系統(tǒng)顯示屏上，一個(gè)簡(jiǎn)單的控制按鈕能夠幫助司機(jī)完成復(fù)位或完成每步幅8～12次的振動(dòng)。精確壓實(shí)系統(tǒng)在Sakai的SW850和SW900雙鋼輪壓路機(jī)中使用。

Caterpillar的壓路機(jī)采用 AccuGrade 壓實(shí)技術(shù)，使壓實(shí)更為簡(jiǎn)單容易。 該系統(tǒng)可以判斷工作過(guò)程中的土壤壓實(shí)效果并通過(guò)GPS進(jìn)行位置測(cè)量，提高壓實(shí)質(zhì)量，顯著降低運(yùn)營(yíng)成本，減少不必要的人力投入并優(yōu)化生產(chǎn)率。

瑞士Ammann公司推出了“ACE”壓實(shí)控制專家系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可根據(jù)瀝青或土壤情況，自動(dòng)調(diào)整頻率和振幅大小。 “ACE”系統(tǒng)可安裝在任何壓輪上。此外，它還配置一個(gè)紅外溫度儀，以防止壓實(shí)在過(guò)高或過(guò)低的溫度下進(jìn)行。

國(guó)內(nèi)西南交通大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了交通領(lǐng)域第一個(gè)連續(xù)壓實(shí)控制方面的科研項(xiàng)目，并提出了一套與動(dòng)力學(xué)方法配套的量測(cè)系統(tǒng)——壓實(shí)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)（CPMS V1.0）。該系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理與控制軟件、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理與管理以及信息傳輸軟件等組成，可以裝配在任何振動(dòng)性能穩(wěn)定的振動(dòng)壓路機(jī)上[2-3]。目前已經(jīng)發(fā)展到CPMS V5.0，實(shí)現(xiàn)了信息化管理和控制。

2 連續(xù)壓實(shí)度儀測(cè)量指標(biāo)

2.1 CMV指標(biāo)

A2Ω與AΩ的比值是一個(gè)非線性的值。對(duì)線性壓路機(jī)-土壤系統(tǒng)，30 Hz的激振頻率產(chǎn)生的振動(dòng)輪加速度一次諧波為0，A2Ω與AΩ的比值將會(huì)為0。而壓路機(jī)-土壤系統(tǒng)是非線性的，在壓實(shí)過(guò)程中，振動(dòng)輪加速度響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生失真，正弦波發(fā)生畸變。所以，通過(guò)用傅立葉變換分析激振頻率的倍數(shù)， A2Ω與AΩ比值可以衡量壓路機(jī)振動(dòng)波形失真和非線性的程度。

用實(shí)測(cè)2個(gè)周期以上的振動(dòng)輪垂直加速度諧波的頻譜來(lái)分析CMV，如圖1所示。顯示的CMV是多于2個(gè)周期計(jì)算的平均值。Geodynamik公司的儀器測(cè)量時(shí)間通常大于0.5 s，采樣時(shí)間可調(diào)。加速度計(jì)的1%失真率會(huì)影響CMV的精確度。Geodynamik報(bào)告指出，CMV在10以下時(shí)，可信度比較小。

CMV指標(biāo)與土壤壓實(shí)度、剛度的關(guān)系完全依賴于試驗(yàn)。影響CMV指標(biāo)準(zhǔn)確性的因素有：壓路機(jī)的型號(hào)、振動(dòng)的振幅和頻率、前進(jìn)的速度、土壤的類型和下基層土壤的壓實(shí)情況。因此，在連續(xù)控制壓實(shí)上應(yīng)用CMV指標(biāo)需要仔細(xì)的校正，且在隨后的實(shí)地監(jiān)測(cè)中，要嚴(yán)格保證校正的系數(shù)準(zhǔn)確。目前戴納派克公司、卡特彼勒和英格索蘭公司都利用CMV進(jìn)行了壓路機(jī)壓實(shí)度的監(jiān)測(cè)。

2.2 Omega 標(biāo)準(zhǔn)

2.5 VCV指標(biāo)

在西南交通大學(xué)制定的《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程》（TB 10108—2011）標(biāo)準(zhǔn)中，提出了連續(xù)壓實(shí)指標(biāo)VCV。VCV也是一個(gè)力學(xué)指標(biāo)，其原理是將振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)過(guò)程看作是一種動(dòng)態(tài)載荷加載過(guò)程。振動(dòng)壓路機(jī)作為加載設(shè)備，土壤是作業(yè)介質(zhì)，根據(jù)壓路機(jī)與土壤之間的相互作用，連續(xù)測(cè)量振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪垂直振動(dòng)加速度信號(hào)，建立檢測(cè)評(píng)定與反饋控制體系。通過(guò)路基結(jié)構(gòu)的反作用力來(lái)分析和評(píng)定路基的壓實(shí)狀態(tài)，得到與土壤抵抗力有關(guān)的指標(biāo)VCV，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碾壓過(guò)程中壓實(shí)質(zhì)量的連續(xù)控制，其工作原理如圖5所示。VCV試驗(yàn)與平板載荷試驗(yàn)相似，只是加載方式和測(cè)試范圍不同而已。

3 測(cè)量值評(píng)估

為了對(duì)各種測(cè)量指標(biāo)進(jìn)行比較，國(guó)外學(xué)者Adam和Kopf在一個(gè)彈性半空間里，對(duì)壓路機(jī)振動(dòng)進(jìn)行有限元分析，以土壤模量為變量分析對(duì)壓實(shí)參數(shù)測(cè)量值的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明， CMV隨著土壤模量E的增加而增加，但對(duì)于恒定的土壤模量，CMV大小依賴于振幅的變化。因此，對(duì)于相同的土壤來(lái)說(shuō)，1個(gè)較大的偏心力會(huì)產(chǎn)生大的CMV。

在連續(xù)接觸和局部隆起的模型中，Ev對(duì)土壤模量的變化很敏感，土壤模量的增加會(huì)使Ev值也增加。在連續(xù)接觸的模型中，Ev對(duì)振幅的依賴性不強(qiáng)，而在部分隆起的模型中，Ev隨著振幅的增加而增加。這種對(duì)振幅的依賴性在硬性土壤中會(huì)更加明顯。類似于Ev，KS也隨著土壤模量增加而增加，特別是在土壤部分隆起時(shí)。Mooney and Rinehart也驗(yàn)證了這種振幅與土壤剛度間的依賴性。在連續(xù)振幅下，Omega標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤剛度很不敏感；在連續(xù)的土壤模型里，CMV、Ev和KS都表現(xiàn)出來(lái)對(duì)振幅的依賴性。但理想狀況是測(cè)量值應(yīng)不依賴于偏心力和振幅，尤其是對(duì)可變振幅控制的壓實(shí)。

圖7表明，對(duì)一個(gè)給定的相對(duì)振幅，數(shù)值推導(dǎo)出來(lái)的CCC量值是土壤模量的一個(gè)函數(shù)。在連續(xù)接觸模型中，Omega、Ev和KS線性地隨著土壤模量變化而變化，而CMV是相對(duì)穩(wěn)定的。在部分隆起的土壤中，對(duì)于土壤模量的變化，CMV很靈敏，Omega的敏感性最小。

多個(gè)國(guó)家的研究結(jié)果都表明，CMV只有采用特定的壓路機(jī)碾壓一些細(xì)粒料時(shí)是有效的，而在很多情況下并不能真實(shí)地反映壓實(shí)質(zhì)量信息，這是許多國(guó)家放棄CMV這個(gè)指標(biāo)的主要原因。

4 結(jié) 語(yǔ)

總體來(lái)講，國(guó)外的連續(xù)壓實(shí)技術(shù)各有特點(diǎn)，但都有一定的局限性，究其根源，主要還是控制指標(biāo)引起的。中國(guó)雖然在這方面做了大量研究，但缺乏系統(tǒng)性和連續(xù)性，至今還沒(méi)有一套成熟的產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)推廣使用，今后還需要加大力度，進(jìn)一步開展連續(xù)壓實(shí)度計(jì)的研究、試驗(yàn)和推廣工作，以便更好地對(duì)土壤和瀝青路面壓實(shí)進(jìn)行有效的監(jiān)控。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]