朱 飛,簡杰強(qiáng),梁乃興

(1. 湖北省城建設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430051； 2. 重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)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(gè)領(lǐng)域。在道路工程中，壓實(shí)度是衡量公路路基路面質(zhì)量性能的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。有效的壓實(shí)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(shí)度。

傳統(tǒng)的路基路面的壓實(shí)度檢驗(yàn)方法有許多種，比如灌砂法、擊石法、靜載實(shí)驗(yàn)法等[2]。但傳統(tǒng)的檢測方法存在一定的不足，比如費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、費(fèi)用昂貴，取樣點(diǎn)少、代表性較差、不能夠完全反應(yīng)道路壓實(shí)情況，無法在道路壓實(shí)過程中及時(shí)地反應(yīng)道路的壓實(shí)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(shí)時(shí)連續(xù)的檢測路面壓實(shí)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(shí)連續(xù)檢測系統(tǒng)，擬合分析實(shí)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(jì)算瀝青路面壓實(shí)度的主要參數(shù)。

1 振動壓實(shí)原理

瀝青混合料在振動壓實(shí)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(shí)振動輪響應(yīng)較小[4]。隨著振動壓路機(jī)壓實(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)，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(shí)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(jì)算瀝青混合料壓實(shí)度的主要參數(shù)是可行的[5-6]。

2 壓實(shí)檢測系統(tǒng)

振動壓實(shí)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(shí)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)混合料壓實(shí)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

振動壓實(shí)度實(shí)時(shí)分析檢測系統(tǒng)如圖2。

圖2 實(shí)時(shí)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(jià)比高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于各種振動測試檢驗(yàn)中[9]。本次壓實(shí)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(shí)際使用時(shí)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(gè)信號測試單元，由4個(gè)通道組成，每通道均采用獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器和獨(dú)立的DSP實(shí)時(shí)信號處理系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)實(shí)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(shí)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(shí)連續(xù)檢測系統(tǒng)主要通過Labview虛擬儀器編程設(shè)計(jì)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(shí)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?jì)算機(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(gè)振動周期為0.02 s。在0.02 s時(shí)間內(nèi)，壓路機(jī)走的距離很短，因此每個(gè)周期測定一個(gè)加速度有效值進(jìn)行計(jì)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(xiàng)目，采用機(jī)載DH5902數(shù)據(jù)采集儀實(shí)測試驗(yàn)路段不同壓實(shí)遍數(shù)的路面振動加速度數(shù)據(jù)，分析實(shí)測加速度數(shù)據(jù)的離散性。該建設(shè)項(xiàng)目壓實(shí)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(shí)施工

在安徽省泗許高速公路施工建設(shè)項(xiàng)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(shí)采集的振動加速度信號，分別按照10～22個(gè)周期的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(gè)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(gè)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(gè)周期左右時(shí)候，達(dá)到最大；在19個(gè)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(gè)周期0.02 s時(shí)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(jì)計(jì)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(shí)連續(xù)采集系統(tǒng)采用20個(gè)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到與上述同樣的結(jié)論：振動壓實(shí)連續(xù)采集系統(tǒng)采用20個(gè)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(jì)算連續(xù)檢測時(shí)間0.4 s內(nèi)的實(shí)測加速度均值作為振動加速度有效值。

3.2 壓實(shí)度實(shí)驗(yàn)對比分析

在安徽省泗許高速公路施工建設(shè)項(xiàng)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(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，每一遍壓完之后取5個(gè)不同位置分別用無核密度儀進(jìn)行測定其壓實(shí)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(shí)度的對應(yīng)關(guān)系，如圖4。

表3 實(shí)測加速度有效值與壓實(shí)度

圖4 壓實(shí)度與加速度有效值的關(guān)系

擬合出加速度有效值與壓實(shí)度的關(guān)系式為：

D=1.05a+ 0.531 3

(3)

式中：D為壓實(shí)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(shí)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(shí)連續(xù)檢測實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)時(shí)，可以利用振動加速度有效值來作為獲取瀝青路面壓實(shí)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(jì)算瀝青路面壓實(shí)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(shí)連續(xù)檢測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)擬合分析實(shí)測加速度不同周期數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)壓實(shí)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(shí)測加速度數(shù)據(jù)均值可作為瀝青路面壓實(shí)度連續(xù)檢測的主要參數(shù)。