CN102535313A - 压实土层结构的可驱动设备、确定该结构最上层层弹性模量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于压实土层结构(2)的可驱动设备，具有至少一个振动装置，经由所述振动装置，可以将压实土层结构(2)的载荷脉冲(P)引入至少一个载荷引入区域(8)中，在设备(1)上彼此间隔开地设置用于检测土层结构(2)的弹性模量的至少一个第一和第二检测装置(10，12)，使得第一检测装置(10)允许在载荷引入区域(8)中进行检测，至少第二检测装置(12)允许在载荷引入区域外部进行检测。还涉及一种用于确定层弹性模量的方法，第一检测装置(10)实施成，使之允许在载荷引入区域中检测土层结构(2)的凹陷沟槽(14)的第一值w1，第二检测装置(12)实施成，使之允许在载荷引入区域(8)外部检测凹陷沟槽(14)的第二值w2。
Description
技术领域
本发明涉及一种压实土层结构的可驱动设备，其具有至少一个振动装置，例如振动滚筒或振动板，经由所述振动装置，可以将压实土层结构的载荷脉冲引入至少一个载荷引入区域中。
另外，本发明还涉及一种用于在压实过程中确定土层结构的最上层、尤其是路面沥青层的层弹性模量的方法。
背景技术
用于压实土层结构的设备在现有技术中是已知的。例如，存在机械驱动的滚筒，尤其是压路机，通过所述滚筒可以压实土层结构，尤其是压实包括基层的沥青路。为此，这些设备以及上述压路机具有一振动装置，借助所述振动装置，可以将压实土层结构的载荷脉冲引入土层结构的表面中。
可驱动设备在待压实的土层结构上分多个工作步骤移动，在每次通过时进行进一步压实，直至实现最大压实。在实现最大压实之后，不再需要进一步压实土层结构，或者，进一步的压实甚至会产生反作用，因为这导致压实的土层结构重新疏松，并导致压实设备的过度疲劳。为此，连续地或者以特定间隔检测土层结构的压实度是很重要的。
但是，在这种情况下成问题的是：由于土壤结构由不同层组成，对相应层的弹性模量、即层弹性模量进行精确检测是不可能的，这是因为各个层的弹性模量(尤其是游离层的弹性模量)彼此相互影响。
利用所谓“落锤式弯沉仪”(FWD)的方法是现有技术中已知的，其中，通过借助于确定数量的检测装置确定由载荷脉冲引起的凹陷沟槽，可以实现层弹性模量的比较精确的检测。尤其是在评价已有沥青路的承载能力的情况下，利用“落锤式弯沉仪”的承载能力研究越来越变得有意义。利用“落锤式弯沉仪”，利用下落质量对路面施加载荷脉冲，所述下落质量用于模拟车轮滚压。土层结构表面的瞬时出现的竖向变形记录在载荷中心，远至离开载荷中心的八个预定距离处。
通过凹陷沟槽的所测量的凹陷，确定整个道路结构的硬度。更深层对所测量的凹陷的影响随着离开载荷引入点的距离的增加而增加。这意味着，载荷引入点处的凹陷与整个层结构的承载能力有关，而最远获得(pickup)的凹陷实质上由基层或更深层的承载能力确定。然后基于弹性半度空间理论以及Boussinesq/Odemark的多层模型(例如2层或3层模型)进行硬度或层弹性模量的计算。
载荷引入点处的硬度模量形成所谓的等效模量，即在全部层的影响下的整个土层结构的弹性模量。在更远的测量点处，确定所谓的承底(bedding)模量，即基层的弹性模量。然后借助于反算，根据所测量的凹陷沟槽或路面的弹性模量，确定各个层的弹性模量。在计算中结合束缚承载层和游离承载层的层厚度。
但是，这种方法存在下述缺点：利用“落锤式弯沉仪”确定层弹性模量非常费时，而且测量过程中不能在土层结构上执行任何其他工作。而且，通过“锤式弯沉仪”得的值仅仅是对土壤压实设备(尤其是对压路机)来说是可用的，并且由于是在一时间延迟之后使用，因此，压实控制方法或受压实控制的土壤压实很费力。
发明内容
所以，本发明的目的是给出一种上述类型的用于压实土层结构的设备，其允许快速、并且成本低廉地检测或监测土层结构(尤其是最上层)的层弹性模量。
该目标是依照本发明的一种压实土层结构的可驱动设备来实现的，所述可驱动设备具有至少一个振动装置，例如振动滚筒或振动板，经由所述振动装置，可以将压实土层结构的载荷脉冲引入至少一个载荷引入区域中，所述可驱动设备设置有用于检测土层结构的弹性模量的至少一个第一和第二检测装置，所述第一和第二检测装置位于所述可驱动设备上，彼此间隔开，使得第一检测装置允许在载荷引入区域中进行检测，至少第二检测装置允许在载荷引入区域外部进行检测。
对于本申请的方法，该目的是通过一种用于确定土层结构层(尤其是道路沥青层)的弹性模量的方法实现的，该方法具有下列步骤：经由土层结构的最上区域的表面将至少一个载荷脉冲引入到载荷引入区域中；借助于第一检测装置，在载荷引入区域中检测土层结构的凹陷沟槽的第一值，根据该凹陷沟槽的所检测的第一值，确定土层结构的等效模量；借助于至少一个第二检测装置，在载荷引入区域外部检测凹陷沟槽的至少一个第二值；根据该凹陷沟槽的所检测的值，确定土层结构的承底模量和最上层的层弹性模量，载荷脉冲通过土壤压实机器的振动装置(例如振动滚筒或振动板)引入土层结构中。
相对于上述利用“锤式弯沉仪”方法来说，在依照本发明的方法或依照本发明的可驱动设备中：设置成用于压实该土层结构的振动装置，即振动滚筒、振动板、振动压模等等，被用作用于启动所限定的载荷脉冲的载荷引入装置。
在本发明范围内，可驱动设备可以被理解成具有用于土壤压实作用的操作装置的任何设备，所述操作装置起到振动装置的作用、尤其是起到在施工作业中用于机械化整平土壤压实的装置的作用。相关的是，该设备实施成使得用于检测弹性模量或用于检测凹陷沟槽的两个检测装置相互间隔开定位，这样第一检测装置在该振动装置或一个振动装置的载荷引入区域中进行检测，而至少第二检测装置在该载荷引入区域外部进行检测。“该载荷引入区域外部”被理解为任何在距离载荷引入区域一段距离处可检测载荷脉冲的影响的位置。
正如上面已经提到的，变形沟槽或凹陷沟槽通过振动装置(尤其是振动滚筒)引入的载荷脉冲形成。
通过依照本发明的第一和至少一个第二检测装置的布置，借助于该凹陷沟槽的这些值的目标确定，可以得出单层弹性模量的结论，尤其是可以得出关于土层结构的最上层的结论。
第一检测装置优选实施成：其允许在载荷引入区域中检测土层结构的凹陷沟槽的第一值，而且第二检测装置优选实施成：其允许在载荷引入区域外部检测凹陷沟槽的至少一个第二值。
正如上面已经提到的，通过由此检测的这些值，可以进行相应层模量的目标确定。
第一检测装置优选实施和设置成其允许在载荷引入区域中检测凹陷沟槽的第一值。该第一值允许计算土层结构的等效模量，即整个土层结构的弹性模量，这是因为土层结构从最上层到位于最上层下面很远的层的所有变形都影响它。尤其是，可以在土壤压实作业过程中进行该检测。
借助于至少所述第二检测装置，则可以确定另一弹性模量，即承底模量，所述第二检测装置位于载荷引入区域外部或者位于每个载荷引入区域外部，这样，它仅仅检测压实装置的载荷脉冲的影响。而且可通过检测凹陷沟槽的至少一个值(即第二检测装置的区域中的至少第二值)再次进行该确定。根据凹陷沟槽的至少该第二值，则可以确定承底模量。在土壤压实作业期间也可以进行该检测。
该承底模量几乎与基层无关，因为这个位置的变形基本上只由基层确定而不是由最上层确定，如上所述。根据多层模型理论，利用土层结构的各个层的层厚度，确定最上层的层模量，尤其是沥青层的层模量。由于沥青模量对于基层影响而进行了修正，其基本上代表了沥青层的硬度，而且比载荷引入区域中确定的等效模量更精确。
根据本发明，通过为用于土壤压实的设备装配检测装置，在压实作业期间，尤其是在压路机或类似压实装置作业期间，也可以进行压实状态的监测，尤其是沥青路承载能力的监测。由此确定的这些值则可以直接影响道路施工机械的调整程序，以便根据要求实现特别有效的机械控制。
所述第一和至少第二检测装置优选具有至少一个地音探测器或类似变形测量计，通过所述地音探测器或类似变形测量计，可以检测特别在土层结构中由引入的载荷脉冲引起的反射波。这样，可以很精确地检测凹陷沟槽的相应值。
第一和/或第二检测装置优选具有力传感器或类似测力计，通过力传感器或类似测力计，可以检测引入的力脉冲和/或将引入的力脉冲传送至相应的处理单元。
所检测的力脉冲优选存储在该处理单元中。对由检测装置检测的所述第一值和至少第二值来说，同样也是这样，这些值也优选在相应的处理单元中记录、处理和存储。所检测的这些值的分析以及相应弹性模量的确定优选也在该分析单元中进行。而且优选采取对所确定的等效模量和承底模量进行比较，并确定所得到的相应层模量。为此，相应控制和调整程序以及处理程序优选包含或可存储在处理单元中。得到的结果则可以显示在显示单元中和/或供给至其他的例行程序，例如振动装置的定向结果的调整。
第一检测装置和至少第二检测装置优选实施成它们允许在相应区域中精确检测由载荷引入脉冲引起的变形。可利用现有技术中已知的所有方法和设备进行检测。因而也可以通过振动装置本身以及通过其在振动过程中的沉降运动进行检测。例如借助于具体为地音探测器的机电变换器，可以非常简单地检测所述第一值和至少第二值，所述机电变换器将土壤振动转化成模拟电压信号。
检测装置优选设置成使得在土层结构的最上层与检测装置之间存在静态耦合。
在一特定实施例中，第一检测装置在所述设备上设置成使得其允许在载荷引入区域的载荷中心检测。这样，可根据所述凹陷沟槽的第一值确定最大值。第一检测装置还优选设置成与振动滚筒的载荷引入轴线同轴。
可以将第一检测装置设置在振动滚筒或其支承单元上，尤其是设置在振动滚筒的振动鼓上。这样可以非常简单地进行载荷引入区域中、尤其是载荷引入区域的载荷中心中第一值的精确检测。
至少第二检测装置优选设置在静压滚筒上，尤其是其静压鼓上。在本发明的范围之内，静压滚筒被理解为不具有独立的振动装置的滚筒。这样的静压滚筒仅仅靠其重量形成对土壤的压实，例如，它也可以用作用于本发明的设备的驱动装置。在本发明的范围之内，术语静压滚筒因而还包括橡胶轮或类似驱动装置。第二检测装置在另一不振动、即静压的支承体(suspension)上(尤其是静压滚筒上)的布置还允许成本低廉、更精确地检测凹陷沟槽的第二值。这里还可以使用所有现有技术中已知的用于检测凹陷沟槽的值的方法。
在一有利的改进中，至少第二检测装置设置成其位置相对于振动装置的载荷引入区域可移位，尤其是可借助于一支撑框架进行移位。这样，可对凹陷沟槽的第二值的检测部位产生直接影响。另外，在这样的支撑框架上也可以设置用于检测载荷引入区域外部的凹陷沟槽的其他值的其他检测装置。此外，当然，这样的其他检测装置也可以设置在设备的其他部件上，只要它们与载荷引入区域间隔开即可。
该设备优选实施为具有振动滚筒和至少一个静压滚筒的压实机。借助于依照本发明装配的压实机，可以非常简单地进行土壤压实，同时进行能力研究尤其是对土层结构的最上层的承载能力状态的检测。
因而，借助于本发明的设备和本发明的方法，在土层结构压实过程中进行承载能力分析，尤其是土层结构的最上层的承载能力分析基本上是可行的。因而，现有技术中已知的土壤压实机械优选装配有本发明的检测装置以及其他为此所需的转换和调整单元，以便执行类似于利用“落锤式弯沉仪”的承载能力分析方法的方法。在这里，也可以提供一种设备，其允许土壤压实机械装配上述检测装置或用于检测层结构的最上层的层弹性模量的装置。
本发明其他实施例由本申请的相应技术方案产生。
附图说明
下文将基于示例性实施例描述本发明，通过附带的视图更加详细地解释该示例性实施例。在这些示意图中：
图1显示了用于压实土层结构的设备的第一实施例的示图；和
图2显示了图1中实施例的检测装置布置的示图。
在下文中，同样的参考标记用于类似的和等同作用的部件，撇号有时还用于区分。
具体实施方式
图1显示了依照本发明用于压实土层结构的设备1的实施例的示图。这里，设备1具体为自推进式压路机，尤其是压实机30。它包括具体为振动滚筒6的振动装置，所述振动滚筒6经由支承单元16连接于压实机30的主体34。一静压滚筒24经由另一支承单元26相联，这样，压实机30可经由两个滚筒6、24驱动。
相比而言，对静压滚筒24来说，土层结构2仅靠其静态重量进行压实，而对振动滚筒6来说，可以借助于所驱动的振动质量主动地压实土层结构2。
振动滚筒6将载荷脉冲P经由载荷引入区域8传送至基层，所述载荷引入区域8基本上相应于振动滚筒6的振动鼓18与土层结构2的最上层32的表面33之间的接触区域。由载荷脉冲P引起的并诱导沉降的这些振动在图1中用同心圆15显示。
从载荷中心Z开始，由引入的载荷脉冲P以及由此所导致的振动15引起土层结构2的沉降，该沉降由凹陷沟槽14示意性示出。在这种情况下很清楚，由载荷脉冲P引起的沉降或压实随着与载荷中心Z或与载荷引入轴线Ap(其与所述表面33相垂直)的距离A的增加而减小。
正如现有技术中已知的，借助于在振动鼓18或振动滚筒6处引入的载荷脉冲P，可以确定硬度模量，所述载荷脉冲P充当土层结构2中的压实力或变形力。该硬度模量相应于等效模量，即土层结构2的整个测量深度上的平均硬度值。最上层32和位于下方的承底层42的层弹性模量都会影响该等效模量。
借助于第一检测装置10，进行用于确定等效模量所需的凹陷沟槽14的第一值w1的检测，在该实施例中，所以第一检测装置10设置并静态联接在振动滚筒6或其支承单元16上。
第二检测装置12位于静压滚筒24或其静压鼓28或其支承单元26上，通过所述第二检测装置12，可以在载荷引入区域8外部确定凹陷沟槽14的第二检测值w2。如图1可得到的，第二检测装置12与第一检测装置10以及载荷引入区域8间隔开，以便可以检测位于最上层32下面的层(尤其是承底层42)的弹性模量。由于第一检测装置10或载荷引入区域8与第二检测装置12之间存在距离AD，所以，第二值w2的检测位置处的变形基本上由基层确定，而不是由沥青层本身确定。已经证明，1m至2.6m(尤其是1.8m)的值是有利的距离值AD。
根据现有技术中已知的多层模型理论，利用各个土层的层厚度，借助于两个确定的第一值w1和第二值w2以及由此获得的等效模量或承底模量，可以确定要测量的沥青层32的层弹性模量，结果得到基本上由基层影响所修正的沥青模量，其表示比等效模量更精确的沥青层32的硬度，并且考虑整个土层结构2。
根据本发明，与所使用的部件和检测装置有关，可以以每秒30-50载荷引入的频率进行载荷脉冲P的引入。通过相应的控制装置也可以对振动装置4或振动滚筒6产生相应的影响。也可以借助相应的调整装置调整所引入的载荷脉冲的绝对值，使之与所需要的测量状态相对应。例如，可以通过调整装置将载荷脉冲P调整至50kN的值，该值基本上对应于卡车的车轮载荷，因而允许对土层结构2(尤其是对上层32)的承载能力进行信息分析。因而，在这里可以激活本发明的设备1或者压实机30，使之允许可靠地、可再现地研究土层结构2，尤其是最上面的土层32。
图2显示了依照图1的设备1的示意图，特别注意第一和第二检测装置10、12。
应当认识到，第一检测装置10的地音探测器11位于设备1的振动滚筒6上，使之允许检测由载荷脉冲P引起的反射波。正如现有技术中已知的，通过地音探测器11或第一检测装置10，可以检测位于载荷引入区域8中的土层结构2的动态土壤硬度。通过该动态土壤硬度，以已知的方式就可以得出有关土层结构2的压实度的结论。
地音探测器13，这次为第二检测装置12的地音探测器13，其也位于设备1的静压滚筒24上。因为静压滚筒24不能单独将载荷脉冲引入到土层结构2中，该地音探测器允许检测作为载荷引入区域8中载荷引入的函数的硬度值，由于两检测装置10、12或地音探测器11、13之间存在距离AD，所述硬度值基本上仅仅是承底层42的函数，而不是上层32的函数。借助由地音探测器13或第二检测装置12检测的下降曲线14的值w2，可以确定土壤硬度，尤其是承底模量，而且不受上层32的影响。
由两地音探测器11、13确定的第一和第二值w1、w2作为测量结果传送给分析单元36，分析单元36比较所检测的这两个第一值w1和第二值w2，或者确定等效模量和承底模量，由此可以确定最上层32的层弹性模量。由此获得的这些值或者可通过显示单元38被输出给操作人员，或者可直接影响设备1的机械控制器。
另外，在图2中还提供了一校准元件40，例如，通过所述校准元件40，可以将引入到土层结构中的载荷脉冲P固定在一定值上，尤其是例如50kN的值。振动速度以及由此产生的每秒载荷脉冲数优选也可通过这样的校准元件40设定在每秒20到50次之间的值。
在图2中还显示了支撑框架27，通过所述支撑框架27，第二检测装置12设置成其位置可相对于振动装置4或振动滚筒6的载荷引入区域8移位(优选基本上平行于土壤表面32)。因此，值w1和w2的两测量点之间的距离AD借助支撑框架27而可变。
Claims (10)
1.一种用于压实土层结构(2)的可驱动设备，所述可驱动设备具有至少一个振动装置(4)，例如振动滚筒(6)或振动板，经由所述振动装置(4)能够将用于压实土层结构(2)的载荷脉冲(P)引入至少一个载荷引入区域(8)中，
其特征在于，用于检测土层结构(2)的弹性模量的至少一个第一和第二检测装置(10，12)位于所述设备(1)上，彼此间隔开，使得第一检测装置(10)在载荷引入区域(8)中进行检测，至少第二检测装置(12)在载荷引入区域外部进行检测。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，第一检测装置(10)实施成其允许在载荷引入区域(8)中检测土层结构(2)的凹陷沟槽(14)的第一值w1，和
第二检测装置(12)实施成其允许在载荷引入区域(8)外部检测凹陷沟槽(14)的第二值w2。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，第一和/或第二检测装置(10，12)各具有至少一个地音探测器(11，13)，通过所述地音探测器，尤其能够检测土层结构(2)中由载荷脉冲(P)引起的反射波。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，第一检测装置(10)位于设备(1)上，使得其允许在载荷引入区域(8)的载荷中心(Z)进行检测。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，第一检测装置(10)位于振动滚筒(6)或该振动滚筒的支承单元(16)上，尤其是位于振动鼓(18)上。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，至少第二检测装置(12)位于一静压滚筒(24)上，或者位于静压滚筒的支承单元(26)上，尤其是静压滚筒的静压鼓(28)上。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，至少第二检测装置(12)设置成其位置能够相对于振动装置(4)的载荷引入区域(8)移位，尤其是借助于一支撑框架(27)来实现移位。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备具体为具有振动滚筒(6)和至少一个静压滚筒(24)的压实机(30)。
9.一种用于在土壤压实过程中确定土层结构(2)的层(32)、尤其是路面沥青层的层弹性模量的方法，该方法具有下列步骤：
经由土层结构(2)的最上层(32)的表面(33)，将至少一个载荷脉冲(P)引入到载荷引入区域(8)中；
借助于一第一检测装置(10)，在载荷引入区域(8)中检测土层结构(2)的凹陷沟槽(14)的第一值(w1)，
根据该凹陷沟槽(14)的所检测的第一值(w1)，确定土层结构(2)的等效模量；
借助于一第二检测装置(12)，在载荷引入区域(8)外部检测凹陷沟槽(14)的第二值(w2)，
根据该凹陷沟槽(14)的所检测的第二值(w2)，确定土层结构(2)的承底模量；
根据该凹陷沟槽(14)的所检测的两个值(w1，w2)以及所确定的等效或承底模量，确定土层结构(2)的最上层(32)的层弹性模量，
其特征在于，载荷脉冲(P)通过土壤压实机器的振动装置(4)引入土层结构(2)中，所述振动装置例如为振动滚筒(6)或振动板。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在土层结构(2)的土壤压实过程中，特别是最上层(32)的平整过程中，进行所述第一和第二值(w1，w2)的检测。
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