陳嘉錫,張 勇,盧 吉,周 誠

(1.華中科技大學 土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢市市政建設集團有限公司，湖北 武漢 430023)

機場道面是機場最重要的基礎設施，其正常功能的發(fā)揮對航運交通安全具有重大意義[1]。而機場道路基作為機場道面的承重部分，是確保道面整體強度和穩(wěn)定性的關鍵[2]。隨著我國航運事業(yè)的迅速發(fā)展，對路基結構的穩(wěn)定性和耐久性要求不斷提高，壓實質(zhì)量控制要求因而更加嚴格。

壓實質(zhì)量檢測是保證工程質(zhì)量的最主要手段，壓實質(zhì)量的檢測方法和指標對質(zhì)量控制起關鍵作用。當前的壓實質(zhì)量控制主要采用了隨機抽樣的檢測方法，常規(guī)的檢測方法大體可分為三類：(1)壓實度測試，例如灌砂(水)法、環(huán)刀法等；(2)彎沉試驗，例如動態(tài)彎沉儀法、貝克曼梁法等；(3)平板載荷類試驗[3]。其中，壓實度測試屬于物理指標檢測，彎沉試驗和平板載荷試驗屬于力學指標檢測。傳統(tǒng)的隨機抽樣點檢測方法能夠在一定程度上評價路基工程的壓實質(zhì)量，但由于質(zhì)量檢測的抽樣隨機且數(shù)量有限，其檢測結果難以作為整體壓實質(zhì)量的評判依據(jù)；且這類隨機抽樣質(zhì)量檢測缺乏過程控制，碾壓過程往往存在大量的“過碾”和“欠碾”現(xiàn)象，若不能夠及時發(fā)現(xiàn)和解決施工過程中的壓實質(zhì)量問題，出現(xiàn)需要返工的情況，將對人力、物力、財力造成一定的浪費；此外，僅根據(jù)少量的檢測值無法對路基的壓實均勻性和穩(wěn)定性進行全面的評判。由此可見，常規(guī)的質(zhì)量檢測方法難以適應新時期填筑工程“高標準、高質(zhì)量、高效率”的發(fā)展需求。

因常規(guī)質(zhì)量檢測方法自身的局限性，通過在振動輪上安裝傳感器來采集碾壓過程中的振動響應信號并實時計算和處理信號來評估碾壓質(zhì)量的連續(xù)壓實控制技術開始萌芽，逐漸在世界各地得到了廣泛地采用，也隨之提出有多種壓實控制指標。主要分為經(jīng)驗反應類的間接指標和基于力學模型的直接指標，前者代表性的有壓實密度值CMV、連續(xù)壓實值CCV及諧波總失真THD等，后者有動態(tài)模量Evib及動態(tài)剛度Ks等[4]。一般的經(jīng)驗反應類間接指標都是基于振動輪中心處垂向加速度信號進行傅里葉變換，再通過其對應的頻譜特征判定被壓填料的壓實質(zhì)量，而基于力學模型的直接指標是根據(jù)振動壓路機與填筑體之間的相互作用，采用經(jīng)典力學理論進行了復雜的推導和計算得到的，要求振動輪與填筑體緊密接觸無彈跳現(xiàn)象，而這在工程實際中是很難達到的。實際碾壓過程中振動輪的響應信號往往是非線性、非平穩(wěn)的，其振動的幅值、頻率變化十分復雜，如果僅僅通過時域或頻域進行分析會對精度造成影響，也不利于深入了解振動波的傳播機制，可能會限制路基智能壓實技術的推廣與應用[5]。另外，隨著連續(xù)壓實控制技術的發(fā)展和逐漸被提高的質(zhì)量標準，壓實質(zhì)量合格標準不再單純依靠壓實程度的評估，包括壓實均勻性評價和壓實穩(wěn)定性評價在內(nèi)的質(zhì)量控制指標逐漸被引入壓實質(zhì)量控制和評估方法，這也是今后連續(xù)壓實控制技術發(fā)展的方向。

綜上所述，盡管可用于連續(xù)壓實控制的檢測指標種類較多，但都需要滿足一定的理論假設條件，在實際工程中難以一一滿足，伴隨有壓實質(zhì)量控制技術的發(fā)展與質(zhì)量標準的提高，亟需有許多新的方法提出來分析這些信號。目前，用于振動輪響應信號分析的時頻分析方法較多，比如短時傅里葉變換[6]、小波變換[7]、S變換[8]等，它能反映振動輪加速度信號的時間、頻率和振幅之間的關系，而HHT很少用于壓路機振動輪加速度信號的時頻分析，在處理非平穩(wěn)信號方面具有獨特的優(yōu)勢。

基于此，本文以某通用機場飛行區(qū)擴建項目部分路基段作為試驗場地，通過在振動壓路機車輪處布設傳感器，從時頻域與穩(wěn)定性這兩個方面來研究振動信號的傳播規(guī)律，評估機場路基的壓實工作。通過穩(wěn)定性表征值來比較評估不同碾壓遍數(shù)、不同位置之間的壓實質(zhì)量穩(wěn)定性，可以提供給壓路機駕駛員一個直觀可量化的判斷標準來識別壓實薄弱區(qū)域，并指導其改進駕駛操作確保壓實質(zhì)量，相比僅依靠駕駛經(jīng)驗來施工更具有可靠性。

1 現(xiàn)場試驗方案

為研究機場路基填料壓實過程壓路機振動信號的傳播規(guī)律，本文將有大量路基填筑壓實工作的某通用機場飛行區(qū)滑行道作為試驗段，圖1為該機場飛行區(qū)地理位置圖。

圖1 某機場飛行區(qū)地理位置

選取試驗段區(qū)域大小為16 m×100 m，該試驗段路基分為7層自下而上分層填筑壓實。首先由素填土路床填至設計標高處；然后鋪筑三層級配碎石墊層，厚度為80 cm，分別由人工配合機械攤鋪壓實，其中壓實厚度依次為30，30，20 cm，攤鋪時應均勻一致，攤鋪機械后面應設專人消除粗、細集料離析現(xiàn)象；接下來設計有兩層水泥穩(wěn)定碎石層，均為18 cm厚；最后澆筑34 cm厚的水泥混凝土面層。路面總厚度為150 cm。

本次試驗振動壓實設備采用龍工LG523A6型單鋼輪振動壓路機，帶駕駛室工作質(zhì)量為23 t，額定功率為136 kW，振動頻率為28～33 Hz，激振力為300～412 kN。其中數(shù)據(jù)采集設備采用MOBA公司MAS-180型加速度傳感器，靈敏度為100 mV/g，加速度范圍為±18g，《公路路基填筑工程連續(xù)壓實控制系統(tǒng)技術條件》[9]要求振動傳感器應緊密牢固地垂直安裝在振動壓路機振動輪的內(nèi)側機架中心位置上，如圖2所示。

圖2 傳感器布置示意

基于前期大量的壓實工作，在該滑行道路基填料鋪平，靜壓后，采用小振更有利于路基的壓實。因此，當填料鋪平，靜壓后，采用小振方式進行壓實。另由于該壓路機車輪寬度為2.3 m，試驗段寬度為16 m，分為2.3×7=16.1 m，因此可細分為七道碾壓。該道次分配圖如圖3所示。

圖3 壓路機車道道次分配

2 基于Hilbert-Huang變換的振動信號處理

2.1 Hilbert-Huang變換理論

希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform，HHT)由美籍華人黃鍔在1998年首次提出[10]。HHT被認為是一種處理非線性、非平穩(wěn)信號的自適應算法[11]。HHT分成兩個部分,經(jīng)驗模態(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和希爾伯特譜分析(Hilbert Spectral Analysis,HSA)。

其中經(jīng)驗模態(tài)分解往往被稱為是一個“篩選”過程。這個篩選過程依據(jù)信號特點自適應地把任意一個復雜信號分解為一列本征模態(tài)函數(shù)。定義如下：(1)在整個時間序列中，極值點的數(shù)目與過零點的數(shù)目必須相等或最多相差一個；(2)在任意一時間點，信號的局部極大值和局部極小值定義的包絡的均值為零[12]。

這類本征模態(tài)函數(shù)的瞬時頻率(Instantaneous Frequency，IF)有著明確的物理意義。因此,經(jīng)驗模態(tài)分解后，對每一個固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Model Function,IMF)作希爾伯特變換(Hilbert Transform，HT),繼而可求取每一個IMF的瞬時頻率[13]。

下面以壓路機振動信號為例，首先將長度為N的壓路機振動信號x(n)進行經(jīng)驗模態(tài)分解，得到M個振動信號的基本模式分量c1，c2,c3，…，cM，和剩余分量rm，其中rm是一個單調(diào)函數(shù)(即不滿足IMF定義條件)。此時有

對振動信號的每個基本模式分量進行Hilbert變換，則有振動信號x(n)的Hilbert譜表達為

式中：ai(n)為基本模式分量ci的瞬時幅值；wi(n)為基本模式分量ci的瞬時頻率。

振動信號x(n)的Hilbert時頻譜為

H(w,n)=∑biai(n)eiwi(n)n，

振動信號x(n)的Hilbert 邊界譜為

其平均邊界譜定義為

振動信號平穩(wěn)度定義為

振動信號的平穩(wěn)度DS(w)可以定量檢測出壓路機壓實質(zhì)量的平穩(wěn)性。若其振動信號為平穩(wěn)信號，則其Hilbert譜不隨時間變化，此時DS(w)=0；若振動信號為非平穩(wěn)信號，即表現(xiàn)為其Hilbert譜隨時間變化，則其DS(w)將不為0，并且隨著信號不平穩(wěn)性提高，DS(w)會呈現(xiàn)出越來越大的趨勢。

2.2 基于Hilbert-Huang變換的計算

采集振動信號數(shù)據(jù)時該試驗區(qū)域正處于級配碎石專項施工階段，其中振動壓路機碾壓4遍(一去一回為一遍)，靜碾壓路機碾壓1遍，至無輪跡為止?？紤]到在路基壓實過程中，振動壓路機行駛速度對填料壓實度有一定的影響，所以在試驗段壓實時，設定振動壓路機的行駛速度為3 km/h，并檢查布設好傳感器，在非試驗段壓實時停止傳感器工作，對于數(shù)據(jù)中所產(chǎn)生的噪聲，采用3σ原則去除誤差數(shù)據(jù)。另外，考慮到壓路機工作原理及試驗段碾壓質(zhì)量同道次變化不大，且時間相對較短，因此在研究中，我們以10 m車道為最小單位，進行振動信號分析。

以滑行道級配碎石第三層第一遍第一道為例，繪制出該道次振動信號波動圖,如圖4所示。

圖4 第三層第一遍第一道振動信號波動圖

下一步計算該道次穩(wěn)定性表征值。首先使用MATLAB對振動信號進行預處理去除趨勢項然后再進行EMD分解，由定義計算可得到5個IMF分量和1個殘余分量，在此基礎上再將每個IMF分量進行Hilbert變換即可獲得該道次振動信號的Hilbert譜，如圖5所示。再將每個IMF的Hilbert譜進行合成，即可獲得該振動信號的Hilbert譜，如圖6所示，并以顏色暖冷表示能量的大小。易得該振動信號經(jīng)過分解之后有不同振幅和頻率成分的IMF分量，其中IMF4分量的幅值最大，且波形圖與振動輪原始信號波形圖基本保持一致，其次是IMF5，其余IMF分量頻率分布范圍較廣且幅值相對較低，振動波能量普遍集中于低頻部分，且存在很大損耗。

圖5 分解后的IMF分量及其Hilbert譜

圖6 振動輪的Hilbert譜

3 試驗結果及分析

在機場路基施工過程中，良好均勻的壓實度是路基壓實質(zhì)量的重要評價指標，然而由于機場路基填料自身的不均勻性加上駕駛員駕駛習慣差異性等因素，普遍存在有壓實不均勻這一現(xiàn)象。對此，我們選取壓實級配碎石第三層壓實數(shù)據(jù)作為研究對象，比較分析不同碾壓遍數(shù)與碾壓位置的振動信號，首先做出其信號波動圖及其Hilbert譜(圖7)，再分析信號在頻率-幅值范圍內(nèi)的分布規(guī)律即邊際譜(圖8,9)，并根據(jù)其穩(wěn)定性表征值計算壓實質(zhì)量穩(wěn)定性，從而對機場路基施工的整體質(zhì)量進行評價。

圖7 不同碾壓道次信號波動圖及其Hilbert譜

3.1 基于不同碾壓遍數(shù)的壓實質(zhì)量評價

綜合分析圖8可知：振動輪能量主要集中在某一頻率附近，且振動信號邊際譜呈單峰值形態(tài)，隨著碾壓遍數(shù)的增加，振動輪所攜帶的能量逐漸增加，但同時依舊存在有能量分散的情況，振動能量發(fā)生了大量的消耗，傳遞效率過低。

圖8 不同碾壓遍數(shù)邊際譜

3.2 基于不同碾壓道次的壓實質(zhì)量評價

由圖9可得，同一碾壓遍數(shù)不同道次上邊際譜比較接近，這說明在機場滑行道路基施工中同一層壓實質(zhì)量不均勻性較小，同時存在有如圖9d中邊際譜曲線明顯異常的情況，這種可能是該處路基填料質(zhì)量不佳，或者壓路機壓實不到位，需要聯(lián)系施工人員對潛在薄弱區(qū)域進行識別并換填或操作壓路機進一步壓實。

圖9 不同碾壓道次邊際譜

3.3 基于穩(wěn)定性表征值的壓實質(zhì)量評價

根據(jù)上述算法，對該試驗段的壓實數(shù)據(jù)求取穩(wěn)定性表征值，并繪制出該試驗區(qū)域中數(shù)據(jù)良好道次的穩(wěn)定性波動曲線(見圖10,11)。因為求取出的穩(wěn)定性表征值是一個無量綱的、自主定義的值，所以我們無法將其與振動壓路機的壓實質(zhì)量直接對應，但通過此穩(wěn)定性表征值可比較評估不同碾壓遍數(shù)、不同位置之間的壓實質(zhì)量穩(wěn)定性，可以提供給壓路機駕駛員一個直觀可量化的判斷標準，并指導其改進駕駛操作。借助于這種評估手段，與僅依靠駕駛員操作經(jīng)驗相比更具有可靠性。以滑行道級配碎石第三層第一、二遍為例，可以計算第一、二遍均值分別為0.2523，0.3543，表明該區(qū)域壓實質(zhì)量總體上相對穩(wěn)定，但是第一遍時第五道為0.5576，第二遍第七道為0.9307，超出其他道次較多，可能是該段路基顆粒級配配比不佳，存在有較大粒徑碎石不易壓實，可以提醒駕駛員對此段路基重點壓實或者聯(lián)系施工人員對此進行改善處理。

圖10 第三層第一遍穩(wěn)定性波動曲線

4 結 論

本文以某飛行區(qū)擴建項目部分機場路基施工為例，使用Hilbert-Huang變換從時頻域與穩(wěn)定性這兩個方面研究了振動信號傳播規(guī)律及路基壓實質(zhì)量，得出以下結論：

(1)隨著碾壓遍數(shù)的增加，振動輪所攜帶的能量逐漸增加，但能量較為分散且傳遞效率偏低，如何提高能量傳遞效率成為當務之急；

(2)對于同一碾壓遍數(shù)的不同道次，一般邊際譜曲線差異不大，不均勻性較小，若存在有明顯異常情況，可通過對潛在薄弱區(qū)域進行識別并采取換填或繼續(xù)壓實措施，保障路基的壓實質(zhì)量均勻性；

(3)通過穩(wěn)定性表征值可比較評估不同碾壓遍數(shù)、不同位置之間的壓實質(zhì)量穩(wěn)定性，可以提供給壓路機駕駛員一個直觀可量化的判斷標準，并指導其改進駕駛操作，比僅依靠駕駛員操作經(jīng)驗更具有可靠性。

圖11 第三層第二遍穩(wěn)定性波動曲線