振動頻率對堆石料壓實質量監測指標的影響

劉天云　張兆省　皇甫澤華　張慶龍　宋金龍　徐玉杰　安再展

摘 要：振動壓實過程控制是土石方工程碾壓施工的發展方向。通過壓實質量連續監測技術可以實時評估當前壓實質量，通過振動頻率優化技術可以提高壓實質量和效率，但目前關于振動頻率對壓實質量監測指標影響的系統研究較少，這限制了兩種技術的結合和發展。為研究振動頻率對振動加速度頻域類壓實質量監測指標的影響，采用不同的振動頻率進行堆石料現場碾壓試驗，分析振動頻率大范圍變化時對壓實計值CMV的影響及原因。結果表明，各振動頻率下的CMV與碾壓遍數均具有較強的線性相關關系，其可以作為堆石料壓實質量監測指標。振動頻率對CMV的影響可分為三個區域，即近共振頻率區域，低于共振頻率區域和高于共振頻率區域。共振頻率區域振動輪-土相互作用力較大，振動非線性強烈，CMV最大;低于共振頻率區域振動輪-土相互作用力較小，不發生跳振，CMV比共振區域的小;高于共振頻率區域隨著振動頻率增大，振動輪-土相互作用減小，CMV減小。

關鍵詞：堆石料;振動頻率;CMV;碾壓試驗

中圖分類號：TV523?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.022

Effect of Vibration Frequency on Compaction Quality Monitoring Index of Rockfill

LIU Tianyun1， ZHANG Zhaosheng2， HUANGFU Zehua2， ZHANG Qinglong1， SONG Jinlong3， XU Yujie3， AN Zaizhan1

（1.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China;

2.Qianping Reservoir Construction and Management Administration， Zhengzhou 450003， China;

3.Henan Water Conservancy First Engineering Bureau， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：The process control is the development trend of vibration compaction construction of earthwork. The current compaction quality can be evaluated in real time by continuous monitoring technology and the compaction quality and efficiency can be improved by vibration frequency optimization technology. However， there is little systematic research on the influence of vibration frequency on compaction quality monitoring index， which limits the combination and development of the two technologies. In order to study the influence of vibration frequency on the frequency domain monitoring index， the field compaction test of rockfill was carried out with different vibration frequencies. The influence of vibration frequency on CMV and the causes were analyzed. The results show that the CMV has a strong linear correlation with the number of roller passes at each vibration frequency and can be used as a monitoring index for the compaction quality of rockfill materials. The influence of vibration frequency on CMV can be divided into three regions， namely， near resonance frequency region， lower than resonance frequency region and higher than resonance frequency region. In the resonance frequency region， the wheel-soil interaction force is large and the vibration nonlinear is strong， thus the CMV is the largest. The CMV in the lower than the resonance frequency region is smaller than that of the resonance region because of the smaller wheel-soil interaction force. With the increase of the vibration frequency， the wheel-soil interaction force decreases and the CMV decreases with the increase of the vibration frequency.

Key words： rockfill materials; vibration frequency; CMV; rolling compaction test

1 研究概述

土石方振動壓實廣泛應用于各類土木工程建設中，壓實質量對工程安全至關重要。對土石壩而言，壓實質量不達標可能導致大壩不均勻沉降、抗滑穩定性不足和庫水滲漏等問題[1]，嚴重危害大壩安全。目前土石壩壓實質量檢測一般采用事中碾壓參數控制與事后試坑取樣結合的方法，工作量大，效率較低，不能對全壩面壓實質量進行實時監測評估。20世紀70年代發現振動輪加速度二次諧波幅值隨土體剛度的增大而增大，由此提出壓實計值CMV（Compaction Meter Value）作為土石料壓實質量監測指標[2]。此后，許多學者提出各種壓實質量監測指標，并結合GPS等技術研發出一些新的壓實技術，大大提高了碾壓施工效率和質量[3-4]。隨著對振動壓實理論的深入研究發現振動頻率對壓實效果有重要影響。一些學者將壓路機和土視為一個動力系統，研究碾壓頻率對該動力系統的影響[5-6]。研究表明，振動頻率對壓實效果有顯著影響，對某一剛度土體存在最優振動頻率，且隨著土體剛度的增大，最優振動頻率增大[7-8]。另一些學者通過試驗方法對此進行了研究，如Wersll等[9-10]研究了不同振動頻率對砂礫料壓實效果的影響，王莉[11]提出碾壓過程中振動頻率的優化方法等，生產廠商研發了可調節振動頻率的碾壓機[12]。但目前振動頻率優化并沒有在實際工程中應用，主要原因之一是振動頻率優化建立在已知當前壓實狀態的基礎上，而振動頻率的改變會導致壓實質量監測指標的變化，目前對這種影響的研究還不夠深入全面。因此，研究振動頻率對壓實質量監測指標的影響具有重要的工程意義。

壓實質量監測指標中有一類指標是通過加速度信號頻域分析得到的，如CMV、壓實監測值CV（Compaction Value）和壓實控制值CCV（Compaction Control Value），其本質都是反映加速度信號的畸變程度。目前對該類指標的工程適用性研究較多，但關于振動頻率對該類指標影響的研究較少。

劉東海等[13]針對堆石料提出CV作為壓實質量監測指標，研究了CV與碾壓遍數、行車速度、鋪層厚度和激振力狀態的關系。其中激振力分為低頻高幅和高頻低幅兩種模式，圖1（a）和（b）分別為兩種振動模式碾壓情況下第2遍和第8遍碾壓的CV值，可以看出在相同碾壓遍數情況下，各測點在低頻高幅振動模式下的CV值明顯大于高頻低幅模式下的。但激振力狀態包含振動頻率和振幅兩個參數，該結果并沒有將兩個因素分離，因此不能直接說明振動頻率對CV的影響。

范娟等[14]采用正交試驗研究了振幅、振動頻率、碾壓速度和行駛速度4個因素對高速鐵路路基壓實質量監測指標CMV的影響，其中振動頻率采用了29.0、30.5、32.0、33.5 Hz四個水平。采用方差分析對4個因素進行了顯著性分析，結果見表1。可見，振動頻率對CMV具有顯著影響。

Mooney[12]總結了智能壓實（Intelligent Compaction，簡稱IC）的發展現狀。IC在連續壓實控制（Continuous Compaction Control，CCC）系統的基礎上結合了自動反饋系統，可以實時監測壓實質量并調整碾壓參數，但目前IC并沒有實際應用，主要原因是當前壓實質量評估模型沒有考慮碾壓參數變化。Mooney總結了各碾壓參數（如振幅、振動頻率、行車速度和行車方向）對各壓實質量監測指標的影響。圖2為振動頻率對CCV的影響，可以看出振動頻率為20 Hz情況下的CCV明顯大于振動頻率為25 Hz情況下的CCV。

雖然關于振動頻率對CMV的影響的研究取得了一些成果，但由于試驗碾壓機沒有經過專門的改造，因此存在頻率和振幅無法分離、頻率變化范圍較小和試驗采用的振動頻率較小等問題，是振動頻率局部范圍影響的研究，不能系統全面分析振動頻率對壓實質量監測指標的影響，也無法對影響原因進行準確分析。

本文通過對振動碾壓機進行改造，實現振動頻率大范圍無級調節，采用不同的振動頻率對堆石料進行現場碾壓試驗，研究了振動頻率大范圍變化對壓實質量監測指標的影響，并對影響原因進行了分析。

2 現場碾壓試驗

為研究不同振動頻率對CMV的影響，在河南省前坪水庫進行了堆石料現場碾壓試驗。前坪水庫位于河南省洛陽市汝陽縣前坪村，為大（2）型水庫，主壩為黏土心墻土石壩。現場碾壓試驗碾壓材料為壩殼堆石料，由水庫上游料場開采，最大粒徑400 mm，含水率為3%～4%。

試驗機械為三一重工26 t振動碾壓機（見圖3），碾壓機進行了智能化改造，裝配有RTK-GPS系統和無級調頻系統。無級調頻系統由變量泵-定量馬達組成，通過控制變量泵電磁閥開口大小來控制進入振動馬達的液壓油流量，從而實現振動頻率的調節。改造后的碾壓機可實現振動頻率0～34 Hz范圍內的無級調節。加速度傳感器量程為±10g，固定在振動輪上，可實時采集振動輪豎向振動加速度信號。碾壓機位置和車速可通過RTK-GPS系統實時獲得。

為研究振動頻率對CMV的影響及各振動頻率條件下CMV作為堆石料壓實質量監測指標的適用性，采用頻率14、20、24、28、32 Hz進行碾壓試驗。各頻率試驗對應一條長12 m的試驗條帶，共往返碾壓8遍，采集每一遍碾壓的振動輪振動加速度信號。采用快速傅里葉變換進行頻域分析并計算CMV。條帶每1 m長度計算一個CMV值，12個CMV的平均值作為該條帶的CMV值。最后在一條完全壓實的試驗條帶上采用12、14、16、18、20、22、24、28、32、34 Hz這10個振動頻率進行碾壓試驗，測定完全壓實堆石料上各頻率對應的CMV。以上試驗車速均為0.69 m/s。

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【責任編輯 張華巖】