CN112924310A - 基于土体刚度的堆石坝料压实质量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于土体刚度的堆石坝料压实质量检测方法，包括以下步骤：结合堆石坝料的碾压特性，建立能够在堆石坝料上应用的“碾压机‑土体”振动系统三自由度动力学分析模型，得出土体参数与振动系统加速度的关系；对测得的振动轮加速度信号数据取绝对值，并进行峰值挑选和滑动平均，得到振动轮加速度信号平均幅值a_2m；通过参数敏感性分析，可假定土体阻尼c_s始终为碾压初始状态的阻尼值，运用得出的加速度平均幅值a_2m和土体参数与加速度关系，快速计算得出土体刚度来反映振动压实过程中堆石坝料的压实质量。本发明方法能够运用于压实质量现场控制，黏土心墙等细料检测，且在堆石料、砂砾石料等粗粒料上也具有较好的检测效果。

Description

基于土体刚度的堆石坝料压实质量检测方法

技术领域

本发明涉及堆石坝料质量检测领域，特别是一种基于土体刚度的堆石坝料压实质量检测方法。

背景技术

岩土材料的压实质量是铁路与公路路基、机场跑道及水利堤坝施工质量管理中的重要内容。国内外最早在道路工程领域开展压实质量实时检测技术的研究，在20世纪80年代左右提出了连续压实控制CCC(Continuous Compaction Control)理念，形成了ACT(Advanced Compaction Technology)检测技术。该技术将碾轮作为一个动态加载对象，通过在振动碾压机的碾轮上安装相应的传感器，实时测量分析碾压过程中碾轮的动态振动信号来获得岩土材料压实状况。压实质量检测指标的选取是ACT技术的关键，国内外分别提出和改进了不同的检测指标。

在国外，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；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；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等人采用表征土体刚性的K_B指标在路基岩土材料上检测其压实程度效果较好；德国的Bomag公司由力学模型和软件算法分析计算出材料的动态模量E_vib，来表征土体的压实状况，并进行了相关应用试验与推广。

在国内，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；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(Vibratory Compaction Value)，在路基连续压实质量检测中取得了良好的试验效果；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)与路基填料的压实程度存在一定的相关性。

由以上研究内容可见，目前国内外对压实质量的检测方法以及仪器主要集中于路基工程领域，由于堆石坝填筑料的粒径和级配较为分散，其中含有较多大粒径(部分粒径已达到1m左右)、坚硬且有较多棱角的块石，其碾压特性与路基工程中的土料差异明显，故在公路和铁路领域广泛应用的相关压实质量检测指标和方法不能直接作为大坝堆石料压实质量控制的指标。国内水电工程中逐渐应用的大坝填筑施工过程监控系统已经实现了对振动碾压机和坝料碾压参数的实时监测和控制，但由于其并没有对坝料实际的压实质量进行检测，因此在堆石坝料压实质量的实时检测和控制方面仍需进一步研究。

目前在大型堆石坝填筑料的碾压过程中，坝料压实质量的常规检测方法主要为试坑检测法，该方法存在相当大的缺陷，表现如下：

(1)抽样随机。在坝料填筑碾压现场进行试坑检测时，为了不破坏整个碾压仓面的压实质量，一般随机选取碾压面的某个部位进行挖坑检测，当坝料摊铺不均匀或者物料差异性较大时，抽样检测部位的结果就不能代表整个碾压仓面的压实情况。

(2)处理滞后。试坑检测法需要在整个碾压面完成碾压作业后才能进行，属于事后控制，不能对碾压薄弱位置进行实时检测和处理；当检测结果不符合碾压标准需要返工时，对再次碾压的参数和控制标准很难重新确定，且再次碾压容易对已碾压合格的部位产生过碾，导致坝料级配发生变化。

(3)操作繁杂。在现场进行试坑检测的操作方法比较繁杂，且需要通过人工在现场进行挖坑操作，获得的土样需要及时运输回实验室测量其含水率等参数，整个检测过程收到外界环境的干扰较大。

由于存在以上缺点，试坑检测法不能满足现代堆石坝机械化施工的质量管理要求，本发明提出了基于土体刚度的堆石坝料压实质量检测方法，通过测得的碾轮振动加速度信号计算得出土体刚度来反映坝料的压实程度，能够在碾压过程中对堆石坝料的压实质量进行实时检测和及时处理，解决了试坑检测法随机抽样的不均匀、处理滞后和操作繁琐的问题。

例如：现有的堆石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。

A₁——加速度频谱图二次谐波幅值；

A₀——加速度频谱图基频幅值；

C——放大系数(通常取300)。

以下是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

可见，其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；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；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的振动轮信号并不只是存在二次谐波，未考虑高次谐波的影响。

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刚度的堆石坝料压实质量检测方法，建立土体参数与振动系统加速度的关系式，通过参数敏感性分析和信号处理，快速计算得出土体刚度来反映振动压实过程中堆石坝料的压实质量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于土体刚度的堆石坝料压实质量检测方法，包括以下步骤：

步骤1：建立土体参数与振动系统加速度的关系

结合堆石坝料的碾压特性，将振动碾压机的机架和振动轮分别简化为集中质量m₁和m₂，碾压机的减震装置用刚度k₁、阻尼c₁来描述，并将随振土体简化为一个集中质量m₃、具有一定刚度k_s和线性阻尼c_s的弹性体，忽略土体滞回变形特性和时间的影响，建立能够在堆石坝料上应用的“碾压机-土体”振动系统三自由度动力学分析模型；

参数含义：m₁—机架质量；m₂—振动轮质量；m₃—随振土体质量；k₁—减震器刚度；c₁—减震器阻尼；k_s—土体刚度；c_s—土体阻尼；x₁—机架垂直向位移；x₂—振动轮垂直向位移；x₃—土体垂直向位移；

—机架垂直向振动速度；

—振动轮垂直向振动速度；

—土体垂直向振动速度；

—机架垂直向振动加速度；

—振动轮垂直向振动加速度；

—土体垂直向振动加速度；F—振动轮瞬时激振力；F₀—振动轮激振力幅值；ω—振动轮的工作角频率；F_s—振动轮与土体间的动态作用力；

根据建立的动力学分析模型各部分的接触和受力情况，按照力的平衡关系，以模型中各集中质量的静平衡位置为坐标原点，得到各层之间的受力方程如下：

式中，F₀＝M_eω²，M_e为偏心块的静偏心力矩,M_e＝m_fr,m_f为偏心力，r为偏心块的偏心距，ω为振动轮的工作角频率。

在振动轮接地时，振动轮m₂和土体m₃一直保持接触状态，则x₂＝x₃，动力学方程(1)表示为：

对方程(2)进行变换运算，得到机架和振动轮的垂直振动加速度a₁、a₂的幅值a_1m、a_2m分别为：

式中，X₁和X₂分别为机架m₁和振动轮m₂垂直向位移的幅值,

A₁＝k₁,A₂＝k₁-m₁ω²,B₁＝c₁ω,

C＝(m₂+m₃)m₁ω⁴-(m₁k₁+m₁k_s+m₂k₁+m₃k₁+c₁c_s)ω²+k₁k_s,

D＝(k₁c_s+k_sc₁)ω-(m₁c₁+m₁c_s+m₂c₁+m₃c₁)ω³。

式(3)和(4)均为包含振动系统各项参数的函数关系式：f(F₀,ω,m₁,m₂,m₃,k₁,c₁,k_s,c_s)，其中，在不同坝料上的F₀,ω,m₁,m₂,m₃,k₁,c₁参数均通过选择碾压设备参数确定，则式(3)和(4)实际为只有两个变量的函数关系式f(k_s,c_s)，即得到土体参数k_s和c_s与振动系统加速度a₁、a₂的关系；

步骤2：计算土体刚度k_s

将测得的振动轮加速度a₂信号输出到Matlab软件中，对a₂信号中的加速度数据取绝对值，并进行峰值挑选，得到加速度信号的幅值随时间的波动曲线，对波动曲线运用窗函数进行滑动平均，得到整个碾压条带上的振动轮加速度a₂的平均幅值a_2m；

通过参数敏感性分析可知，振动轮加速度幅值a_2m对土体刚度k_s的变化较为敏感，且随着土体刚度k_s的增加而增加，但a_2m对土体阻尼c_s的变化不敏感。因此可假定土体阻尼c_s始终为碾压初始状态的阻尼值，并根据得到的振动轮加速度a₂的平均幅值a_2m，运用式(4)进行计算得到土体刚度k_s，从而反映振动压实过程中土体的压实状况；

步骤3：土体参数的验算

将计算得到土体刚度k_s代入式(4)中，运用Matlab软件对振动轮加速度a₂信号进行时域动态仿真，将模拟出的信号与实测信号进行对比，观察其符合程度，以验证计算得到的土体参数的正确性；

步骤4：建立土体刚度k_s与土体密度相关关系

对计算得到的土体刚度k_s与现场碾压之后通过试坑检测得到的相应碾压遍数的土体干密度ρ_d数据，采用最小二乘法进行统计回归分析，建立相应的线性相关关系式，以表征相应坝料的ρ_d～k_s关系；通过回归的关系式和坝料填筑碾压的干密度控制值ρ_dc计算得到土体刚度的控制值k_c，并应用于现场压实质量控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用的土体刚度k_s指标具有明确的物理意义，能够直接反映土体本身的物理性质，且运用土体参数仿真得到的振动信号与实测信号符合程度很高，表明本发明建立的土体参数与振动系统加速度的关系及相应的土体参数计算方法是正确的，土体刚度k_s指标能直接反映土体随着碾压的进行，其自身密实程度的变化规律，并且在不同碾压区域和不同碾压材料上具有很好的适应性，可以广泛地应用在堆石坝的堆石料、砂砾石料等粗粒料区。

附图说明

图1是本发明构建的“碾压机—土体”振动系统三自由度动力学模型。

图2是某堆石料上振动轮加速度a₂信号。

图3是某堆石料上振动轮加速度a₂信号的幅值随时间的波动曲线图。

图4是某堆石料各碾压遍数下振动轮加速度a₂幅值的波动对比图。

图5是模拟信号与实测信号对比图(砂砾石料01，V2，t＝0.5s)。

图6是模拟信号与实测信号对比图(堆石料01，V1，t＝2s)。

图7是模拟信号与实测信号对比图(主堆石料01，V1，t＝1s)。

图8是模拟信号与实测信号对比图(次堆石料01，V1，t＝2s)。

图9是ρ_d～k_s线性回归分析结果图(砂砾石料)。

图10是ρ_d～k_s线性回归分析结果图(堆石料)。

图11是ρ_d～k_s线性回归分析结果图(主堆石料)。

图12是ρ_d～k_s线性回归分析结果图(次堆石料)。

图13是ρ_d～k_s线性回归分析结果图(心墙料)。

图14是ρ_d～k_s线性回归分析结果图(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、土体参数与振动系统加速度的关系

根据振动结构模态分析理论与方法，结合堆石坝料的碾压特性，将振动碾压机的机架和振动轮分别简化为集中质量m₁和m₂，碾压机的减震装置用刚度k₁、阻尼c₁来描述，并将随振土体简化为一个集中质量m₃、具有一定刚度k_s和线性阻尼c_s的弹性体，忽略土体滞回变形特性和时间的影响，建立能够在堆石坝料上应用的“碾压机-土体”振动系统三自由度动力学分析模型，如图1所示，以分析土体参数与振动系统加速度之间的关系。该数学模型考虑了随振土体质量对碾压机-土体振动系统动力响应的影响，可较为准确的模拟碾压机的实际压实作业情况。

根据图1中动力学模型各部分的接触和受力情况，按照力的平衡关系，以模型中各集中质量的静平衡位置为坐标原点，可得各层之间的受力方程如下：

式中，F₀＝M_eω²，M_e为偏心块的静偏心力矩,M_e＝m_fr,m_f为偏心力，r为偏心块的偏心距，ω为振动轮的工作角频率。

在振动轮接地时，振动轮m₂和土体m₃一直保持接触状态，那么就有x₂＝x₃，动力学方程(1)表示为：

对方程(2)进行变换运算，得到机架和振动轮的垂直振动加速度a₁、a₂的幅值a_1m、a_2m分别为：

式中，X₁和X₂分别为机架m₁和振动轮m₂垂直向位移的幅值，A₁＝k₁,A₂＝k₁-m₁ω²,B₁＝c₁ω，C＝(m₂+m₃)m₁ω⁴-(m₁k₁+m₁k_s+m₂k₁+m₃k₁+c₁c_s)ω²+k₁k_s，D＝(k₁c_s+k_sc₁)ω-(m₁c₁+m₁c_s+m₂c₁+m₃c₁)ω³。

式(3)和(4)均为包含振动系统各项参数的函数关系式：f(F₀,ω,m₁,m₂,m₃,k₁,c₁,k_s,c_s)，其中，在不同坝料上的F₀,ω,m₁,m₂,m₃,k₁,c₁参数均通过选择碾压设备参数确定，则式(3)和(4)实际为只有两个变量的函数关系式f(k_s,c_s)，即得到土体参数k_s和c_s与振动系统加速度a₁、a₂的关系。

二、计算土体刚度k_s

由于机架振动加速度a₁的测量较为不便，存在较多的干扰，因此本发明选择测量振动轮的加速度a₂信号来进行土体参数计算。将测得的振动轮加速度a₂信号输出到Matlab软件中，对a₂信号中的加速度数据取绝对值，并进行峰值挑选，得到加速度信号的幅值随时间的波动曲线，对波动曲线运用窗函数进行滑动平均，得到整个碾压条带上的振动轮加速度a₂的平均幅值a_2m。

对式(4)中的土体刚度k_s和阻尼c_s进行敏感性分析可知，振动轮加速度幅值a_2m对土体刚度k_s的变化较为敏感，且随着土体刚度k_s的增加而增加，但a_2m对土体阻尼c_s的变化不敏感。因此在堆石坝料的振动碾压过程中，可假定土体阻尼c_s始终为碾压初始状态的阻尼值，并根据以上分析得到的振动轮加速度a₂的平均幅值a_2m，运用式(4)进行计算得到土体刚度k_s，从而直接反映振动压实过程中土体的压实状况。

三、土体参数的验算

将以上计算得到土体刚度k_s代入式(4)中，运用Matlab软件对振动轮加速度a₂信号进行时域动态仿真，将模拟出的信号与实测信号进行对比，观察其符合程度，以验证计算得到的土体参数的正确性。

四、建立土体刚度k_s与土体密度相关关系

对以上计算得到的土体刚度k_s与现场碾压之后通过试坑检测得到的相应碾压遍数的土体干密度ρ_d数据，采用最小二乘法进行统计回归分析，建立相应的线性相关关系式，以表征相应坝料的ρ_d～k_s关系。通过回归的关系式和坝料填筑碾压的干密度控制值ρ_dc可计算得到土体刚度的控制值k_c，并应用于现场压实质量控制。

效果验证

在某堆石坝的填筑碾压现场，对在堆石料某碾压条带上测得的振动轮加速度信号(图2)，运用步骤2中的取绝对值和峰值挑选的方法进行信号处理，得到加速度信号的幅值随时间的波动曲线，如图3所示。

然后对该碾压条带不同碾压遍数下的振动信号幅值波动曲线进行滑动平均，得到其加速度a₂信号幅值的波动对比图，如图4所示。

对运用以上方法计算得到的加速度信号的幅值进行平均，得到各碾压遍数下振动轮加速度a₂的平均幅值a_2m，并和碾压初始状态的土体阻尼c_s值代入式(4)进行计算，得到各试验坝料在不同碾压遍数下的土体刚度k_s值，如表2所示(表中，S表示碾压初始状态，V1表示振碾第1遍)。

表2振动压实过程中各试验坝料的土体刚度k_s(N/m,×10⁸)

将表2中的土体参数代入式(4)，运用Matlab数学分析软件对振动轮加速度a₂信号进行时域动态仿真，将模拟出的信号与实测信号进行对比，结果如图5-图8所示。

从图5-图8可以发现，运用计算得到的土体参数模拟出的振动轮加速度a₂信号与实测信号的符合程度很高，表明本发明建立的土体参数与振动系统加速度的关系及相应的土体参数计算方法是正确的，土体刚度k_s的计算结果可用于评价堆石坝料在振动压实过程中的压实状况。

对表2中土体刚度k_s的计算结果与现场试坑检测得到的坝料干密度ρ_d数据，采用最小二乘法进行统计回归分析，结果如图9-图14和表3所示。表3中n为ρ_d～k_s样本组数，R²为回归模型的决定系数，a、b分别为回归模型的回归系数，ρ_dc为坝料干密度的控制值，k_c为土体刚度的控制值。

表3ρ_d～k_s线性回归分析结果及压实控制值k_c

回归分析结果表明，各坝料上ρ_d与k_s的线性相关性较强，线性回归模型的决定系数R²均在0.75以上，相应的线性相关关系式可表征试验坝料的ρ_d～k_s关系，通过相关关系式和各坝料的干密度控制值ρ_dc计算得到的土体刚度控制值k_c可用于现场压实质量控制，对填筑碾压提供优化建议。

Claims (1)

1.一种基于土体刚度的堆石坝料压实质量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立土体参数与振动系统加速度的关系

结合堆石坝料的碾压特性，将振动碾压机的机架和振动轮分别简化为集中质量m₁和m₂，碾压机的减震装置用刚度k₁、阻尼c₁来描述，并将随振土体简化为一个集中质量m₃、具有一定刚度k_s和线性阻尼c_s的弹性体，忽略土体滞回变形特性和时间的影响，建立能够在堆石坝料上应用的“碾压机-土体”振动系统三自由度动力学分析模型；

参数含义：m₁—机架质量；m₂—振动轮质量；m₃—随振土体质量；k₁—减震器刚度；c₁—减震器阻尼；k_s—土体刚度；c_s—土体阻尼；x₁—机架垂直向位移；x₂—振动轮垂直向位移；x₃—土体垂直向位移；

—机架垂直向振动速度；

—振动轮垂直向振动速度；

—土体垂直向振动速度；

—机架垂直向振动加速度；

—振动轮垂直向振动加速度；

—土体垂直向振动加速度；F—振动轮瞬时激振力；F₀—振动轮激振力幅值；ω—振动轮的工作角频率；F_s—振动轮与土体间的动态作用力；

根据建立的动力学分析模型各部分的接触和受力情况，按照力的平衡关系，以模型中各集中质量的静平衡位置为坐标原点，得到各层之间的受力方程如下：

式中，F₀＝M_eω²，M_e为偏心块的静偏心力矩，M_e＝m_fr，m_f为偏心力，r为偏心块的偏心距，ω为振动轮的工作角频率。

在振动轮接地时，振动轮m₂和土体m₃一直保持接触状态，则x₂＝x₃，动力学方程(1)表示为：

对方程(2)进行变换运算，得到机架和振动轮的垂直振动加速度a₁、a₂的幅值a_1m、a_2m分别为：

式中，X₁和X₂分别为机架m₁和振动轮m₂垂直向位移的幅值，

A₁＝k₁，A₂＝k₁-m₁ω²，B₁＝c₁ω，

C＝(m₂+m₃)m₁ω⁴-(m₁k₁-m₁k_s+m₂k₁-m₃k₁+c₁c_s)ω²+k₁k_s，

D＝(k₁c_s+k_sc₁)ω-(m₁c₁+m₁c_s+m₂c₁+m₃c₁)ω³。

式(3)和(4)均为包含振动系统各项参数的函数关系式：f(F₀,ω,m₁,m₂,m₃,k₁,c₁,k_s,c_s)，其中，在不同坝料上的F₀，ω，m₁，m₂，m₃，k₁，c₁参数均通过选择碾压设备参数确定，则式(3)和(4)实际为只有两个变量的函数关系式f(k_s,c_s)，即得到土体参数k_s和c_s与振动系统加速度a₁、a₂的关系；

步骤2：计算土体刚度k_s

将测得的振动轮加速度a₂信号输出到Matlab软件中，对a₂信号中的加速度数据取绝对值，并进行峰值挑选，得到加速度信号的幅值随时间的波动曲线，对波动曲线运用窗函数进行滑动平均，得到整个碾压条带上的振动轮加速度a₂的平均幅值a_2m；

假定土体阻尼c_s始终为碾压初始状态的阻尼值，并根据得到的振动轮加速度a₂的平均幅值a_2m，运用式(4)进行计算得到土体刚度k_s，从而反映振动压实过程中土体的压实状况；

步骤3：土体参数的验算

将计算得到土体刚度k_s代入式(4)中，运用Matlab软件对振动轮加速度a₂信号进行时域动态仿真，将模拟出的信号与实测信号进行对比，观察其符合程度，以验证计算得到的土体参数的正确性；

步骤4：建立土体刚度k_s与土体密度相关关系

对计算得到的土体刚度k_s与现场碾压之后通过试坑检测得到的相应碾压遍数的土体干密度ρ_d数据，采用最小二乘法进行统计回归分析，建立相应的线性相关关系式，以表征相应坝料的ρ_d～k_s关系；通过回归的关系式和坝料填筑碾压的干密度控制值ρ_dc计算得到土体刚度的控制值k_c，并应用于现场压实质量控制。

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