CN106245495B - 基于地基反力测试的堆石坝压实质量检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于地基反力测试的堆石坝压实质量检测方法，包括以下步骤：步骤1：用强磁底座将加速度传感器安装在振动碾压机内侧机架上，使加速度传感器和振动轮保持刚性连接，采用加速度传感器和数据采集系统进行数据采集；步骤2：去掉高频噪声信号干扰；步骤3：通过公式计算出检测指标峰值因数CF值，式中，ap为周期波形的峰值，arms为周期波形的有效值，根据无量纲的CF值判定堆石坝压实质量。本发明得到的CF值具有较为明确的物理意义，能充分反映振动加速度值随着压实度变化而发生畸变的程度，能较好地反映在堆石区、过渡区等粗粒料区。

Description

基于地基反力测试的堆石坝压实质量检测方法
技术领域
本发明涉及堆石坝压实质量检测领域，具体涉及一种基于地基反力测试的堆石坝压实质量检测方法。
背景技术
目前，国内外针对碾压质量实时控制的相关研究主要集中在道路交通方面，基本尚未涉及专门针对不同堆石坝料区域压实质量实时监测方面的研究，国际相关工程领域对碾压质量控制的研究开展较早，取得了一系列成果。
连续压实控制CCC(Continuous Compaction Control)的概念很早就被提出并在很多国家得到推广和应用，甚至被写进相关行业规范和标准中，该方法是基于使用的集成压实计，将滚筒作为一个动态加载对象，利用微处理器对输出信号进行实时分析。Caterpillar公司采用碾压净功率指标MDP，在公路交通方面得到广泛运用。AMMANN公司的Anderegg等人采用了土体刚度KB，验证了KB与土体刚性之间具有较强的相关关系。Geodynamik公司采用碾压振动加速度频域分析指标CMV，CMV与地基反力和碾压土体物理特性密切相关。Rinehart和Mooney提出了总谐波失真THD是评价土料压实状态的高敏感性指标，THD越大，土体刚度越大，即土层越坚硬，碾轮振动加速度的高次谐波分量越多。
国内对压实质量实时监测相关技术的研究开展较晚，上世纪八十年代至今，相关学者发现了智能压实技术在在压实质量监测仪器方面开展过较多研究。中国水利水电科学研究院房纯纲等人研发了YS-1型压实计，该仪器可适用于各种型号的振动碾压机和不同级配的堆石体、砂砾料、土料、碾压混凝土等条件，在实际工程中也得到较好的应用效果。天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室钟登华、刘东海等人提出了以实时监测的压实监测值CV作为堆石料压实状态的表征指标，建立了CV与相关碾压参数的多元回归模型，研发了土石坝压实状态实时监测仪。周熊、申建德和奥运村明等人详细介绍了基于AT89S52单片机、DSP的车载振动压路机压实度仪的硬件和软件设计。白哲等测试粉土试样的介电常数并通过大量试验建立了粉土路基介电常数经验模型，可实现对大范围路基土压实质量的连续快速检测。长安大学现代机械化施工与养护研究所开发了压实度实时检测仪，通过实时显示的压实值R反映材料的压实情况。四川大学冉从勇结合检测试验，建立了对影响堆石体填筑质量的单因素和多因素的数学计算模型。
现有的基于地基反力测试主要检测指标为Geodynamik公司提出的CMV，以及国内天津大学提出的CV，此方法均为用加速度二次谐波分量幅值与基频幅值的比值(谐波比)作为反应坝料压实质量情况的监测指标，又称谐波比值法，即式中，A1是加速度频谱图二次谐波幅值，A0是加速度频谱图基频幅值，C是放大系数(通常取300)。表1是Geodynamik公司通过实际应用提出的在不同典型土壤压实状态下CMV的统计值。
表1不同典型土壤压实状态下的统计值
土体形态 CMV
块石类 60～100
砾石类 30～80
沙土类 20～50
粘土类 5～30
用于堆石坝粗粒料的压实质量检测的常规检测手段主要为试坑检测法，此方法存在抽样随机性、处理滞后性、操作复杂性等特点。1)抽样随机性；堆石坝粗粒料填筑区一般都存在填料不均匀的情况，常规抽样方法仅能得到抽样点的检验结果，很难控制坝面压实的整体均匀性，且抽样过程容易给施工过程带来干扰。2)处理滞后性；常规检测法往往在碾压压实作业结束后进行，此方法属于结果控制，发现问题需返工，不能实时进行处理，发现个别抽样点不满足要求时，很难界定再次碾压的准确范围，容易造成其它合格区域的过压现象，对压实质量反而不利。3)操作复杂性；抽样检测过程较为复杂，需要借助其他介质，耗时费力，加载占用重型设备，容易给施工过程带来干扰，且会对已压仓面造成破坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于地基反力测试的堆石坝压实质量检测方法，不再需要在碾压区域选取抽样检测点，解决传统方法的抽样不均匀、处理不及时、检测过程繁杂的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于地基反力测试的堆石坝压实质量检测方法，包括以下步骤：
步骤1：用强磁底座将加速度传感器安装在振动碾压机内侧机架上，使加速度传感器和振动轮保持刚性连接，采用加速度传感器和数据采集系统进行数据采集；
步骤2：去掉高频噪声信号干扰；
步骤3：通过公式计算出检测指标峰值因数CF值，式中，ap为周期波形的峰值，arms为周期波形的有效值，根据无量纲的CF值判定堆石坝压实质量。
根据上述方案，在步骤1进行数据采集时，所选取的数据均取前进方向的数据，即振动碾偏心块旋转方向与压路机碾压方向保持一致时的数据。
根据上述方案，在所述步骤2中，将采集的信号进行快速傅里叶变换，时域加速度信号转变到频域，再采用截止频率设置为150Hz的低通滤波器消除高频干扰。
根据上述方案，还包括步骤4：即通过车载显示模块，实现检测指标的直接显示，并通过外部控制器调节检测参数和显示情况。
根据上述方案，车载显示模块包括依次连接的加速器传感器、第一电荷放大器、A/D转换器、第二电荷放大器、单片机、外部控制器，单片机还连接LCD显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明得到的CF值具有较为明确的物理意义，能充分反映振动加速度值随着压实度变化而发生畸变的程度，能较好地反映在堆石区、过渡区等粗粒料区。
附图说明
图1是理论振动加速度时程曲线示意图。
图2是实测振动加速度时程曲线示意图。
图3是本发明基于地基反力测试的堆石坝压实质量检测方法所采用的结构示意图。
图4是本发明中车载显示模块结构示意图。
图5是本发明中CF指标与试坑法检测压实度的关系图。
图6是本发明中CF值与相对密度关系图。
图7是本发明中CF值与孔隙率相关关系图。
具体实施方式
现有的缺点主要体现在以下几个方面：1)本身的物理意义不够明确，在堆石坝压实质量检测中表振动轮的加速度信号并不只是存在一次谐波，未考虑高次谐波的影响；2)对不同碾压区域的适应性不好，特别是在堆石料等粗粒料上表现不佳。
本发明通过长河坝现场试验和理论分析得出了CF值作为压实质量检测指标，在国内外尚属首次提出。目前已有的压实检测指标在堆石坝填筑上主要用于黏土心墙等细料检测，而本次试验得出的成果在堆石料、过渡料等粗粒料上也具有较好的效果。建立了碾压参数与检测指标的多元回归模型，详细分析了行车速度、碾压遍数、铺料厚度等碾压参数对压实质量的影响情况。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一、现场检测指标的确定
基于地基反力的测试物理量较多，本研究以振动轮的振动加速度为基础，通过大量的现场试验采用振动峰值因数CF来作为现场实时检测指标。峰值因数通常用CF(crestfactor)表示，又称波峰因数，指周期波形的峰值与有效值之比，具体物理意义表达式为
峰值因数是交变电流中常用的评价指标，它通常用来说明一个交流电源能够在不失真的情况下输出峰值负载电流的能力，峰值因数会影响交流测量的精度。标准正弦波形的CF值为1.414，当波形产生畸变时，其峰值因数会发生显著变化，在此引用CF值来评判非标准的正弦机械波振动的畸形变化程度。从CF值的物理意义上来可以看出，CF实际上是一个综合了加速度峰值变化趋势和加速度均方根值变化趋势的检测指标，在这里CF是一个无量纲值。
二、检测系统原理
1、采集与检测模块
使用加速度传感器和数据采集系统进行数据采集，传感器使用强磁底座安装在振动碾压机内侧机架上，使传感器和振动轮保持刚性连接。由于激振装置的试验中采集数据的振动碾行进方向应保持一致。为了得到较为可信的压实试验结果，试验中均取前进方向的数据，此时振动碾偏心块旋转方向与压路机碾压方向保持一致。
信号采集后的数据通过信号连接线实时传回到主机进行存盘，保证主机具备足够的存储容量。
2、信号处理模块
振动轮的激振信号从理论上说是标准正弦周期信号，但在实际测试中可以发现加速度信号并不光滑，振动加速度时程曲线产生的信号畸变和奇异点并不仅仅是由地基反力的变化引起的，振动轴和底座相互碰撞，振动马达、发动机的噪音等随机高频噪声的产生也对加速度信号有较大的影响，因此需要通过一定的处理方法去掉高频噪声信号干扰。在此需要进行对振动加速度信号进行前处理，根据实际的信号检测要求，在此主要使用FFT变换和滤波处理进行信号去噪处理。
将采集的信号进行快速傅里叶变换(FFT)，将时域加速度信号转变到频域，选用低通滤波器，截止频率设置为150Hz，由此来消除高频干扰，信号去噪之后将加速度信号转换到时域范围，经计算得出实时检测指标CF值。
3、车载显示模块
车载显示模块主要由以下几个部分组成：电荷放大器、A/D转换器、单片机、LCD显示器。通过车载显示模块，可以实现实时检测指标LCD直接显示，并可通过外部控制器调节检测参数和显示情况。
检测指标的实际表现情况
图5是CF指标在某堆石坝工程填筑压实过程中的试验数据，通过数据可以看出，在各种填筑料上CF值随碾压遍数的变化趋势，具有较好的线性相关关系。
过渡料填筑区，由图6可以看出，CF值和相对密度之间存在明显的正相关关系，采用之前的线性相关模型相关系数R＝0.845，得出以下关系式Dr＝3.394CF-5.752。当过渡料相对密度达到标准要求的0.90时，可以反推得此时的CF＝1.960，即在此区域内当CF≥1.960时，即可达到压实标准所要求的压实质量。
堆石料填筑区，由图7可知，CF值和孔隙率之间存在明显的负相关关系，采用双曲线相关模型相关系数R＝0.936，得出以下预测模型关系式当孔隙率达到标准要求的21％时，可以得到此时的CF＝2.023。即在此区域内当CF≥2.023时，即可达到压实标准所要求的压实质量。
本发明分析了实时检测指标与碾压遍数和坑检法压实度的相关关系，得出了相应的单因素相关关系式，在过渡料上Dr＝3.394CF-5.752，堆石料上验证了用CF值来表征堆石坝粗粒料常规压实检测参数(如干密度、相对密度、孔隙率等)的适用性。CF值在本阶段的现场碾压试验中取得了较好的试验效果，检测误差在工程许可的范围内，此指标可以用于堆石坝粗粒料的压实质量实时检测。

Claims (5)

1.一种基于地基反力测试的堆石坝压实质量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：用强磁底座将加速度传感器安装在振动碾压机内侧机架上，使加速度传感器和振动轮保持刚性连接，采用加速度传感器和数据采集系统进行数据采集，采集的数据包括碾轮竖直向振动加速度；
步骤2：去掉高频振动轮激振信号的干扰信号；
步骤3：通过公式计算出检测指标峰值因数CF值，式中，ap为加速度周期波形的峰值，arms为加速度周期波形的有效值，根据无量纲的CF值判定堆石坝压实质量。
2.如权利要求1所述的基于地基反力测试的堆石坝压实质量检测方法，其特征在于，在步骤1进行数据采集时，所选取的数据均取前进方向的数据，即振动碾偏心块旋转方向与压路机碾压方向保持一致时的数据。
3.如权利要求2所述的基于地基反力测试的堆石坝压实质量检测方法，其特征在于，在所述步骤2中，将采集的信号进行快速傅里叶变换，时域加速度信号转变到频域，再采用截止频率设置为150Hz的低通滤波器消除高频干扰。
4.如权利要求1或2或3所述的基于地基反力测试的堆石坝压实质量检测方法，其特征在于，还包括步骤4：即通过车载显示模块，实现检测指标的直接显示，并通过外部控制器调节检测参数和显示情况。
5.如权利要求4所述的基于地基反力测试的堆石坝压实质量检测方法，其特征在于，车载显示模块包括依次连接的加速器传感器、第一电荷放大器、A/D转换器、第二电荷放大器、单片机、外部控制器，单片机还连接LCD显示。
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