朱 飛,簡杰強(qiáng),梁乃興

(1. 湖北省城建設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430051； 2. 重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院,重慶 400041)

0 前 言

隨著我國公路行業(yè)的快速發(fā)展，瀝青路面被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在道路工程中，壓實度是衡量公路路基路面質(zhì)量性能的一個重要指標(biāo)[1]。有效的壓實可以提高瀝青混合料的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和疲勞特性，也直接影響到瀝青路面的平整度和密實度。

傳統(tǒng)的路基路面的壓實度檢驗方法有許多種，比如灌砂法、擊石法、靜載實驗法等[2]。但傳統(tǒng)的檢測方法存在一定的不足，比如費工、費時、費用昂貴，取樣點少、代表性較差、不能夠完全反應(yīng)道路壓實情況，無法在道路壓實過程中及時地反應(yīng)道路的壓實情況，不可避免的產(chǎn)生欠壓或者過壓現(xiàn)象。因此，學(xué)者們正在積極探索一種有效的、精確地、實時連續(xù)的檢測路面壓實度的方法[3]。

筆者建立“振動輪-混合料”動力學(xué)模型，分析瀝青路面混合料在振動碾壓作用下的力學(xué)變化，利用Labview虛擬儀器編程振動壓實連續(xù)檢測系統(tǒng)，擬合分析實測加速度不同周期數(shù)據(jù)，得到合理連續(xù)的檢測周期作為計算瀝青路面壓實度的主要參數(shù)。

1 振動壓實原理

瀝青混合料在振動壓實初期，填料密度較小，分散疏松，混合料的彈性剛度較低、阻尼較大，此時振動輪響應(yīng)較小[4]。隨著振動壓路機(jī)壓實遍數(shù)的不斷增加，填料密度也逐漸增大，混合料的彈性剛度也隨之增大、阻尼變小，此時振動輪響應(yīng)也隨之增大。

根據(jù)牛頓第二定律，從力的平衡角度出發(fā)，分析瀝青混合料壓實原理，建立“振動輪-混合料”二自由度動力學(xué)模型，模型如圖1。

圖1 二自由度動力學(xué)模型

根據(jù)“振動輪-混合料”動力學(xué)模型計算分析，得到振動輪加速度幅值：

(1)

式中：k2為瀝青混合料剛度；c2為瀝青混合料阻尼。

由式(1)可得：當(dāng)振動壓路機(jī)按某一固定頻率和振幅進(jìn)行碾壓時，可認(rèn)為系統(tǒng)中只有k2、c2是變化的。故振動輪的垂直加速度與混合料的剛度與阻尼有關(guān)，混合料的壓實程度不同，剛度和阻尼則不同。因此，采用振動加速度值作為計算瀝青混合料壓實度的主要參數(shù)是可行的[5-6]。

2 壓實檢測系統(tǒng)

振動壓實連續(xù)檢測系統(tǒng)主要采用ICP壓電式加速度傳感器作為振動輪加速度信號檢測元件，采用機(jī)載DH5902動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和傳輸，最后通過Labview虛擬語言編程處理振動輪加速度數(shù)據(jù)信號[7-8]。在振動輪作業(yè)時，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)混合料壓實狀態(tài)的實時監(jiān)測。

振動壓實度實時分析檢測系統(tǒng)如圖2。

圖2 實時分析檢測系統(tǒng)

ICP壓電式加速度傳感器具有體積小、抗外界干擾小、靈敏度高、性價比高、安裝方便等優(yōu)點，被廣泛用于各種振動測試檢驗中[9]。本次壓實度檢測采用DH-186壓電式加速度傳感器，壓電式傳感器輸出的信號為電信號，實際使用時需將電壓信號轉(zhuǎn)化為加速度數(shù)字信號。DH-186壓電式加速度傳感器的具體參數(shù)如表1。

表1 DH-186傳感器參數(shù)

機(jī)載DH5902數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)置PC/104嵌入式工控機(jī)，用以太網(wǎng)與筆記本電腦連接。每個信號測試單元，由4個通道組成，每通道均采用獨立的A/D轉(zhuǎn)換器和獨立的DSP實時信號處理系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)實現(xiàn)了多通道同步并行采樣，采樣速率不受通道數(shù)的限制，通道間無串?dāng)_影響，同時大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖3 DH5902動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

振動壓實連續(xù)檢測系統(tǒng)主要通過Labview虛擬儀器編程設(shè)計對壓電式加速度傳感器采集到的信號進(jìn)行處理得到壓實度的一種方式[9-10]。

圖4 數(shù)據(jù)信號處理圖框

3 加速度有效值

機(jī)載DH5902動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將采集到的電壓信號不斷地傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行分析處理。一般情況下，振動壓路機(jī)振動頻率50 Hz，即振動信號的單個振動周期為0.02 s。在0.02 s時間內(nèi)，壓路機(jī)走的距離很短，因此每個周期測定一個加速度有效值進(jìn)行計算分析不合理，且比較復(fù)雜。

3.1 加速度擬合分析

依托安徽省泗許高速公路瀝青路面工程建設(shè)項目，采用機(jī)載DH5902數(shù)據(jù)采集儀實測試驗路段不同壓實遍數(shù)的路面振動加速度數(shù)據(jù)，分析實測加速度數(shù)據(jù)的離散性。該建設(shè)項目壓實機(jī)械采用雙鋼輪振動壓路機(jī)戴納派克622/125 KW。

圖4 瀝青混合料路面振動壓實施工

在安徽省泗許高速公路施工建設(shè)項目瀝青混合料路面現(xiàn)場碾壓施工現(xiàn)場，選取施工路面K23+425～K23+653左幅路段振動壓實采集的振動加速度信號，分別按照10～22個周期的數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合。在同一振動壓路機(jī)作業(yè)和同一段加速度數(shù)據(jù)下，通過大量的數(shù)據(jù)擬合分析，得到不同周期數(shù)據(jù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及變異系數(shù)，如表2。

表2 不同周期加速度擬合數(shù)據(jù)性質(zhì)

根據(jù)表2可得到：每組周期數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，均小于0.2，甚至有些周期數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)小于0.05，表明每組振動加速度數(shù)據(jù)相對比較集中，無較大離散性。為了確定加速度擬合周期長度，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，對10～22個周期下變異系數(shù)進(jìn)行擬合分析，從而得到如圖3的擬合曲線。

圖3 變異系數(shù)數(shù)據(jù)周期擬合

根據(jù)圖3分析得到：每組周期數(shù)的變異系數(shù)均較小，且隨著每組周期數(shù)的增加呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律；19個周期之前，隨著擬合周期數(shù)的增加，數(shù)據(jù)的集中程度逐漸增大，大致在19個周期左右時候，達(dá)到最大；在19個周期之后，隨著擬合周期數(shù)的增加，集中程度呈減小的趨勢。

每一個周期0.02 s時間內(nèi)振動壓路機(jī)行走距離較短，為了后期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算方便，在不影響整體數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，振動壓實連續(xù)采集系統(tǒng)采用20個周期的數(shù)據(jù)長度對采集到的加速度信號進(jìn)行擬合比較合理。

在安徽省泗許高速公路施工建設(shè)項目瀝青混合料路面現(xiàn)場碾壓施工現(xiàn)場，選取施工路面K19+237～K19+563左幅路段和K24+358～K24+741右幅路段分別進(jìn)行相同的實驗數(shù)據(jù)分析，得到與上述同樣的結(jié)論：振動壓實連續(xù)采集系統(tǒng)采用20個周期的數(shù)據(jù)長度對采集到的加速度信號進(jìn)行擬合比較合理。

(2)

式中：fc為采樣頻率；f為振動頻率。取f=50 Hz，則t=0.4 s。

因此，可以通過計算連續(xù)檢測時間0.4 s內(nèi)的實測加速度均值作為振動加速度有效值。

3.2 壓實度實驗對比分析

在安徽省泗許高速公路施工建設(shè)項目瀝青混合料路面現(xiàn)場碾壓施工現(xiàn)場，取一段碾壓段作為試驗段進(jìn)行現(xiàn)場試驗。在試驗過程中，每一遍壓完之后取5個不同位置分別用無核密度儀進(jìn)行測定其壓實度，然后選取與之對應(yīng)位置的振動加速度有效值進(jìn)行分析。擬合出加速度有效值與壓實度的對應(yīng)關(guān)系，如圖4。

表3 實測加速度有效值與壓實度

圖4 壓實度與加速度有效值的關(guān)系

擬合出加速度有效值與壓實度的關(guān)系式為：

D=1.05a+ 0.531 3

(3)

式中：D為壓實度，%；a為加速度有效值，m/s2。

校正后的擬合系數(shù)R2=0.954 2，相關(guān)性較好，表明路面壓實度值與加速度有效值擬合相關(guān)性較好。因此，在研究分析瀝青路面振動壓實連續(xù)檢測實時分析系統(tǒng)時，可以利用振動加速度有效值來作為獲取瀝青路面壓實度的一種方法。

4 結(jié) 語

通過研究分析瀝青路面“振動輪-混合料”動力學(xué)模型，得到振動輪加速度與混合料的剛度和阻尼有關(guān)，可采用振動輪加速度值作為計算瀝青路面壓實度的主要參數(shù)。

通過ICP壓電式傳感器和DH5902數(shù)據(jù)采集儀采集施工現(xiàn)場加速度數(shù)據(jù)信號，基于Labview虛擬編程建立瀝青路面振動壓實連續(xù)檢測系統(tǒng)。實驗擬合分析實測加速度不同周期數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場實驗壓實度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到采用連續(xù)檢測0.4 s內(nèi)的實測加速度數(shù)據(jù)均值可作為瀝青路面壓實度連續(xù)檢測的主要參數(shù)。