CN103852575A - 沥青混凝土路面压实度连续检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种沥青混凝土路面压实度连续检测方法及装置，通过专用装置对路面温度和压路机的振动频率进行连续检测并实时处理，动态高效准确地反应出压路机对路面的处理效果；本发明的有益技术效果是：能在施工过程中对路面压实度进行实时连续检测，时效性强，便于及时发现问题，使工程质量得到保证；本发明的方案对硬件条件无特殊需求，兼容性较好，系统搭建成本低。

Description

沥青混凝土路面压实度连续检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种压实度检测技术，尤其涉及一种沥青混凝土路面压实度连续检测方法及装置。

背景技术

压实是沥青路面成型的最后一道工序，是影响沥青路面使用质量和寿命的关键环节。目前在我国公路沥青路面压实实践中，由于缺乏系统完善的施工技术指南，工作中常常因处理不到位、压实方案不合理、压实工艺欠佳而导致压实后的路面质量很不理想，出现“今年修、明年坏、年年在修路”的现象，造成了很大的经济浪费和不好的社会影响；为适应我国高速公路沥青路面的发展形势，加强沥青路面的压实和质量控制技术研究，制定相关技术指南，具有重要的现实意义。

多年来国外诸多厂家和科研机构一直致力于以振动压路机振动加速度与压实度关系为原理研制检测压实度的仪器。20世纪七十年代，日本曾采用测定振动加速度垂直振幅的方法来判定压实程度，即倒料前将加速度计预埋在碾压层下面，在碾压过程中，由携带在压路机上的检测装置来测量预埋传感器的加速度值，根据测得的加速度值来估计压实质量，但该方法中，加速度计只能使用一次，且施工复杂度较高。20世纪八十年代中期，德国BOMAG研制出BTM动态土壤压实度仪系列产品，其工作原理是利用两个成45°安装角度的加速度传感器，测量振动轮加速度矢量，通过测量加速度确定振动轮传递给土壤的有效功率，从而判定压实程度。瑞典的Themer H、Forssblod L、Floss等人认为，振动轮加速度信号在振动过程中发生畸变的原因主要是受地基振动特性的影响，振动加速度波形是由振动轮固有的振动和杂波叠加而成的。因此在瑞典DYNAPAC公司与Geodynamik公司共同开发的压实度仪中，其工作原理是通过安装在振动压路机上的加速度传感器，检取系统在振动激励下的响应信号，通过滤波器和信号的傅立叶变换，得出振动信号的基波和二次谐波分量，然后用二次谐波与基波的比值来反映压实的程度。前期研究中对压实过程评价指标缺乏明确的物理意义，功能单一，因此存在检测值与实测值偏差较大的问题。直至上世纪90年代德国Bomag公司研制出Omegameter和Terrameter压实度仪，使机载压实度检测仪进入实际应用阶段，此后国际各大压实机械厂家如Ingersolland，Dynapac等先后开发出自己的机载压实度检测装置。目前国外正在向智能化压实参数检测与机器自动控制方向发展，Bomag推出了智多星压实控制系统，对单钢轮采用控制振幅的Variocontrol系统，双钢轮采用控制振幅和激振力的Variomatic系统，根据压实材料的不同，响应信号自动调整振动参数，以实现最佳压实效果。

我国对压路机压实度计的研究要晚于国外。1985年以来，国内一些研究机构和厂家对机械式压实度计进行了探索研究，并在九十年代初期研制出了几种压实度仪。有代表性的压实度检测仪归纳起来大致有三种形式：由东南大学、徐州工程机械厂、宝应四明仪器有限公司合作研制的SMC-960A密实度测量仪；水利水电科学研究院研制的YS-1型压实度计；苏州交通设计研究院和江阴交通工程机械厂联合开发的MSY-100压实度仪。

徐州工程机械厂与宝应四明有限公司研制的SMC-960A密实度测量仪，由传感器、测量分析仪、数据采集器和打印机等四部分组成。通过加速度传感器检取压路机振动轮上的振动加速度信号，转换为电信号，经放大电路放大后送入滤波电路。两个滤波器分别将信号基波和二次谐波分量选出，并且各自经过线性变换和压频转换，再经过除法电路算出谐波分量与基波分量的比值，最后在显示器上显示出土壤的密实度。水利水电科学研究院研制的YS-1压实度仪工作原理与上述相同，即利用谐波与基波的比值反映土壤密实度的大小。它在进行数据处理时，采用取平均值的方法。同时，根据振动压路机振动频率的工作范围，设计了频率选择开关，以满足不同振动频率的工作要求。苏州市交通研究所研制开发了MSY-100型压实度比较仪，它是从力平衡角度分析振动压路机对土壤压实的工作原理。在土壤颗粒性质、直径、级配、含水量等一定的条件下，土壤颗粒比较松软时，土壤强度比较低，其弹性模量比较小，对振动轮的反力也较小；反之，对振动轮的反力就比较大，加速度与振动轮反力有线性关系，而反力与土壤密实度有良好的相关关系，所以加速度的变化正是反映了土壤的压实程度。

上述技术的核心原理是在某路基区域测定钢轮压路机工作状态下振动加速度值及其变化，通过测算处理，换算得到相应区域路基压实度。从该智能压实技术的设计理念以及技术理论上来说，智能压实过程控制系统着眼于压实过程控制，结合抽检点的检测结果来反映整个面的压实度，从而保障了施工质量的一致性，是压实过程控制方式的革命性创举和趋势。

然而现阶段的智能压实技术，受限于不同的工程材料特性差异，只能局限于路基土壤的压实监测，其局限性和不足主要体现在：系统只能运用于振动压实设备上面；除本身系统设备外，现场需要架设基站等配套设备，价格昂贵；诸如酒井重工的IC系统，只能是特定配套于其自行研发生产的振动压实设备上，无法很好兼容其他厂商品牌型号的振动压路机。现阶段的智能压实技术，受限于不同的工程材料特性差异，只能局限于路基土壤的压实监测。目前国内外检测路面压实质量好坏的传统做法仍然是钻芯取样测密度，然而该方法具有严重的滞后性，并不能及时的反映路面的压实状况。随着科学技术的进步，无损检测技术得到了很大的发展，由于其可以无破损的达到对路面检测的效果，同时可以进行大量测点的检测，提高了检测的可靠性。而对于沥青路面的智能压实技术，尚处于研发起步阶段。同时，压实温度是影响沥青混合料压实效果的关键因素，不同类型的混合料随温度的变化表现出不同的压实特性。而以往的检测方法很少涉及于此。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种沥青混凝土路面压实度连续检测方法，其方案为：处理设备按如下步骤对沥青混凝土路面的压实度进行检测：

1）根据压路机的实际振动频率，按下式确定测点间距的时长n_csdj：

$n_{\mathrm{csdj}}=q\frac{1}{f_z}$

其中，f_z为压路机的实际振动频率；q为修正系数；

按测点间距划分测点，每两个测点之间的间隔时长为n_csdj；在单个测点间距的时域区间内，被压路机压过的区域即形成一个检测单元；

在单个测点间距的时域区间内，对压路机的振动加速度进行多次采样，同时，在压路机行进过程中，对每个检测单元内的路面温度采样一次；

2）根据下式计算每个检测单元所对应的有效加速度A_k：

$A_k=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2}{N}}$

其中，A_k为第k个检测单元对应的有效加速度，k为检测单元的序号；a_i为单个检测单元对应的时域区间内获取到的振动加速度，i为获取到的振动加速度的序号，i=1、2、3……N，N为单个检测单元对应的时域区间内振动加速度的采样次数；

3）根据下式计算出每个检测单元所对应的压实度：

$y_k=(B\×\frac{1}{A_k}+e^{C\·T_k}+D)\×100\%$

其中，y_k为第k个检测单元对应的压实度；T_k为第k个检测单元对应的路面温度；B、C、D为回归系数。

前述方案能够在压路机工作过程中，实时、高效地计算出各个检测单元的压实度，便于工程人员即时、准确地掌握施工情况，而且对硬件没有特殊要求，各种硬件之间的兼容性较好，系统搭建方便，成本较低，可靠性较高。

对于前述的压实度公式（即y_k计算公式），发明人作如下说明：发明人经过对大量的实验数据进行回归分析后发现，压实度与各检测单元有效加速度之间具有良好的正相关关系；同时，沥青混凝土路面摊铺温度及压实过程的压实温度对其压实效果有着重要影响，最小压实温度低于某温度时，即使增加压实功能也几乎不能提高密实度，故沥青混凝土路面的压实度与压实温度之间呈现良好的指数变化规律；因此，用指数关系修正沥青路面压实度的变化是可行的，使得压实度的测算更加客观。

优选地，根据下式确定单个检测单元对应的时域区间内振动加速度的采样次数N：

N＝n_csdj·f_c

其中，f_c为采样设备的实际采样频率。

优选地，根据如下方法确定回归系数B、C、D：

（1）制作与某一实际路面的结构相同的多个模拟芯样，以不同的加压条件对多个模拟芯样分别进行仿真压实实验，实验过程中，记录下加压设备的振动加速度和芯样表面温度，实验结束后，测定出各个芯样的压实度，根据振动加速度、芯样表面温度和测定出的压实度进行回归分析，获得该种路面结构的回归系数B、C、D；

（2）按步骤（1）中方式，分别对不同结构的实际路面进行仿真压实实验，并计算出各种结构的路面所对应的回归系数；将获取到的多种回归系数汇总成一回归系数资源库，回归系数资源库预存在处理设备中；

（3）在进行步骤3）的计算时，先由技术人员将相应的路面结构的种类信息输入处理设备，处理设备根据路面结构的种类在回归系数资源库中进行检索并查找出对应的回归系数B、C、D，然后根据实际获取到的有效加速度和路面温度用步骤3）中公式计算出相应检测单元的压实度。

为了使检测结果更加直观化，本发明还作了如下改进：所述处理设备能将多个检测单元按其实际对应的路面区域进行排列并显示在一电子地图上，并将各个检测单元的压实度以色块或数值的形式显示在电子地图上。技术人员可以根据电子地图直观地掌握各个检测单元的位置和压实度情况。

基于前述方法，本发明还提出了一种沥青混凝土路面压实度连续检测装置，其结构为：所述沥青混凝土路面压实度连续检测装置由加速度传感器、温度传感器、采样设备、人机对话设备、处理设备；处理设备中预存有回归系数资源库；

加速度传感器和温度传感器都与采样设备电气连接，采样设备和人机对话设备都与处理设备电气连接；其中，加速度传感器和温度传感器固定于压路机上，加速度传感器用于对压路机的振动加速度进行检测，温度传感器用于对路面温度进行检测；采样设备用于提取加速度传感器和温度传感器的检测数据并将提取到的检测数据输出至处理设备；人机对话设备用于将外部输入数据传输至处理设备并将处理设备输出的处理结果在显示屏上显示；处理设备用于对数据进行处理并向人机对话设备输出处理结果。

针对处理设备，本发明还提出了如下的优选实施方式：所述处理设备包括预处理模块、有效加速度计算模块、压实度计算模块、回归系数资源库模块和控制模块；所述回归系数资源库预存在回归系数资源库模块中；

所述预处理模块、有效加速度计算模块、压实度计算模块和回归系数资源库模块四者都与控制模块电气连接；

所述预处理模块能根据实际振动频率f_z和修正系数q计算出测点间距n_csdj；同时，预处理模块能根据实际采样频率f_c和测点间距n_csdj计算出单个检测单元对应的时域区间内振动加速度的采样次数N；预处理模块将处理结果输出至控制模块备用；

所述有效加速度计算模块能根据振动加速度计算出有效加速度并将计算结果输出至控制模块备用；

所述压实度计算模块能根据有效加速度、路面温度和回归系数计算出压实度；压实度计算模块的计算结果输出至控制模块备用；

回归系数资源库模块能根据路面结构的种类信息查找回归系数资源库，并将查找到的回归系数输出至控制模块备用；

控制模块分别与采样设备和人机对话设备电气连接；控制模块能将外部输入数据导入对应的模块中以及控制各个模块的动作。

本发明的有益技术效果是：能在施工过程中对路面压实度进行实时连续检测，时效性强，便于及时发现问题，使工程质量得到保证；本发明的方案对硬件条件无特殊需求，兼容性较好，系统搭建成本低。

附图说明

图1、本发明的电气原理示意图；

图2、处理设备的电气原理示意图；

具体实施方式

一种沥青混凝土路面压实度连续检测方法，其创新在于：处理设备按如下步骤对沥青混凝土路面的压实度进行检测：

1）根据压路机的实际振动频率，按下式确定测点间距的时长n_csdj：

$n_{\mathrm{csdj}}=q\frac{1}{f_z}$

其中，f_z为压路机的实际振动频率；q为修正系数；

按测点间距划分测点，每两个测点之间的间隔时长为n_csdj；在单个测点间距的时域区间内，被压路机压过的区域即形成一个检测单元；

在单个测点间距的时域区间内，对压路机的振动加速度进行多次采样，同时，在压路机行进过程中，对每个检测单元内的路面温度采样一次；

2）根据下式计算每个检测单元所对应的有效加速度A_k：

$A_k=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2}{N}}$

其中，A_k为第k个检测单元对应的有效加速度，k为检测单元的序号；a_i为单个检测单元对应的时域区间内获取到的振动加速度，i为获取到的振动加速度的序号，i=1、2、3……N，N为单个检测单元对应的时域区间内振动加速度的采样次数；

3）根据下式计算出每个检测单元所对应的压实度：

$y_k=(B\×\frac{1}{A_k}+e^{C\·T_k}+D)\×100\%$

其中，y_k为第k个检测单元对应的压实度；T_k为第k个检测单元对应的路面温度；B、C、D为回归系数。

进一步地，根据下式确定单个检测单元对应的时域区间内振动加速度的采样次数N：

N＝n_csdj·f_c

其中，f_c为采样设备的实际采样频率。

进一步地，根据如下方法确定回归系数B、C、D：

（1）制作与某一实际路面的结构相同的多个模拟芯样，以不同的加压条件对多个模拟芯样分别进行仿真压实实验，实验过程中，记录下加压设备的振动加速度和芯样表面温度，实验结束后，测定出各个芯样的压实度，根据振动加速度、芯样表面温度和测定出的压实度进行回归分析，获得该种路面结构的回归系数B、C、D；

（2）按步骤（1）中方式，分别对不同结构的实际路面进行仿真压实实验，并计算出各种结构的路面所对应的回归系数；将获取到的多种回归系数汇总成一回归系数资源库，回归系数资源库预存在处理设备软件中；

（3）在进行步骤3）的计算时，先由技术人员将相应的路面结构的种类信息输入处理设备，处理设备根据路面结构的种类在回归系数资源库中进行检索并查找出对应的回归系数B、C、D，然后根据实际获取到的有效加速度和路面温度用步骤3）中公式计算出相应检测单元的压实度。

进一步地，所述处理设备能将多个检测单元按其实际对应的路面区域进行排列并显示在一电子地图上，并将各个检测单元的压实度以色块或数值的形式显示在电子地图上。

一种沥青混凝土路面压实度连续检测装置，所述沥青混凝土路面压实度连续检测装置由加速度传感器1、温度传感器2、采样设备3、人机对话设备4、处理设备5；处理设备5中预存有回归系数资源库；

加速度传感器1和温度传感器2都与采样设备3电气连接，采样设备3和人机对话设备4都与处理设备5电气连接；其中，加速度传感器1和温度传感器2固定于压路机上，加速度传感器1用于对压路机的振动加速度进行检测，温度传感器2用于对路面温度进行检测；采样设备3用于提取加速度传感器1和温度传感器2的检测数据并将提取到的检测数据输出至处理设备5；人机对话设备4用于将外部输入数据传输至处理设备5并将处理设备输出的处理结果在显示屏上显示；处理设备5用于对数据进行处理并向人机对话设备4输出处理结果。

进一步地，所述处理设备5包括预处理模块5-1、有效加速度计算模块5-2、压实度计算模块5-3、回归系数资源库模块5-4和控制模块5-5；所述回归系数资源库预存在回归系数资源库模块5-4中；

所述预处理模块5-1、有效加速度计算模块5-2、压实度计算模块5-3和回归系数资源库模块5-4四者都与控制模块5-5电气连接；

所述预处理模块5-1能根据实际振动频率f_z和修正系数q计算出测点间距n_csdj；同时，预处理模块5-1能根据实际采样频率f_c和测点间距n_csdj计算出单个检测单元对应的时域区间内振动加速度的采样次数N；预处理模块5-1将处理结果输出至控制模块5-5备用；

所述有效加速度计算模块5-2能根据振动加速度计算出有效加速度并将计算结果输出至控制模块5-5备用；

所述压实度计算模块5-3能根据有效加速度、路面温度和回归系数计算出压实度；压实度计算模块5-3的计算结果输出至控制模块5-5备用；

回归系数资源库模块5-4能根据路面结构的种类信息查找回归系数资源库，并将查找到的回归系数输出至控制模块5-5备用；

控制模块5-5分别与采样设备3和人机对话设备4电气连接；控制模块5-5能将外部输入数据导入对应的模块中以及控制各个模块的动作。

实施例：

以江西省某高速公路项目的建设为例。某段路面下面层AC-25（级配A）的压实施工作业主要是采用了悍马HD130型振动压路机和三一的SPR300轮胎压路机两种压实机械。HD130压路机为双钢轮振动压路机，在作业中主要是前轮振动，其振幅为0.75mm，振频为42HZ，行驶速度大致控制在5km/h左右。压实作业的施工流程为一台双钢轮振动压路机静压一遍，随后的一台双钢轮振动压路机前轮振动压实2～4遍，然后是两台胶轮压路机压实1～2遍，最后的双钢轮压路机静压直到路面平整无轮迹为止。

通过数据处理得到每0.4秒为一个检测单元，得到一个有效加速度值A_k，同时检测一个压实温度值T_k，根据压路机压实作业时的行驶速度为5km/h，即是约每55.56cm的压实长度可以测得一个压实度。在路面的压实作业当中，在沥青混合料经过摊铺机的基础摊铺和压实之后的温度主要集中在140℃～145℃左右，压路机的压实作业中的初压时的温度主要集中在120℃～125℃左右，复压时的温度主要集中在108℃～115℃左右，终压时的温度主要集中在85℃～90℃左右。通过系统检测得到的压实度（截取其中5S的数据）随压路机行进时间的分布如表1所示。

表1压实度（%）随行进时间分布表

在相应部位进行钻心取样，测得该路段压实1-4遍的压实度分别为92.5%、94.3%、95.9%和98.1%。由此可见，本发明的检测方法和装置能在施工过程中对路面压实度进行实时连续检测，时效性强，便于及时发现问题，使工程质量得到保证。

Claims (6)

1.一种沥青混凝土路面压实度连续检测方法，其特征在于：处理设备按如下步骤对沥青混凝土路面的压实度进行检测：

1）根据压路机的实际振动频率，按下式确定测点间距的时长ncsd_j：

$n_{\mathrm{csdj}}=q\frac{1}{f_z}$

其中，f_z为压路机的实际振动频率；q为修正系数；

按测点间距划分测点，每两个测点之间的间隔时长为n_csdj；在单个测点间距的时域区间内，被压路机压过的区域即形成一个检测单元；

在单个测点间距的时域区间内，对压路机的振动加速度进行多次采样，同时，在压路机行进过程中，对每个检测单元内的路面温度采样一次；

2）根据下式计算每个检测单元所对应的有效加速度A_k：

$A_k=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2}{N}}$

其中，A_k为第k个检测单元对应的有效加速度，k为检测单元的序号；a_i为单个检测单元对应的时域区间内获取到的振动加速度，i为获取到的振动加速度的序号，i=1、2、3……N，N为单个检测单元对应的时域区间内振动加速度的采样次数；

3）根据下式计算出每个检测单元所对应的压实度：

$y_k=(B\×\frac{1}{A_k}+e^{C\·T_k}+D)\×100\%$

其中，y_k为第k个检测单元对应的压实度；T_k为第k个检测单元对应的路面温度；B、C、D为回归系数。

2.根据权利要求1所述的沥青混凝土路面压实度连续检测方法，其特征在于：根据下式确定单个检测单元对应的时域区间内振动加速度的采样次数N：

N＝n_csdj·f_c

其中，f_c为采样设备的实际采样频率。

3.根据权利要求1所述的沥青混凝土路面压实度连续检测方法，其特征在于：根据如下方法确定回归系数B、C、D：

（1）制作与某一实际路面的结构相同的多个模拟芯样，以不同的加压条件对多个模拟芯样分别进行仿真压实实验，实验过程中，记录下加压设备的振动加速度和芯样表面温度，实验结束后，测定出各个芯样的压实度，根据振动加速度、芯样表面温度和测定出的压实度进行回归分析，获得该种路面结构的回归系数B、C、D；

（2）按步骤（1）中方式，分别对不同结构的实际路面进行仿真压实实验，并计算出各种结构的路面所对应的回归系数；将获取到的多种回归系数汇总成一回归系数资源库，回归系数资源库预存在处理设备中；

（3）在进行步骤3）的计算时，先由技术人员将相应的路面结构的种类信息输入处理设备，处理设备根据路面结构的种类在回归系数资源库中进行检索并查找出对应的回归系数B、C、D，然后根据实际获取到的有效加速度和路面温度用步骤3）中公式计算出相应检测单元的压实度。

4.根据权利要求1所述的沥青混凝土路面压实度连续检测方法，其特征在于：所述处理设备能将多个检测单元按其实际对应的路面区域进行排列并显示在一电子地图上，并将各个检测单元的压实度以色块或数值的形式显示在电子地图上。

5.一种沥青混凝土路面压实度连续检测装置，其特征在于：所述沥青混凝土路面压实度连续检测装置由加速度传感器（1）、温度传感器（2）、采样设备（3）、人机对话设备（4）、处理设备（5）；处理设备（5）中预存有回归系数资源库；

加速度传感器（1）和温度传感器（2）都与采样设备（3）电气连接，采样设备（3）和人机对话设备（4）都与处理设备（5）电气连接；其中，加速度传感器（1）和温度传感器（2）固定于压路机上，加速度传感器（1）用于对压路机的振动加速度进行检测，温度传感器（2）用于对路面温度进行检测；采样设备（3）用于提取加速度传感器（1）和温度传感器（2）的检测数据并将提取到的检测数据输出至处理设备（5）；人机对话设备（4）用于将外部输入数据传输至处理设备（5）并将处理设备输出的处理结果在显示屏上显示；处理设备（5）用于对数据进行处理并向人机对话设备（4）输出处理结果。

6.根据权利要求5所述的沥青混凝土路面压实度连续检测装置，其特征在于：所述处理设备（5）包括预处理模块（5-1）、有效加速度计算模块（5-2）、压实度计算模块（5-3）、回归系数资源库模块（5-4）和控制模块（5-5）；所述回归系数资源库预存在回归系数资源库模块（5-4）中；

所述预处理模块（5-1）、有效加速度计算模块（5-2）、压实度计算模块（5-3）和回归系数资源库模块（5-4）四者都与控制模块（5-5）电气连接；

所述预处理模块（5-1）能根据实际振动频率f_z和修正系数q计算出测点间距n_csdj；同时，预处理模块（5-1）能根据实际采样频率f_c和测点间距n_csdj计算出单个检测单元对应的时域区间内振动加速度的采样次数N；预处理模块（5-1）将处理结果输出至控制模块（5-5）备用；

所述有效加速度计算模块（5-2）能根据振动加速度计算出有效加速度并将计算结果输出至控制模块（5-5）备用；

所述压实度计算模块（5-3）能根据有效加速度、路面温度和回归系数计算出压实度；压实度计算模块（5-3）的计算结果输出至控制模块（5-5）备用；

回归系数资源库模块（5-4）能根据路面结构的种类信息查找回归系数资源库，并将查找到的回归系数输出至控制模块（5-5）备用；

控制模块（5-5）分别与采样设备（3）和人机对话设备（4）电气连接；控制模块（5-5）能将外部输入数据导入对应的模块中以及控制各个模块的动作。

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