CN108254068B - 一种填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统 - Google Patents

Abstract

一种填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统，包括碾压机、速度拾振器、信号采集分析仪、卫星定位接收机。在填筑层碾压施工时，控制碾压机行驶速度与振动作业频率恒定。碾压机振动轮振动信号被安装在其上的速度拾振器感知，然后被信号采集分析仪采样形成振动数字信号；同时信号采集分析仪也接收卫星定位接收机提供与振动信号相关的位置信号。对采集的振动信号进行速度峰值捕捉，可计算振动轮的极值压实动能。最后建立填筑层位置、碾压遍数与极值压实动能之间关系，形成碾压区域时空压实指标三维分布图。本发明填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统与无人驾驶或自动驾驶碾压机结合，可实现填筑工程无人化、智能化连续填筑压实流水线施工作业。

Description

一种填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统

技术领域

本发明属于土石填筑工程技术领域，可用于压实质量在线检测，特别涉及一种填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统。

背景技术

大量建设的基础设施与能源等工程都涉及土石方填筑施工，如路基、坝基或坝体等填筑压实。填筑工程的压实质量一直是土石方工程质量的一个重要指标，它直接影响填筑体的强度和稳定性，影响填筑体的使用性能和使用寿命。因此，许多针对土石方工程填筑质量的检测装备与技术一直是研发的重点。

压实质量检测测可分为直接法、间接法，前者包括灌砂法、环刀法、核子密度湿度仪法、灌水法等，后者包括压实度检测法、探地雷达法、瑞利波法、电磁法、电阻率测试法和冲击响应频谱法等。

直接法为抽样检测法，只能反映某些点的压实状况，不能反映整个工作面的压实质量，且属于有损检测，对原路基或填筑体的扰动较大。此外，直接方法检测装备繁杂且笨重，检测流程多而繁复，导致直接法检测效率低、人力及经济费用高，无法满足工程机械化快速施工的要求。

近年来，国内外对于填筑压实质量检测的研究主要集中在间接法检测装备与技术方面，如压实度的指标有CMV、K_s、E_vib和THD等。最近，White等提出MDP方法，并与CMV进行对比，张润利等应用竖向振动加速度来直接表征土层密实度开发了振动压实度计量仪，徐光辉等应用振动加速度表示路基结构抗力变化信息，李庆斌等提出基于压实振动声波的检测方法。所有检测这些压实度指标的机载压实度检测技术都将检测仪器安装在压实机械上，通过采集加速度、力/位移、机器净驱动功率等信号，对采集到的信号进行分析处理，最后提出相应压实度指标。压实质量间接检测法获得的指标不是直接检测填筑料的密实度，且检测精度低、检测装备昂贵，无法满足填筑压实质量定量检测要求。

因此，土石方施工的填筑工程亟需一种检测压实质量精度高、实时、无损的间接检测装备与技术。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统，能对填筑层的压实质量进行快速无损在线检测，即通过对碾压机振动压实过程中振动轮的振动速度信号的采集，检测速度峰值，计算振动轮振动能量，得到填筑层压实质量指标值，可以用于填筑工程连续压实质量实时检测与控制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统，安装于碾压机1上，所述碾压机1的振动轮既是实施碾压施工作业的激振设备，又是检测压实质量的对象，其特征在于，包括：

速度拾振器4，固定安装于碾压机1的振动轮上，直接感知振动轮的竖向振动速度；

信号采集分析仪3，直接计算碾压机1振动轮的竖向振动能量，将振动能量峰值作为压实质量的压实度指标。

所述信号采集分析仪3计算竖向振动能量的公式为：

其中m为碾压机1的振动轮质量，v(t)是振动轮的竖向振动速度。

振动能量峰值与压实度指标的具体对应关系为：

式中E_p为单周期内E(t)的峰值，E₀为碾压试验确定的合格压实振动能量，I为压实度指标。

本发还可包括：

卫星定位接收机2，提供与碾压位置、行驶速度相关的时间与空间信号，用于分析压实度指标的空间位置与碾压遍数之间关系；

所述信号采集分析仪3接收卫星定位接收机2的位置、速度与时间信号，根据位置坐标与振动能量峰值形成碾压区域压实度指标分布图，进一步结合碾压遍数形成3D云图。

所述根据位置坐标与振动能量峰值形成碾压区域压实度指标分布图的具体方法是：

首先，以碾压区域的长度与宽度分别为压实度指标分布图的水平轴与竖向轴，以米为单位；

其次，根据碾压机1当前位置坐标值，实时将相应的压实度指标值I填充到压实度指标分布图内，填充范围为△A＝L×u×△t，式中L为振动轮宽度，u为碾压机行驶速度，通过卫星定位接收机2获得，△t为振动周期；

最后，当碾压机1行驶覆盖整个碾压区域即完成一遍碾压后，碾压区域压实度指标分布图即形成，以空间曲面形式显示。

根据碾压区域压实度指标分布图进一步结合碾压遍数形成3D云图具体方法如下：

首先，以碾压区域长宽为平面两坐标轴，以碾压遍数轴垂直于压实度指标平面图，构成三维坐标系；

然后，将压实度指标图以5％水平分级，用不同色彩显示，形成2D云图；

最后，区域不同碾压遍数对应的压实度指标2D云图构成相应的3D云图。

本发明可采用加速度计替代所述速度拾振器4，感知碾压机1的振动轮的竖向振动加速度，通过积分获得相应的速度值。

所述信号采集分析仪3通过反馈控制模块实现对现场碾压填筑作业的反馈控制，给碾压机作业员或现场监理人员提供压实作业情况的反馈信息，以便相关人员采取有效措施，提高填筑层的压实质量。

所述反馈控制模块的具体控制策略为：

首先，目标压实指标100％，根据目标压实指标与当前位置的实际压实度指标I差值，统计当前碾压遍数的合格率；

然后，根据当前合格率制定随后碾压遍数的碾压参数如振动频率、振动幅值等；

最后，当碾压区域压实度指标合格率在一规定值之上，如98％，则可决定完成区域碾压任务；而当低于此规定值，则决定进行下一遍的碾压任务；如果连续三次碾压合格率相近，则停止碾压任务，并检查碾压料是否异常，如碾压材料无异常，则应检查碾压层厚度等其它因素是否正常，当所有碾压层材料正常，则检查碾压机1是否工作正常，如碾压机工作正常，则重做碾压试验，重新确定压实合格振动能量E₀。

振动轮的竖向振动速度信号包含了碾压机振动轮与填筑土层相互作用程度、压实程度等信息。与现有土石工程填筑压实质量检测技术相比，本发明仅需知道碾压机振动轮质量，检测振动轮的竖向振动速度，就可在线实时地确定碾压层的压实质量，非常适合填筑工程连续压实质量控制，尤其是土石坝填筑质量(如砂砾石料)进行精确有效且快速无损的检测。进一步，可实时对碾压层压实度进行全坝面施工区域检测，通过反馈控制压路机振动轮的振动频率与振动幅值也容易实现智能连续压实功能，不仅可以提高施工效率，也使工程建造经济性和工程建设精细化管理得到保障。

附图说明

图1为本发明原理示意图。

具体实施方式

下面结合该检测系统原理和实施例，对本发明的在线检测系统做进一步详细描述。以下实施例和附图用于说明本发明所提填筑质量机载振动能量检测设备与方法具体现场检测实施过程，但不是用来限定本发明的范围。

图1所示，本发明一种填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统，安装于碾压机1上，包括卫星定位接收机2、信号采集分析仪3以及速度拾振器4。

其中，碾压机1，其振动轮即使实施现场碾压施工作业的激振设备，又是压实质量检测的对象。

卫星定位接收机2固定于碾压机1顶部，要求具有接收至少4颗卫星的条件。同时，卫星定位接收机2将定位等信息通过串口数据连接线与信号采集分析仪3相连。

速度拾振器4安装于碾压机1的振动轮，感知碾压机1作业时振动轮竖向振动速度信号，也可采用加速度拾振器，但需通过采样后数值积分获得速度信号。后者利用加速度信号具有偏移，而速度拾振器测得绝对速度量。

信号采集分析仪3，安装于碾压机1的驾驶室内，除接收卫星定位串口数据信号外，还接收速度拾振器4发送的速度信号，并滤波与采样，形成振动数字信号。信号采集分析仪3内装有振动能量计算与压实质量合格判断程序，同时还有将碾压位置、碾压遍数与压实振动能量集成3D的压实质量分布云图。

在信号采集分析仪3中，通过如下公式计算竖向振动能量：

其中m为碾压机1的振动轮质量，v(t)是振动轮的竖向振动速度。

振动能量峰值与压实度指标的具体对应关系为：

式中E_p为单周期内E(t)的峰值，E₀为碾压试验确定的合格压实振动能量，I为压实度指标。

信号采集分析仪3通过如下步骤根据位置坐标与振动能量峰值形成碾压区域压实度指标分布图：

首先，以碾压区域的长度与宽度分别为压实度指标分布图的水平轴与竖向轴，以米为单位；

其次，根据碾压机1当前位置坐标值，实时将相应的压实度指标值I填充到压实度指标分布图内，填充范围为△A＝L×u×△t，式中L为振动轮宽度，u为碾压机行驶速度，通过卫星定位接收机2获得，△t为振动周期；

最后，当碾压机1行驶覆盖整个碾压区域即完成一遍碾压后，碾压区域压实度指标分布图即形成，以空间曲面形式显示。

信号采集分析仪3通过如下步骤根据碾压区域压实度指标分布图进一步结合碾压遍数形成3D云图：

首先，以碾压区域长宽为平面两坐标轴，以碾压遍数轴垂直于压实度指标平面图，构成三维坐标系；

然后，将压实度指标图以5％水平分级，用不同色彩显示，形成2D云图；

最后，区域不同碾压遍数对应的压实度指标2D云图构成相应的3D云图。

信号采集分析仪3还可通过反馈控制实现对现场碾压填筑作业的反馈控制，给碾压机作业员及现场监理人员提供压实作业情况的反馈信息，以便相关人员采取有效措施，提高填筑层的压实质量。

反馈控制的具体策略为：

首先，目标压实指标100％，根据目标压实指标与当前位置的实际压实度指标I差值，统计当前碾压遍数的合格率；

然后，根据当前合格率制定随后碾压遍数的碾压参数如振动频率、振动幅值等；

最后，当碾压区域压实度指标合格率在一规定值之上，如98％，则可决定完成区域碾压任务；而当低于此规定值，则决定进行下一遍的碾压任务；如果连续三次碾压合格率相近，则停止碾压任务，并检查碾压料是否异常，如碾压材料无异常，则应检查碾压层厚度等其它因素是否正常，当所有碾压层材料正常，则检查碾压机1是否工作正常，如碾压机工作正常，则重做碾压试验，重新确定压实合格振动能量E₀。

本发明基于能量方法进行土石方工程填筑质量检测，依据新设计的声信号采集及处理系统实现其功能，按如下步骤对土石方工程填筑质量，尤其是土石坝填筑质量(如砂砾石料)进行检测：

在碾压施工作业区域进行灌水法取样，测得碾压施工区域的实际压实度，经过与本发明系统计算出的土石料压实度指标值对比，具有强相关性。由此可见，本发明非常适合填筑工程连续压实质量控制，通过反馈控制压路机振动轮的振动频率与振动幅值也容易实现智能连续压实功能，便于填筑碾压施工作业员及现场监理及时发现问题，使碾压施工作业质量得到改善，最终保障土石方工程填筑质量。

Claims (7)

1.一种填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统，安装于碾压机(1)上，所述碾压机(1)的振动轮既是实施碾压施工作业的激振设备，又是检测压实质量的对象，其特征在于，包括：

速度拾振器(4)，固定安装于碾压机(1)的振动轮上，直接感知振动轮的竖向振动速度；

信号采集分析仪(3)，直接计算碾压机(1)振动轮的竖向振动能量，将振动能量峰值作为压实质量的压实度指标；

其中，所述信号采集分析仪(3)计算竖向振动能量的公式为：

其中m为碾压机(1)的振动轮质量，v(t)是振动轮的竖向振动速度；

振动能量峰值与压实度指标的具体对应关系为：

式中E_p为单周期内E(t)的峰值，E₀为碾压试验确定的合格压实振动能量，I为压实度指标。

2.根据权利要求1所述填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统，其特征在于，还包括：

卫星定位接收机(2)，提供与碾压位置、行驶速度相关的时间与空间信号，用于分析压实度指标的空间位置与碾压遍数之间关系；

所述信号采集分析仪(3)接收卫星定位接收机(2)的位置、速度与时间信号，根据位置坐标与振动能量峰值形成碾压区域压实度指标分布图，进一步结合碾压遍数形成3D云图。

3.根据权利要求2所述填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统，其特征在于，所述根据位置坐标与振动能量峰值形成碾压区域压实度指标分布图的具体方法是：

首先，以碾压区域的长度与宽度分别为压实度指标分布图的水平轴与竖向轴，以米为单位；

其次，根据碾压机(1)当前位置坐标值，实时将相应的压实度指标值I填充到压实度指标分布图内，填充范围为△A＝L×u×△t，式中L为振动轮宽度，u为碾压机行驶速度，通过卫星定位接收机(2)获得，△t为振动周期；

最后，当碾压机(1)行驶覆盖整个碾压区域即完成一遍碾压后，碾压区域压实度指标分布图即形成，以空间曲面形式显示。

4.根据权利要求2所述填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统，其特征在于，根据碾压区域压实度指标分布图进一步结合碾压遍数形成3D云图具体方法如下：

首先，以碾压区域长宽为平面两坐标轴，以碾压遍数轴垂直于压实度指标平面图，构成三维坐标系；

然后，将压实度指标图以5％水平分级，用不同色彩显示，形成2D云图；

最后，区域不同碾压遍数对应的压实度指标2D云图构成相应的3D云图。

5.根据权利要求1所述填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统，其特征在于，采用加速度计替代所述速度拾振器(4)，感知碾压机(1)的振动轮的竖向振动加速度，通过积分获得相应的速度值。

6.根据权利要求1所述填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统，其特征在于，所述信号采集分析仪(3)通过反馈控制模块实现对现场碾压填筑作业的反馈控制，给碾压机作业员或现场监理人员提供压实作业情况的反馈信息，以便相关人员采取有效措施，提高填筑层的压实质量。

7.根据权利要求6所述填筑工程压实质量的振动能量在线检测系统，其特征在于，所述反馈控制模块的具体控制策略为：

首先，目标压实指标100％，根据目标压实指标与当前位置的实际压实度指标I差值，统计当前碾压遍数的合格率；

然后，根据当前合格率制定随后碾压遍数的碾压参数如振动频率、振动幅值等；

最后，当碾压区域压实度指标合格率在一规定值之上，则可决定完成区域碾压任务；而当低于此规定值，则决定进行下一遍的碾压任务；如果连续三次碾压合格率相近，则停止碾压任务，并检查碾压料是否异常，如碾压材料无异常，则应检查碾压层厚度等其它因素是否正常，当所有碾压层材料正常，则检查碾压机(1)是否工作正常，如碾压机工作正常，则重做碾压试验，重新确定压实合格振动能量E₀。