CN110133099B - 基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法，包括以下步骤：采用加速度传感器接收反射的P波传播回振动轮所产生的土体共振信号；对接收到的土体共振信号进行滤波；对滤波后的频率区间进行快速傅里叶变换，得到加速度时程信号的频谱图，此频谱图的基频即为土体共振频率fp；运用公式Vp＝4H·fp计算反射的P波波速Vp；将得到的土体共振频率fp和反射的P波波速Vp，与现场碾压后通过试坑检测得到的土体干密度ρd建立回归关系f(Vp)～ρd，根据各土体达到压实标准所要求的干密度ρdc，计算得到Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc，并应用于现场控制。本发明对堆石坝压实质量进行全仓面自动实时检测，检测速度快，检测结果准确。

Description

基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法
技术领域
本发明涉及堆石坝压实质量检测和控制领域，特别是一种基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法。
背景技术
目前用于堆石坝粗粒料的压实质量常规检测手段主要为试坑检测法，该方法存在抽样随机、处理滞后、操作繁杂等缺陷。1)抽样随机。堆石坝的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，很难反映坝面压实的整体均匀性。2)处理滞后。常规检测法往往在碾压作业结束后进行，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，对压实质量的整体控制反而不利。3)操作繁杂。抽样检测过程较为繁杂，需要借助人力和其他工具，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。可见，常规检测方法不能满足当代堆石坝机械化施工的质量管理要求，
国内外对压实质量检测技术的研究在道路工程领域开展的较早，于20世纪80年代左右提出了连续压实控制CCC(Continuous Compaction Control)的理念，并在此理念的基础上形成了ACT(Advanced Compaction Technology)检测技术。该技术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得到检测结果。ACT检测技术的关键之一就是碾压质量控制指标的选取，国内外分别提出和改进了不同的监控指标，主要分为以下三类：
1)谐波比指标。瑞典的Geodynamik公司与Dynapac公司采用碾压振动加速度频域分析的二次谐波分量幅值与基频幅值的比值CMV(Compaction Meter Value)作为反应坝料压实质量情况的监测指标，验证了CMV与地基反力和碾压土体物理特性密切相关；Sakai公司采用计算方法与CMV相似，但将加速度信号的0.5、1、1.5、2、2.5和3次谐波分量均计算在内的CCV(Compaction Control Value)作为压实度检测系统的监控指标；Rinehart和Mooney提出了总谐波失真THD(Total Harmonic Distortion)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，土层越坚硬；天津大学钟登华、刘东海和崔博等人提出了以实时监测的压实监测值CV(Compaction Value)作为土石坝心墙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。
2)振动轮-土体动力学模型衍生指标。Caterpillar公司采用碾压净功率指标MDP(Machine Drive Power)来表征碾轮滚动阻力，进而判断土体硬度，在公路交通方面得到广泛运用；瑞士Ammann公司的Anderegg等人采用KS(Soil Stiffness)来表征土体刚度，验证了KS与土体刚性之间具有较强的相关关系；德国的Bomag公司由力学模型确定的软件算法计算出材料的动态模量Evib，来表征土体的压实状况，并进行了相关应用试验与推广；西南交通大学徐光辉等人采用动力学路基结构反力指标振动压实值VCV(VibratoryCompaction Value)，在路基连续压实质量检测中取得了良好的试验效果。
3)加速度峰值指标。同济大学凌建明等人在花岗岩残积路基料上的试验表明加速度峰值AA(Acceleration Amplitude)与路基的压实程度存在一定的相关性。
由以上研究内容可见，目前在压实质量检测技术领域，国内外的检测方法以及仪器主要集中于道路工程方面，由于堆石坝粗粒料的压实特性与道路工程中土料(尤其是黏土料)的压实特性有很大的区别，故相关指标不能直接作为大坝堆石料连续质量控制的表征指标。国内天津大学研究出的土石坝填筑碾压实时监控系统可对行车速度、碾压遍数、激振力状态、压实厚度等碾压参数进行实时监控，已在国内多个土石坝工程上进行应用，但由于其检测的为碾压参数，并没有对土体实际的压实质量进行检测，因此在堆石料压实质量实时检测方面仍需进行进一步研究。
现有的堆石坝坝料压实质量检测指标主要为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。
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
总的来说，现有技术主要存在以下不足：1、检测指标本身的物理意义不够明确，在堆石坝压实质量检测中振动轮的加速度信号并不只是存在二次谐波，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；3、检测指标反映的为振动轮和土体碾压系统的振动状态，未能单纯反映土体的振动和压实状况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法，通过分析碾压过程中土体共振信号，对堆石坝粗粒料的压实质量进行全仓面自动实时检测，不再需要在碾压区域抽样选取检测点，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：
一种基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法，包括以下步骤：
步骤1：采用加速度传感器接收反射的P波传播回振动轮所产生的土体共振信号，所述反射的P波经未压实的松软土层和压实的密实土层交界面反射；
步骤2：对接收到的土体共振信号进行滤波，消除干扰信号，包括噪声信号和振动轮激振信号；
步骤3：对滤波后的频率区间进行快速傅里叶变换，得到加速度时程信号的频谱图，此频谱图的基频即为土体共振频率fp；
步骤4：运用公式Vp＝4H·fp计算反射的P波波速Vp，式中，Vp为土体内反射的P波波速度，m/s；fp为土体共振频率，Hz；H为土体铺层厚度，m；
步骤5：将得到的土体共振频率fp和反射的P波波速Vp，与现场碾压后通过试坑检测得到的土体干密度ρd建立回归关系f(Vp)～ρd，根据各土体达到压实标准所要求的干密度ρdc，计算得到Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc，将控制值Vpc和Nc应用于现场控制。
进一步的，所述步骤2中，采用FIR滤波器进行滤波。
进一步的，所述步骤2中，在滤波之后，还包括以下步骤：
在振碾开始之前，基于土体类型、初始密度和铺层厚度，估算反射的P波波速Vp和土体共振频率fp所在区间；并根据碾压试验时得到的f(Vp)～ρd回归关系，计算反射的P波波速Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc；
进行第一次静碾，识别土体共振频率fp，观察土体共振频率fp是否与噪声区间重叠；如果没有，则滤波后的区间没有受到噪声信号的干扰，土体共振频率fp识别正确，直接进行Nc遍振动碾压；如果有重叠，则进行以下步骤；
进行前半程振碾，然后进行第二次静碾，根据静碾的振动信号确认噪声所在区间，进而去除前半程的振动信号中的噪声干扰，准确识别土体共振频率fp；进行后半程振碾，观察反射的P波波速Vp是否达到Vpc值，达到之后，补充进行第三次静碾，根据静碾的信号识别土体共振频率fp并计算反射的P波波速Vp，与Vpc进行对比，确认土体达到压实标准。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：本发明中土体共振频率fp和反射的P波波速Vp具有明确的物理意义，排除了振动轮和土体碾压系统中振动轮信号的干扰，直接表征土体实际压实程度的变化，能充分反映土体自身在碾压过程中的密实程度变化规律，检测速度快，检测结果准确；且在不同碾压区域和不同碾压材料上具有很好的适应性，能较好地应用在堆石坝的堆石区、过渡区等粗粒料区。
附图说明
图1是本发明检测原理示意图；
图2是本发明中为了消除噪声信号的干扰而采取的方法；
图3是某堆石料滤波后的加速度信号频谱图(第1遍静碾)；
图4是某堆石料滤波后的加速度信号频谱图(第2遍静碾)；
图5是某堆石料滤波后的加速度信号频谱图(第1遍振碾)；
图6是某堆石料滤波后的加速度信号频谱图(第2遍振碾)；
图7是某堆石料滤波后的加速度信号频谱图(第3遍振碾)；
图8是某堆石料滤波后的加速度信号频谱图(第4遍振碾)；
图9是某堆石料滤波后的加速度信号频谱图(第5遍振碾)；
图10是某堆石料滤波后的加速度信号频谱图(第6遍振碾)；
图11是某堆石料滤波后的加速度信号频谱图(第7遍振碾)；
图12是某堆石料滤波后的加速度信号频谱图(第8遍振碾)；
图13是某堆石料滤波后的加速度信号频谱图(第9遍振碾)；
图14是某堆石料滤波后的加速度信号频谱图(第10遍振碾)；
图15是本发明中ρd～Vp回归分析结果示意图(砂砾石料)；
图16是本发明中ρd～Vp回归分析结果示意图(堆石料)；
图17是本发明中ρd～Vp回归分析结果示意图(主堆石料)；
图18是本发明中ρd～Vp回归分析结果示意图(次堆石料)；
图19是本发明中ρd～Vp回归分析结果示意图(心墙料)；
图20是本发明中ρd～Vp回归分析结果示意图(反滤料)。
具体实施方式
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、检测原理
如图1所示，振动碾压机碾压土体时，由振动轮向土体施加激振力产生入射的P波，由于未压实的松软土层和压实的密实土层的密度差别较大，入射的P波在两个土层的交界面发生反射，反射的P波经土体传播回振动轮，产生土体共振信号，此土体共振信号由加速度传感器接收。由于土体内反射的P波的传播速度Vp与土体的密度密切相关，通过识别接收到的土体共振信号的基频可得到土体共振频率fp，运用公式(1)可计算得到反射的P波波速Vp，进而评估土体的压实程度。
Vp＝4H·fp (1)
式中，Vp为土体内反射的P波波速(m/s)；fp为土体共振频率(Hz)；H为土体铺层厚度(m)。
二、信号处理
为了识别土体共振频率fp，从而计算Vp来反映土体密度，需要对接收到的振动信号进行滤波和快速傅里叶变换(FFT)处理。滤波的目的是为消除噪声信号和振动轮激振信号的干扰，滤波区间根据已有的文献和资料中土体的P波波速Vp(或者在现场采用P波检测工具，测量碾压土体的P波波速Vp)，运用公式(1)估算土体共振频率fp所在的频率区间即为滤波区间，采用FIR滤波器进行滤波。对滤波后的频率区间进行快速傅里叶变换，得到加速度时程信号的频谱图，频谱图的基频即为土体共振频率fp。
三、建立回归关系
通过信号处理得到土体共振频率fp和反射的P波波速Vp，将土体共振频率fp和反射的P波波速Vp与现场碾压后通过试坑检测得到的土体干密度ρd建立回归关系f(Vp)～ρd，根据各土体达到压实标准所要求的干密度ρdc，计算得到Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc，并应用于现场控制。
四、应用优化
由于在现场的振动碾压信号中，有时会有噪声信号掺杂在滤波后的信号区间里，导致土体共振频率fp识别的不准确，从而不能直接进行土体的Nc遍振动碾压。为了消除噪声信号的干扰，准确识别土体共振频率fp，改进本发明应用步骤，具体如下：
1)在振碾开始之前，基于土体类型、初始密度和铺层厚度，估算Vp和fp所在的区间；并根据碾压试验时得到的f(Vp)～ρd回归关系，计算Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc。
2)进行第一次静碾，识别fp，观察fp是否与噪声区间重叠；如果没有，则表明滤波后的区间没有受到噪声信号的干扰，fp识别正确，直接进行Nc遍振动碾压，碾压完成之后进行试坑检测，确认土体达到压实标准；如果有重叠，则进行以下步骤。
3)首先进行前半程振碾，然后进行第二次静碾，根据静碾的振动信号确认噪声所在的区间，进而去除前半程的振动信号中的噪声干扰，从而准确识别fp。
4)再进行后半程振碾，观察Vp是否达到Vpc值，达到之后，补充进行第三次静碾，根据静碾的信号识别fp并计算Vp，与Vpc进行对比，确认土体达到压实标准。
五、效果验证
在某堆石坝的填筑碾压现场，经查阅堆石料Vp在1000-2000m/s区间，运用公式Vp＝4H·fp，计算得到fp所在区间为300-550Hz，对振动信号进行滤波和快速傅里叶变换处理，得到信号的频谱图，如图3～图14所示。
对运用以上方法和步骤识别得到的fp，运用公式Vp＝4H·fp计算得到Vp，对Vp与现场试坑检测得到的土体干密度ρd进行回归分析，结果如图15～图20和表2所示。
表2回归分析结果和计算得到的Vpc和Nc值
Figure BDA0002056585370000071
回归分析结果表明，各坝料上ρd与Vp的线性相关性极强，线性回归模型的决定系数R2均在0.85以上，平均误差δavg均在2％以下，最大误差δmax均小于5％，误差较小，表明基于土体共振频率fp的堆石坝压实质量检测方法可行，可运用于工程实践。
运用以上f(Vp)～ρd回归关系计算，可以得到各坝料Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc，与现场的标准振碾遍数Nf对比可知，各坝料在碾压达到标准振碾遍数前1-2遍均已达到压实标准，可对现场施工提出优化建议。

Claims (2)

1.一种基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用加速度传感器接收反射的P波传播回振动轮所产生的土体共振信号，所述反射的P波经未压实的松软土层和压实的密实土层交界面反射；
步骤2：对接收到的土体共振信号进行滤波，消除干扰信号，包括噪声信号和振动轮激振信号；在滤波之后，还包括以下步骤：
在振碾开始之前，基于土体类型、初始密度和铺层厚度，估算反射的P波波速Vp和土体共振频率fp所在区间；并根据碾压试验时得到的f(Vp)～ρd回归关系，计算反射的P波波速Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc；
进行第一次静碾，识别土体共振频率fp，观察土体共振频率fp是否与噪声区间重叠；如果没有，则滤波后的区间没有受到噪声信号的干扰，土体共振频率fp识别正确，直接进行Nc遍振动碾压；如果有重叠，则进行以下步骤；
进行前半程振碾，然后进行第二次静碾，根据静碾的振动信号确认噪声所在区间，进而去除前半程的振动信号中的噪声干扰，准确识别土体共振频率fp；进行后半程振碾，观察反射的P波波速Vp是否达到Vpc值，达到之后，补充进行第三次静碾，根据静碾的信号识别土体共振频率fp并计算反射的P波波速Vp，与Vpc进行对比，确认土体达到压实标准；
步骤3：对滤波后的频率区间进行快速傅里叶变换，得到加速度时程信号的频谱图，此频谱图的基频即为土体共振频率fp；
步骤4：运用公式Vp＝4H·fp计算反射的P波波速Vp，式中，Vp为土体内反射的P波波速度，m/s；fp为土体共振频率，Hz；H为土体铺层厚度，m；
步骤5：将得到的土体共振频率fp和反射的P波波速Vp，与现场碾压后通过试坑检测得到的土体干密度ρd建立回归关系f(Vp)～ρd，根据各土体达到压实标准所要求的干密度ρdc，计算得到Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc，将控制值Vpc和Nc应用于现场控制。
2.如权利要求1所述的基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法，其特征在于，所述步骤2中，采用FIR滤波器进行滤波。
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