CN113567553A - 一种智能压实评价指标及其现场测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能压实评价指标及其现场测量方法。智能压实评价指标是在现有CMV和CCV指标基础上的改进，相对于CMV指标具有更高的准确性和敏感性，相对于CCV指标有更高的稳定性和合理性。现场测量方法对加速度传感器以及信号降噪方法进行了规定，并提供了新的傅里叶变换信号段长度的确定方法，同时引入RMV指标与改进压实质量评价指标协同使用以规避跳振，保证了改进指标的有效性和现场的施工质量，最后提供了一种新的压实均匀性评价方法，提高了施工效率。
Description
技术领域
本发明属于道路工程智能压实技术领域，具体涉及一种智能压实评价指标及其现场测量方法。
背景技术
压实是道路施工过程中保证路基路面结构施工质量的一道重要工序，但传统的压实质量控制方法存在诸多缺陷。传统压实控制方法是在压实完成后的随机抽样检测，具有随机性、滞后性以及破坏性。为了加强压实质量控制，人们提出了智能压实的概念。
智能压实通过在压实设备上安装一系列传感器，尤其是在振动轮中心轴上安装加速度传感器，实现对振动轮加速度的实时监测，然后再利用监测所得的加速度信号，提取出相应的连续压实计量指标，根据该指标，可以反映材料的压实质量。
在这项技术中，监测振动轮加速度信号并不难，困难之处在于得到与压实质量具有强相关性的连续压实计量指标。目前研究资料中现有的连续压实计量指标大都是谐波比类指标，其原理在于压实材料刚度达到一定值后，简谐激振荷载作用下的加速度信号会发生畸变，如果将此时的加速度信号作傅里叶变换，那么在频谱图中会出现基频以外的谐波分量(如图1所示)，且这些分量一般与压实质量呈正相关，因此可以利用这些分量与基频的幅值之比来反映压实质量。
目前市场上常用的谐波比指标主要有CMV与CCV两种，两种指标计算式如下：
式中，C表示放大系数，A表示频谱图中各分量的幅值，ω表示基频频率。但上述两种指标都存在各自的缺陷：
CMV在式中只考虑了二次谐波分量，但实际工程中，加速度信号的畸变不仅仅体现在二次谐波上，换句话说，二次谐波未必是频谱图中最显著的谐波分量(如图1所示)，同时二次谐波与基频幅值之比也未必就能与加速度信号畸变程度呈正相关。
CCV在CMV的基础上考虑了更多的谐波分量，同时还考虑了0.5ω，1.5ω，2.5ω等次谐波分量，这实际上是将跳振纳入考虑。跳振是振动轮与压实材料周期性的脱空，当压实材料刚度较高，而压路机机械参数与材料刚度不匹配时，便会发生跳振。跳振发生后，加速度信号会产生一大一小的“双波形”现象(如图2所示)，并出现频率为基频一半再加上整数倍基频的次谐波(如图3所示)。跳振前后，材料刚度虽然增加，但CMV指标却会发生突降，因此失去了与压实质量的相关性，而CCV指标在计算式中考虑了次谐波分量，虽然避免了跳振后的突降，但同样会产生向上的阶跃，因此，跳振前后CCV指标的测量结果并不稳定，难以准确指示压实质量。
因此，本发明拟在上述指标的基础上，提出新的改进指标，并提供相应的现场测量方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种改进的智能压实评价指标，并提供相应的现场测量方法，进而实现对现场压实质量连续、实时、全面、无损的检测，加强现场压实质量的控制。
本发明采用以下技术方案来实现上述目的，包括压实评价指标和现场测量方法：
一种智能压实评价指标，其特征在于，所述指标如下：
式中，ICV表示连续压实计量指标，A表示频谱图中各分量的幅值，ω表示基频频率。其中，所述指标分母中涉及到的基本频率幅值Aω为加速度信号经过降噪处理，在频谱信号中峰值突出的基本频率幅值Aω；所述指标分子中涉及到的A2ω、A3ω、A4ω作为加速度信号频谱中二次、三次、四次谐波的幅值，其横坐标频率不需要完全与基本频率幅值Aω呈严格的整数倍，高次谐波幅值对应的频率在基本频率的整数倍Nω±1(Hz)范围内；所述指标的计算过程中，加速度信号整体的采样频率要在500Hz及以上；所述指标每次计算的周期必须为激振周期的偶数倍
一种智能压实评价指标的现场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：安装加速度传感器。加速度传感器安装在振动轮中心轴上，且测量轴方向与振动轮竖向振动方向一致。加速度传感器量程不宜小于±10g，采样频率不宜小于压路机激振频率的8倍。定位装置等其它传感器可按智能压实需求进行搭配。
步骤2：压路机开始振动后，采集振动加速度信号，并对加速度信号进行降噪处理。降噪基于小波变换进行，采用固定阈值+软阈值的降噪方法。
步骤3：确定每次傅里叶变换信号段的长度。首先计算每次傅里叶变换信号段所包含的周期数N：
式中，L表示振动轮与压实材料的接触宽度，对于路基土，缺乏相关资料时，可选为20cm，v表示压路机行驶速度。计算结果就近取整为偶数，这是为了频谱图中能观察到谐波分量和次谐波分量。得到周期数后，即可按下式计算信号段的长度：
步骤4：使用降噪后的加速度信号，根据步骤3所计算的信号段长度进行截取，对截取后的信号进行FFT快速傅里叶变换，然后计算连续压实计量指标ICV，同时计算跳振指标RMV，RMV按下式计算：
施工时，RMV与ICV协同使用，RMV大于5说明跳振影响较大，此时已不宜进行压实指标的测量，对材料压实和压实设备寿命也很不利，应立即调整压实设备的施工参数，降低RMV测量值。
步骤5：重复步骤4，可以基于ICV指标，实现对施工段压实程度、压实均匀性和压实稳定性的全面评价。压实程度和压实均匀性的评价可按常规方法进行。压实稳定性指的是前后两遍压实，材料压实程度没有太大变化，为了提高施工效率，可以在进行施工方案中最后一遍压实时，将压实段分为前后两段，第一段按正常速度压实，第二段压实速度变为原来一半，对比前后两段的指标平均值，若相差不超过5％，则压实稳定性达到要求。
本发明提供了一种改进的智能压实评价指标，相对于现有的CMV指标有更高的精确度和敏感性，相对于CCV指标有更好的稳定性和合理性。同时本发明规范了该指标的现场测量方法，对传感器、降噪方法、信号段长度、跳振控制以及压实稳定性评价等方面提出了要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)评价指标具有更高的准确性和合理性。本发明的评价指标在现有CMV和CCV指标的基础上进行了改进，相对于CMV指标具有更高的精确度和敏感性，相对于CCV指标具有更好的稳定性和合理性。
(2)本发明根据现有研究资料的总结和笔者的研究结果，对智能压实加速度传感器以及信号降噪方法进行了规定，避免了当前施工过程中选择的盲目性。
(3)本发明提供了一种更为合理的傅里叶变换信号段长度的确定方法。传统方法在对压实计量指标进行计算时，傅里叶变换的信号段长度简单取为两个激振周期，这是能观察到次谐波分量的最短长度。但现场测试的加速度信号峰值一般并不稳定，因此这种计算方法会把加速度峰值的变异性误认为次谐波分量，对计算结果造成影响。同时，两个激振周期对应压路机实际行驶距离太短，压路机定位装置的精度有限，未必能准确反映出如此小的压实区域，因此计算长度取值过小也并无太大的实际意义。本发明根据振动轮接触宽度确定信号计算长度，比较好地平衡了信号变异性的影响，同时与定位精度相适应。
(4)本发明采用了ICV与RMV指标协同使用的方法，引入RMV指标一方面可以保证ICV指标的有效性，另一方面也能规避跳振，有利于保证材料的压实质量和压实设备的使用寿命。
(5)本发明采用变速的方法评价压实的稳定性，提高了施工效率。智能压实技术中，如果按照传统方法进行压实稳定性评价，一般需要额外增加一次压实遍数以进行对比，进而确认压实程度没有较大改变。本发明通过变速的方法，在进行最后一遍压实时，将压实段分为正常行驶和降速行驶两部分，降速行驶段与压实两遍的效果类似，因此对比两段的ICV指标即可对稳定性进行评价。这种方法不需要额外增加压实遍数，提高了施工效率。
附图说明
图1为某慢车道压实实测加速度信号的频谱图；
图2为跳振后加速度信号双波形现象示意图；
图3为跳振后加速度信号频谱图；
图4为有限元仿真得到的频谱图；
图5为某现场实测的加速度波形图；
图6为多种降噪方法的结果对比示意图。
具体实施方法
下面结合具体实施方式和说明书附图进一步阐明本发明的内容。
一种智能压实评价指标，如下：
式中，ICV表示连续压实计量指标，A表示频谱图中各分量的幅值，ω表示基频频率。
本发明对工程实践以及有限元仿真得到的加速度信号进行了总结(图1和图4给出了其中两个案例)，认为4次谐波以内，都有可能出现比较显著地谐波分量，4次以上虽然也能观察到谐波，但大都对结果影响较小，一般其与基频的幅值之比都不会超过10％，因此改进指标分子上谐波分量取至4次。
同时改进指标中不再考虑次谐波分量，这是因为：一方面，现场测试的加速度信号的峰值一般并不稳定，具有一定的变异性(如图5所示，相邻加速度波形的峰值有一定差距)，同时信号本身也含有很多噪声分量，因此即便没有发生跳振，也会观察到一定的次谐波分量，这些分量不是有效信号，会对结果造成干扰；另一方面，加入次谐波分量虽然能使跳振前后指标的计量值保持上升，但无法改变指标量值突变的事实，因此跳振前后指标的测量结果并不稳定，而且跳振本身对于压实也是不利的，容易造成压实材料的破碎和松散，也会对压实机械的寿命造成损伤，因此没有必要在压实计量指标中考虑次谐波，而是通过其它方法在施工中尽量避免跳振。
另一方面，关于智能压实评价指标的现场测量方法，有5个步骤：
步骤1：安装加速度传感器。加速度传感器安装在振动轮中心轴上，且测量轴方向与振动轮竖向振动方向一致。加速度传感器量程不宜小于±10g，采样频率不宜小于压路机激振频率的8倍。定位装置等其它传感器可按智能压实需求进行搭配。这里加速度传感器要求来源于实践和研究资料的总结，采样频率的要求是因为指标中需要使用4次谐波，而傅里叶变换要求采样频率不得小于最大频率的两倍。
步骤2：压路机开始振动后，采集振动加速度信号，并对加速度信号进行降噪处理，每次降噪时信号段的长度可取为1s。降噪基于小波变换进行，采用固定阈值+软阈值的降噪方法。笔者尝试过启发式阈值+软阈值，启发式阈值+硬阈值以及固定阈值+软阈值等多种降噪方法，结果表明固定阈值+软阈值的效果较好(如图6所示)。
步骤3：确定每次傅里叶变换信号段的长度。首先计算每次傅里叶变换信号段所包含的周期数N：
式中，L表示振动轮与压实材料的接触宽度，对于路基土，缺乏相关资料时，可选为20cm，v表示压路机行驶速度。计算结果就近取整为偶数，这是为了频谱图中能观察到谐波分量和次谐波分量。得到周期数后，即可按下式计算信号段的长度：
这里按照振动轮的接地宽度确定傅里叶变换信号段长度，即每个信号段对应压路机的行驶距离近似等于一个接地宽度。
步骤4：使用降噪后的加速度信号，根据步骤3所计算的信号段长度进行截取，对截取后的信号进行FFT快速傅里叶变换，然后计算连续压实计量指标ICV，同时计算跳振指标RMV，RMV按下式计算：
施工时，RMV与ICV协同使用，RMV大于5说明跳振影响较大，此时已不宜进行压实指标的测量，因为跳振对于压实材料有强烈的冲击作用，容易造成已压实区域的松散甚至压实材料的破碎，同时也会对压实机械造成损伤，影响其使用寿命。此时应当立即跳振压路机的频率、振幅等参数，使压路机恢复正常工作状态。
步骤5：重复步骤4，可以基于ICV指标，实现对施工段压实程度、压实均匀性和压实稳定性的全面评价。压实程度和压实均匀性的评价可按常规方法进行。压实稳定性指的是前后两遍压实，材料压实程度没有太大变化，为了提高施工效率，可以在进行施工方案中最后一遍压实时，将压实段分为前后两段，第一段按正常速度压实，第二段压实速度变为原来一半，对比前后两段的指标平均值，若相差不超过5％，则压实稳定性达到要求。第二段压实速度变为原来一半，即相当于同一区域的压实试件变为原来两倍，与压实两遍的效果类似。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (4)
1.一种智能压实评价指标，其特征在于，所述指标如下：
式中，ICV表示连续压实计量指标，A表示频谱图中各分量的幅值，ω表示基频频率。
2.根据权利要求1所述的一种智能压实评价指标的现场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：安装加速度传感器，加速度传感器安装在振动轮中心轴上，且测量轴方向与振动轮竖向振动方向一致，定位装置等其它传感器可按智能压实需求进行搭配；
步骤2：压路机开始振动后，采集振动加速度信号，并对加速度信号进行降噪处理；
步骤3：确定每次傅里叶变换信号段的长度，首先计算每次傅里叶变换信号段所包含的周期数N：
式中，L表示振动轮与压实材料的接触宽度，v表示压路机行驶速度，计算结果就近取整为偶数，得到周期数后，即可按下式计算信号段的长度：
步骤4：使用降噪后的加速度信号，根据步骤3所计算的信号段长度进行截取，对截取后的信号进行FFT快速傅里叶变换，然后计算连续压实计量指标ICV，同时计算跳振指标RMV，RMV按下式计算：
施工时，RMV与ICV协同使用，RMV大于5说明跳振影响较大，此时已不宜进行压实指标的测量，对材料压实和压实设备寿命也很不利，应立即调整压实设备的施工参数，降低RMV测量值；
步骤5：重复步骤4，基于ICV指标，实现对施工段压实程度、压实均匀性和压实稳定性的全面评价，压实程度和压实均匀性的评价按常规方法进行，压实稳定性评价在进行施工方案中最后一遍压实时，将压实段分为前后两段，第一段按正常速度压实，第二段压实速度变为原来一半，对比前后两段的指标平均值，若相差不超过5％，则压实稳定性达到要求。
3.根据权利要求2所述的一种智能压实评价指标的现场测量方法，其特征在于：所述步骤1中的加速度传感器，其量程不小于±10g，采样频率不小于压路机激振频率的8倍。
4.根据权利要求2所述的一种智能压实评价指标的现场测量方法，其特征在于：所述步骤2中的信号降噪基于小波变换进行，采用固定阈值+软阈值的降噪方法。
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