CN114062509A - 一种路基压实度实时无损检测方法及系统 - Google Patents

一种路基压实度实时无损检测方法及系统 Download PDF

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张春海
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Abstract

一种路基压实度实时无损检测方法及系统，包括以下步骤：步骤1，施工作业现场数据采集，得到含水量和干密度关系曲线；步骤2，建立压实度与加速度有效值之间的线性关系；步骤3，以步骤1中的含水量和干密度关系曲线为基础，确定路段压实需要达到的压实度指标值；步骤4，建立压实度和频域谐波比值的线性关系；步骤5，施工路段压实状况的实时检测。本发明能够实现对施工路段的实时检测，作业人员可根据现场压实度要求确定压实指标值，及时判断作业区域压实质量是否合格，合理安排压实作业过程，有效避免欠压、漏压和过压现象，提高压实质量和效率。检测方法简单，检测结果及时，使用方便合理。

Description

一种路基压实度实时无损检测方法及系统
技术领域
本发明属于道路路基压实质量控制技术领域，特别涉及一种路基压实度实时无损检测方法及系统。
背景技术
常用的现场压实度测量评定主要分为两类：一类是需要破坏已碾压完成的道路对其进行取样检测所采用的破坏性测试，另一类是不需要对已碾压完成的道路进行取样破坏的非破坏性测试。比较常用的方法有三种。其中灌砂法是一种贯穿性的破坏测量，主要过程是在测量位置挖取一个与压实深度相当的测量试洞，再将砂落入其中，根据所用沙的体积间接估算试洞的容积，从而计算出现场密实度。水袋法与灌砂法类似，只是将砂替换成为水。环刀法测量简单快捷，但其破坏性较大。由于环刀法测量时取土深度没有对压实深度进行全测量，而压实通常情况下上部较下部更密实，所以取样时需要注意尽量保持在在同一深度位置测出密实度。非破坏测量主要是利用核子仪，其原理是利用放射性射线(通常是γ射线)的性质，该射线随着穿透物体的密实度增加而逐渐衰弱，越密实，衰减越多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种路基压实度实时无损检测方法及系统，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种路基压实度实时无损检测方法，包括以下步骤：
步骤1，施工作业现场数据采集，得到含水量和干密度关系曲线，根据关系曲线得到最大干密度及其对应的最佳含水量；
步骤2，建立压实度与加速度有效值之间的线性关系，其中压实度为被压材料实时干密度与最大干密度之比值，实时干密度通过环刀法测得，加速度有效值为通过加速度传感器首先测得检测值；
步骤3，以步骤1得到的最大干密度为基础，通过步骤2压实度与加速度有效值的线性关系曲线，确定路段压实需要达到的压实度指标值，即压实达标所需的最低压实度值；；
步骤4，建立压实度和频域谐波比值的线性关系，通过得到的最低压实度值得出压实达标所需的最小谐波比值；
步骤5，施工路段压实状况的实时检测，将压实状况及时反馈给作业人员。
进一步的，步骤1中具体包括：
施工作业现场的数据采集包括：施工路段路基最佳含水量和路基干密度；
以施工路段路基含水量为横坐标，路基干密度为纵坐标，绘制出含水量与干密度的关系曲线。
进一步的，步骤2具体包括：
(1)在振动压路机的振动马达侧以圆周方式布置2～3个加速度传感器，传感器的信号线连接数据采集设备，数据采集设备连接计算机；振动压路机每碾压一遍，数据采集设备便对激振反馈信号检测一遍，将得到的加速度反馈数据称为检测值；
(2)对检测值进行分析处理：将采集到的加速度反馈信号利用频域滤波、小波分析法进行处理，并对其进行求平均值，得到的数据称为有效值；
(3)施工段实际压实度值的检测：现场利用环刀法测得实际压实度值，振动压路机每碾压一遍对多个检测点进行检测，然后计算其平均值，得到路段的压实度；
(4)以上述步骤得到的有效值作为横坐标，压实度作为纵坐标，绘制出有效值和压实度的关系曲线，并对此曲线进行线性拟合，得出有效值和压实度之间的线性关系。
进一步的，步骤3中压实度指标值为压实所需达到的标准下限值。
进一步的，步骤4具体包括：
(1)对步骤2得到的检测值数据，进行分析处理后得到的有效数据进行时频域转换，得到振动压路机每碾压一遍所对应的频域信号，计算频域信号中各频率谐波成分的比值，得到的计算结果为谐波比值，计算公式如下：
Figure BDA0003345963130000021
其中：A0.5为半倍频；
A1.5为1.5倍频；
A2为2倍频；
A1为1倍频，即激振频率；
(2)以上述的频率谐波比值为横坐标，压实度为纵坐标，绘制谐波比值和压实度的关系曲线，并对其进行关系拟合，得到谐波比值和压实度的线性关系；通过该线性关系利用压实度指标值得出谐波比值指标值，即谐波比值下限值。
进一步的，步骤5具体包括：
施工作业时，振动压路机对路段路基进行振动碾压，安装在压路机振动马达处的加速度传感器负责实时采集激振反馈信号，得到步骤2中所述的检测值并将检测值实时传输给计算机，计算机判断压实质量的方法有两种：
计算机对信号数据进行实时处理得到有效值和谐波比值，通过有效值和压实度的线性关系可利用有效值计算得到实时压实度值，或通过谐波比值和压实度的线性关系利用谐波比值计算得出实时压实度值，并将实时压实度值与步骤3中的压实指标值进行比较来判断压实质量状况；
利用通过线性关系得到的有效值下限值和谐波比值下限值，将计算得出的实时有效值和实时谐波比值分别与其下限值进行比较，来进行压实质量的判断。
进一步的，加速度传感器需2～3个均布置在振动发达一侧；施工路段的试验段长度为20m—30m。
进一步的，施工路段选取的监测点的数量至少需5个；步骤2中有效值和压实度线性关系曲线和步骤4中谐波比值和压实度线性关系曲线的拟合均是采用计算机中的MATLAB软件完成的。
进一步的，一种路基压实度实时无损检测系统，包括：
采集模块，用于施工作业现场数据采集，得到含水量和干密度关系曲线；
压实度与加速度关系模块，用于建立压实度与加速度有效值之间的线性关系；
压实度指标值确定模块，用于以含水量和干密度关系曲线为基础，确定路段压实需要达到的压实度指标值；
压实度和频域谐波比值关系建立模块，用于建立压实度和频域谐波比值的线性关系；
检测模块，用于施工路段压实状况的实时检测。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明能够实现对施工路段的实时检测，作业人员可根据现场压实度要求确定压实指标值，及时判断作业区域压实质量是否合格，合理安排压实作业过程，有效避免欠压、漏压和过压现象，提高压实质量和效率。检测方法简单，检测结果及时，使用方便合理。
目前常用的压实度检测方法存在取样抽检和以点带面的缺点，仅利用随机选取的样本点压实度反映整个路段的压实情况，其并不能较好评估整个路段压实具体情况，本发明可以检测整个路段的压实情况，压实质量检测准确度更高。
本发明不会对路段产生破坏，亦不会对人体产生危害。
本发明分别从时域和频域两个方面出发对压实状况进行判断，可有效避免对于以往的单从时域一个方面进行压实质量判断存在的缺陷性。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的信号输入、信号处理和信号输出关系图；
图3为本发明有效值和压实度的线性关系图；
图4为本发明谐波比值和压实度的线性关系图。
具体实施方式
结合以下附图，本发明所述的路基压实度实时无损检测方法，包括如下步骤：
步骤一、施工作业现场数据采集，主要内容包括：
(1)施工作业现场的数据采集包括：施工路段路基最佳含水量的检测；路基干密度的检测。
(2)以施工路段路基含水量为横坐标，路基干密度为纵坐标，绘制出含水量与干密度的关系曲线。
步骤二、建立压实度与加速度有效值之间的线性关系，其内容包括：
(1)在振动压路机的振动马达侧以圆周方式布置2～3个加速度传感器，传感器的信号线连接数据采集设备，数据采集设备连接计算机。振动压路机每碾压一遍，数据采集设备便对激振反馈信号检测一遍，将得到的加速度反馈数据称为检测值。
(2)对检测值进行分析处理：将采集到的加速度反馈信号利用频域滤波、小波分析法进行处理，并对其进行求平均值，得到的数据称为有效值。
(3)施工段实际压实度值的检测：现场利用环刀法测得实际压实度值，振动压路机每碾压一遍对多个检测点进行检测，然后计算其平均值，得到路段的压实度。
(4)以上述步骤得到的有效值作为横坐标，压实度作为纵坐标，绘制出有效值和压实度的关系曲线，并对此曲线进行线性拟合，得出有效值和压实度之间的线性关系。
步骤三、确定施工路段压实度的指标值：根据施工现场的实际情况，确定路段压实所需的压实度指标值，此指标值即为压实所需达到的标准下限值，由有效值和压实度线性关系可得到所对应的有效值。
步骤四、建立压实度和频域谐波比值的线性关系，其主要包括：
(1)对步骤二得到的检测值数据，进行分析处理后得到的有效数据进行时频域转换，得到振动压路机每碾压一遍所对应的频域信号，计算频域信号中各频率谐波成分的比值，得到的数据为谐波比值。计算公式如下：
Figure BDA0003345963130000051
其中：A0.5为半倍频；
A1.5为1.5倍频；
A2为2倍频；
A1为1倍频，即激振频率。
(2)以上述的频率谐波比值为横坐标，压实度为纵坐标，绘制谐波比值和压实度的关系曲线，并对其进行关系拟合，得到谐波比值和压实度的线性关系。通过该线性关系利用压实度指标值得出谐波比值指标值，即谐波比值下限值。压实度指标值就是压实达标所需的最低压实度，再结合谐波比值与压实度的关系曲线，得到谐波比值的最低值，即谐波比值下限值”。在后续进行的施工现场压实度检测时，可以反过来利用谐波比值判断压实情况，即压实过程中，判断每次碾压过后得到的谐波比值，当谐波比值小于该下限值时，压实状况不好；当谐波比值大于该下限值时，可以判断压实状况较好。
步骤五、施工路段压实状况的实时检测：施工作业时，振动压路机对路段路基进行振动碾压，安装在压路机振动马达处的加速度传感器负责实时采集激振反馈信号，得到检测值并将检测值实时传输给计算机，计算机判断压实质量的方法有两种：其一，计算机对信号数据进行实时处理得到有效值和谐波比值，通过有效值和压实度的线性关系可利用有效值计算得到实时压实度值，或通过谐波比值和压实度的线性关系利用谐波比值计算得出实时压实度值，并将实时压实度值与步骤三中的压实指标值进行比较来判断压实质量状况；其二，可以利用通过线性关系得到的有效值下限值和谐波比值下限值，将计算得出的实时有效值和实时谐波比值分别于其下限值进行比较，来进行压实质量的判断。当实时压实度值(或实时有效值、实时谐波比值)处于压实指标值(或有效值下限值、谐波比值下限值)及以上时，则计算机显示“已压实”信息，当实时压实度值(或实时有效值、实时谐波比值)处于压实指标值(或有效值下限值、谐波比值下限值)以下时，计算机显示“未压实”信息，作业人员通过实时查看计算机上的信息了解压实情况，控制振动压路机，对于未压实区域继续碾压，已压实区域停止碾压。
上述步骤中的有效值和压实度线性关系曲线和步骤四中谐波比值和压实度关系曲线的线性拟合均是采用计算机中的MATLAB软件完成的。
例如，在实验室进行路基压实度的实时无损检测，所用压路机为钢轮振动压路机模型，激振频率为30Hz，静线压力为7.7N/mm，动线压力为66.9N/mm。试验所用土为级配土。
步骤一、施工作业现场数据采集，主要内容包括：
(1)首先，在实验室预备6组不同含水量的级配土，并对其进行击实试验，得到级配土不同含水量时所对应的干密度值。
(2)以级配土含水量为横坐标，干密度为纵坐标，绘制出含水量与干密度的关系曲线。根据试验结果可知本次试验所用级配土的最大干密度为2.066g/cm3，同时所对应的最佳含水量为11.20％。
步骤二、建立压实度与加速度有效值之间的线性关系，其内容包括：
(1)在振动压路机的振动马达侧以圆周方式布置2～3个加速度传感器，传感器的信号线连接数据采集设备，数据采集设备连接计算机。振动压路机每碾压一遍，数据采集设备便对激振反馈信号检测一遍，将得到的加速度反馈数据称为检测值。
(2)对检测值进行分析处理：将采集到的加速度反馈信号利用频域滤波、小波分析法进行处理，并对其进行求平均值，得到的数据称为有效值。
(3)施工段实际压实度值的检测：现场利用环刀法测得实际压实度值，振动压路机每碾压一遍对5个检测点进行检测，然后计算其平均值，得到路段的压实度。得到的有效值和压实度如下表所示：
表1压实遍数、有效值和压实度之间的对应关系表
Figure BDA0003345963130000071
(4)以上述步骤得到的有效值作为横坐标，压实度作为纵坐标，绘制出有效值和压实度的关系曲线，并对此曲线进行线性拟合，得出有效值和压实度之间的线性关系。y＝2.0276x+66.533，如图3所示；
步骤三、确定施工路段压实度的指标值：根据本次试验的实际情况和所用振动压路机的设备因素，确定试验压实所需的压实度指标值为91％，此指标值即为压实所需达到的标准下限值，由有效值和压实度线性关系可得到所对应的有效值为12.07。
步骤四、建立压实度和频域谐波比值的线性关系，其主要包括：
(1)对步骤二得到的检测值数据，进行分析处理后得到的有效数据进行时频域转换，得到振动压路机每碾压一遍所对应的频域信号，计算频域信号中各频率谐波成分的比值，得到的数据为谐波比值。计算公式如下：
Figure BDA0003345963130000081
其中：A0.5为半倍频；
A1.5为1.5倍频；
A2为2倍频；
A1为1倍频，即激振频率。本次试验激振频率为30Hz。得到的CCV值和对应的压实度值如下表2所示：
表2压实遍数、CCV值和压实度之间的对应关系表
Figure BDA0003345963130000082
(2)以上述的频率谐波比CCV值为横坐标，压实度为纵坐标，绘制谐波比值和压实度的关系曲线，并对其进行关系拟合，得到谐波比值和压实度的线性关系。y＝174.04*x+35.867，如图4所示。由已知的本次试验确定的压实度指标值为91％，则所对应的谐波比值为0.32。
步骤五、施工路段压实状况的实时检测：压实试验时，振动压路机对路段路基进行振动碾压，安装在压路机振动马达处的加速度传感器负责实时采集激振反馈信号，得到检测值并将检测值实时传输给计算机，计算机对其进行实时处理得到有效值和谐波比值，通过有效值和压实度与谐波比值和压实度线性关系得出实时压实度值，并将压实度值与步骤三中的压实指标值进行比较，当实时压实度值处于压实指标值及以上时，即有效值大于等于12.07，且谐波比值大于等于0.32时，则计算机显示“已压实”信息，当实时压实度值处于压实指标值以下时，即有效值小于12.07，或谐波比值小于0.32时，计算机显示“未压实”信息，作业人员通过实时查看计算机上的信息了解压实情况，控制振动压路机，对于未压实区域继续碾压，已压实区域停止碾压。
图2为本发明的信号输入、信号处理和信号输出关系图；其中信号输入为通过加速度传感器采集压路机振动轮上的振动信号，信号处理为将加速度所采集信号进行模数转换，并对信号进行放大、滤波、小波去噪处理，信号输出是将经过处理所得信号在电脑上显示和保存。

Claims (10)

1.一种路基压实度实时无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，施工作业现场数据采集，得到含水量和干密度关系曲线，根据关系曲线得到最大干密度及其对应的最佳含水量；
步骤2，建立压实度与加速度有效值之间的线性关系，其中压实度为被压材料实时干密度与最大干密度之比值，实时干密度通过环刀法测得，加速度有效值为通过加速度传感器首先测得检测值；
步骤3，以步骤1得到的最大干密度为基础，通过步骤2压实度与加速度有效值的线性关系曲线，确定路段压实需要达到的压实度指标值，即压实达标所需的最低压实度值；；
步骤4，建立压实度和频域谐波比值的线性关系，通过得到的最低压实度值得出压实达标所需的最小谐波比值；
步骤5，施工路段压实状况的实时检测，将压实状况及时反馈给作业人员。
2.根据权利要求1所述的一种路基压实度实时无损检测方法，其特征在于，步骤1中具体包括：
施工作业现场的数据采集包括：施工路段路基最佳含水量和路基干密度；
以施工路段路基含水量为横坐标，路基干密度为纵坐标，绘制出含水量与干密度的关系曲线。
3.根据权利要求1所述的一种路基压实度实时无损检测方法，其特征在于，步骤2具体包括：
(1)在振动压路机的振动马达侧以圆周方式布置2～3个加速度传感器，传感器的信号线连接数据采集设备，数据采集设备连接计算机；
(2)对检测值进行分析处理：将采集到的加速度反馈信号利用频域滤波、小波分析法进行处理，并对其进行求平均值，得到的数据为有效值；
(3)施工段实际压实度值的检测：现场利用环刀法测得实际压实度值，振动压路机每碾压一遍对多个检测点进行检测，然后计算其平均值，得到路段的压实度；
(4)以上述步骤得到的有效值作为横坐标，压实度作为纵坐标，绘制出有效值和压实度的关系曲线，并对此曲线进行线性拟合，得出有效值和压实度之间的线性关系。
4.根据权利要求3所述的一种路基压实度实时无损检测方法，其特征在于，加速度传感器需2～3个均布置在振动发达一侧；施工路段的试验段长度为20m—30m。
5.根据权利要求1所述的一种路基压实度实时无损检测方法，其特征在于，步骤3中压实度指标值为压实所需达到的标准下限值。
6.根据权利要求1所述的一种路基压实度实时无损检测方法，其特征在于，步骤4具体包括：
(1)对步骤2得到的检测值数据，进行分析处理后得到的有效数据进行时频域转换，得到振动压路机每碾压一遍所对应的频域信号，计算频域信号中各频率谐波成分的比值，得到的计算结果为谐波比值，计算公式如下：
Figure FDA0003345963120000021
其中：A0.5为半倍频；
A1.5为1.5倍频；
A2为2倍频；
A1为1倍频，即激振频率；
(2)以上述的频率谐波比值为横坐标，压实度为纵坐标，绘制谐波比值和压实度的关系曲线，并对其进行关系拟合，得到谐波比值和压实度的线性关系；通过该线性关系利用压实度指标值得出谐波比值指标值，即谐波比值下限值。
7.根据权利要求1所述的一种路基压实度实时无损检测方法，其特征在于，步骤5具体包括：
施工作业时，振动压路机对路段路基进行振动碾压，安装在压路机振动马达处的加速度传感器负责实时采集激振反馈信号，得到步骤2中所述的检测值并将检测值实时传输给计算机，计算机判断压实质量的方法：
计算机对信号数据进行实时处理得到有效值和谐波比值，通过有效值和压实度的线性关系可利用有效值计算得到实时压实度值，或通过谐波比值和压实度的线性关系利用谐波比值计算得出实时压实度值，并将实时压实度值与步骤3中的压实指标值进行比较来判断压实质量状况。
8.根据权利要求7所述的一种路基压实度实时无损检测方法，其特征在于，计算机判断压实质量的方法还包括：利用通过线性关系得到的有效值下限值和谐波比值下限值，将计算得出的实时有效值和实时谐波比值分别与其下限值进行比较，来进行压实质量的判断。
9.根据权利要求1所述的一种路基压实度实时无损检测方法，其特征在于，施工路段选取的监测点的数量至少需5个；步骤2中有效值和压实度线性关系曲线和步骤4中谐波比值和压实度线性关系曲线的拟合均是采用计算机中的MATLAB软件完成的。
10.一种路基压实度实时无损检测系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于施工作业现场数据采集，得到含水量和干密度关系曲线；
压实度与加速度关系模块，用于建立压实度与加速度有效值之间的线性关系；
压实度指标值确定模块，用于以含水量和干密度关系曲线为基础，确定路段压实需要达到的压实度指标值；
压实度和频域谐波比值关系建立模块，用于建立压实度和频域谐波比值的线性关系；
检测模块，用于施工路段压实状况的实时检测。
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