路基壓實的振動加速度與壓實度的相關關系

曹源文+韋建學+樊文勝+黃志福+樊友偉

摘 要：以江西省撫州至吉安高速路A1標段路基壓實施工為依托工程，通過振動加速度信號采集及采集信號的相關后續(xù)處理，建立壓實過程中振動加速度與壓實度的相關關系。結果表明：路基壓實過程中，壓實度的實時監(jiān)測對壓實質量起重要作用，其中加速度與壓實度相關關系的建立是關鍵。

關鍵詞：路基壓實；振動加速度；壓實度；壓實質量

中圖分類號：U416.04 文獻標志碼：B

文章編號：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

在中國城市道路建設過程中，傳統(tǒng)的路基壓實度檢測大都采用抽樣形式，由于抽樣檢測的局限性，在很大程度上不能全面反映整個道路鋪筑過程中的壓實情況。為滿足施工要求，多年來國內外諸多廠家和科研機構一直致力于開發(fā)以振動壓路機振動加速度與壓實度關系為原理的壓實度檢測儀器。

在路基壓實過程中，通過對壓路機振動加速度和路基壓實度的檢測，能實現(xiàn)整個路基鋪筑過程的壓實檢測，彌補了傳統(tǒng)抽樣檢測的不足之處。同時該方法具有實時檢測的特性，對工程質量的監(jiān)管工作具有一定的指導作用。因此，本文依托江西省交通廳重點科技項目——路基路面壓實度自動連續(xù)監(jiān)測新技術研究，以路基壓實的實際施工過程為例，對壓路機振動加速度信號及路基壓實度進行檢測試驗，研究壓路機振動加速度與路基壓實度的關系。

1 壓路機振動加速度信號采集

1.1 振動加速度信號采集系統(tǒng)

根據(jù)壓路機振動壓實的基本原理和信號檢測原理[1]，建立振動加速度信號采集系統(tǒng)，如圖1所示。

1.2 YE6263動態(tài)數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)

YE6263動態(tài)數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)是一種基于10/100Base-TX網卡網絡傳輸?shù)亩喙δ軘?shù)據(jù)采集測試分析系統(tǒng)，它可以用于實驗室的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)，也可構成工業(yè)生產過程中的監(jiān)控系統(tǒng)。

在振動加速度信號的采集過程中，主要用到采集儀中的3個數(shù)據(jù)采集通道，即圖2所示的動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀上從左邊起的第3、5、6通道。3個通道分別與安裝在振動輪上的3個加速度傳感器連接，在檢測過程中分別對3個通道進行參數(shù)設置和調試。采集儀通過雙絞線與計算機連接，通過對采集軟件和采集儀參數(shù)的設置，將采集儀的參數(shù)傳輸?shù)接嬎銠C并進行保存。

1.3 振動加速度信號現(xiàn)場采集

現(xiàn)場進行振動加速度信號的檢測。首先確定振動加速度傳感器的安裝位置，由于振動輪產生的沖擊波按扇形逐次向填筑材料的深層延伸，所以垂直方向上的沖擊波應最先達到底層并反饋回振動輪，且垂直方向上填筑材料受到的力最大[2]。此外，振動軸能真實反映振動輪的振動情況，因此振動加速度傳感器安裝在振動軸上并垂直地面。由于信號質量的對比需要，在實際測量時除了垂直方向還在左右偏角45°方向也安裝了振動加速度傳感器。具體安裝位置如圖3所示。

振動加速度傳感器安裝完成后，還需要對振動加速度傳感器進行標定，并對YE6263數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集參數(shù)設定。振動加速度傳感器的標定主要通過室內振動臺試驗實現(xiàn)，采集參數(shù)設置主要包括采樣頻率設定和傳感器的靈敏度設置等[3]。由于振動壓路機型號不同，振動輪的振動頻率也不一樣，主要有28、42、53 Hz幾個頻率。在對以不同振動頻率作業(yè)的壓路機進行加速度信號檢測時，為了使信號更加真實準確，必須滿足采樣定理，即采樣頻率不小于信號最高頻率的2倍。YE6263數(shù)據(jù)采集儀內置的采集頻率范圍為200～1 000 Hz，但不是范圍內的所有頻率都可以使用，主要呈梯度遞增。為使采集的信號沒有遺漏，使用的采樣頻率主要為500 Hz和1 000 Hz。經過具體試驗測試可得，在26～45 Hz范圍內最好采用500 Hz的采樣頻率，46～54 Hz范圍內最好采用1 000 Hz的采樣頻率。

數(shù)據(jù)采集儀采集參數(shù)設定好后就可以進行振動加速度信號的采集，信號采集結果如圖4所示。

2 振動加速度信號處理

在實際測量過程中，為了能夠使采集到的信號最大限度地包含有用的振動加速度信號，采集系統(tǒng)的采樣頻率一般設得較大。這樣就導致有用的信號和各種噪聲混雜在一起，難以直接識別和利用，只有分離信號和噪聲，并經過必要的處理分析、清除修正系統(tǒng)誤差之后，才能比較準確地提取所測信號中包含的有用信息。

2.1 加速度信號分析

在對檢測到的振動加速度信號進行一系列后期處理之前，首先對信號的成分進行確定。分析振動加速度信號的成分時，需要對所測振動加速度信號做頻域處理，得到如圖5所示的快速傅里葉變換頻譜圖。

由圖5可知，原始信號除了振動壓路機的空載振動頻率42 Hz外，還包括二次諧波、三次諧波、四次諧波和一些高頻的噪聲信號。原因在于：振動加速度傳感器安裝在振動軸上，振動軸和軸承之間的碰撞、摩擦會產生噪音；傳感器距離液壓馬達較近，液壓馬達工作時會產生振動和噪聲，對采集的信號產生影響；還有振動壓路機發(fā)動機的影響。因此，要對所測的原始信號進行去噪處理。

2.2 加速度信號的小波降噪

對振動加速度信號進行小波去噪處理需要經過3個步驟：首先對含噪聲的信號進行小波變換；其次對經過小波變換得到的小波系數(shù)進行去噪處理；最后對處理后的小波系數(shù)進行逆變換，得到去噪后的信號。

選擇coif小波基函數(shù)對采集到的振動加速度信號進行變換處理，并采用無偏似然估計原則進行降噪處理[4]。經過coif小波基函數(shù)和無偏似然估計原則降噪后的信號如圖6所示。

2.3 加速度信號擬合

振動加速度傳感器每秒采集到的振動加速度信號量是很大的，且采集的振動信號呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律，如果運用每個峰值對應一個壓實度值，實際意義不大。因為在一個采集完整的正弦波形的時間里，振動壓路機行駛的距離只有短短幾毫米，因此，需要確定用多少個周期的波形來充當一個壓實度反映點。

分別對1～20個周期的波形進行擬合分析，并計算數(shù)據(jù)的均值、標準偏差以及集中程度，得到圖7所示的關于數(shù)據(jù)擬合的標準偏差和集中程度的擬合曲線。

由圖7可以看出，10個周期時數(shù)據(jù)的標準偏差是最小的，且集中程度最好，因此確定以10個周期為1個單元進行擬合，求得的幅值有效值最接近真實值。

3 振動加速度-壓實度關系式

3.1 壓實度判定方法

采用有效值法利用振動加速度判定壓實度的理論依據(jù)是：在實際路基鋪筑壓實過程中，隨著壓實遍數(shù)的增加，路基填筑土的壓實度增大，加速度信號的基波幅值也隨之增大。有效值法正是基于基波的這一特性來反映填筑材料的壓實狀態(tài)。在整個壓實過程中，填筑材料的密實度一直呈增長趨勢，加速度信號的基波幅值也隨之呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，因此，采用有效值法可以完全反映出整個壓實過程壓實度的變化情況，這正是實時檢測壓實度所需要的[5-7]。

3.2 振動加速度-壓實度關系的建立

不同的填筑材料特性和不同的振動壓路機參數(shù)都會導致壓實度增長速率不同，本文以江西省撫州至吉安高速路A1標段路基壓實為依據(jù)試驗，路基填筑土為粘質土。顆粒分析試驗數(shù)據(jù)、擊實試驗數(shù)據(jù)和振動壓路機參數(shù)分別如表1～3所示。對表2中數(shù)據(jù)進行曲線擬合得到最佳含水量為13%，最大干密度為1.882 g·cm-3。

整個關系式的建立分5步：第1步，把振動加速度信號經傳感器和YE6263信號測試儀傳遞給計算機；第2步，將每一遍加速度信號導入MATLAB軟件中，對其進行小波濾波處理；第3步，將小波處理過的信號導入EXCEL表格中，以10個周期的數(shù)據(jù)進行擬合，得出相同位置下每一遍的振動加速度有效值；第4步，采用灌砂法求出所有碾壓遍數(shù)下的壓實度值；第5步，將每一遍對應的加速度值和壓實度值按照碾壓遍數(shù)進行擬合，得出加速度-壓實度關系式。

第1步為信號采集階段，采集方法按照本節(jié)前述的步驟進行。由于采集的加速度信號數(shù)據(jù)非常龐大，這里僅用其中的一部分來表示，振動加速度原始信號如圖8所示。

第2步為小波去噪階段，針對圖8的原始信號，按照前述方法進行小波濾波后的信號，如圖9所示。

第3步為擬合求幅值有效值階段。圖10為振動加速度有效值隨碾壓遍數(shù)的變化趨勢。

第4步為壓實度值計算，壓實度值等于干密度值除以最大干密度值，最大干密度由擊實試驗得到，為1.882 g·cm-3，干密度通過灌砂法得到。壓實度隨碾壓遍數(shù)的變化趨勢如圖11所示。

第5步為加速度-壓實度關系擬合。將第3步和第4步求出的加速度有效值和壓實度值按照碾壓遍數(shù)進行一一對應，如表4所示，并將其進行擬合得到加速度-壓實度關系，如圖12所示。

通過對兩者的擬合，由圖12可以得到壓實度δ和加速度有效值a之間的線性關系

δ=0.008 68a+0.627 3（1）

對擬合結果進行校正可得，判定系數(shù)R2=0.928 9，說明兩者擬合后得到的線性關系相關性很好，能夠較好地反映出兩者之間的關系。

4 結 語

本文通過對壓路機振動加速度信號的采集、處理及對路基壓實度的檢測，運用數(shù)據(jù)擬合的方法將壓路機的振動加速度與路基壓實度聯(lián)系起來，建立了基于江西省撫州至吉安高速路A1標段路基壓實的壓路機振動加速度與路基壓實度的相關關系，得到以下結論。

（1）振動軸能真實反映振動輪的振動情況，因此振動加速度傳感器安裝在振動軸上并垂直于地面。為了信號質量的對比需要，在實際測量時除了垂直方向還應在左右偏角45°方向安裝振動加速度傳感器。

（2）利用YE6263動態(tài)數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)采集到的振動加速度信號存在一定的噪音和干擾信號，擬合求幅值前應進行濾波處理。

（3）路基壓實過程中，振動壓路機的振動加速度與路基壓實度之間存在一定的線性關系，基于江西撫吉高速A1標段路基壓實的加速度-壓實度關系為δ=0.008 68a+0.627 3。

參考文獻：

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[責任編輯：黨卓鈺]