CN1853017A - 基础刚度值的确定 - Google Patents

Abstract

借助同一装置可以用快速的测量方法求得一个基础的相对基础刚度值和用略缓慢的方法求得绝对基础刚度值。如果该装置借助其所测量的绝对值校准，也可以进行快速的绝对测量。此外，该装置可以用于基础压实。

Description

基础刚度值的确定

技术领域

本发明涉及一种用于确定基础刚度值的方法和装置，其中，用该装置还可以进行基础压实。

尤其是在地下工程中，一方面在工作开始前想要了解涉及以后待实施基础压实的基础情况如何；可达到哪些压实值；可能必须平整基础区域并且可能必须堆叠新的材料，以便在道路、铁路、机场跑道…中完全达到预给定的基础压实或预给定的承载能力。

另一方面，在已实施基础压实时，应当可以确定已达到压实度，以便可以保证委托者要求的压实值。此外想要了解目前的压实断面看上去如何，并且用现有装置还是否完全可能进一步压实。即，通过用振动夯实板、碾压车、沟槽碾压机(Grabenwalzen)等继续驶过还可以提高压实。

背景技术

在德语公开文献DE-A 100 19 806中尝试避免基础压实装置(尤其是在振动夯实板中)的“跳动”，因为由此可能发生已压实的基础松弛以及可能出现机器磨损的快速提高。为此，检测基础压实元件的激励振动的谐波。其出发点是，由于过高的冲击能量对已压实的基础的反作用会出现谐波。

在DE-A 100 28 949中介绍了一种系统，它适合用于在碾压时以及在板振动时确定压实度。一个用于测量上部结构的垂直运动的位移传感器安置在该上部结构上。在激励频率的最大60％时出现的下部结构相对于上部结构的振动的振幅值被得到。上述振幅值的商被考虑为基础的当前压实度的量度。

在WO 98/17865中说明一种具有一个在轮缘上的加速度接收器的基础压实装置。压实应该总是最佳的，即，当出现基础压实系统的谐振时可最快地并且最小能耗地实施。该基础压实系统由待压实的基础和作用在基础上的压实装置构成。

在US-A4,546,425中说明，待压实的基础如何在机器数据保持不变时通过多次碾过变得越来越硬并且压实辊开始跳动。为了避免这样的跳动，使用一个可调节的偏心轮。

在US-A5,695,298中说明了一种用于控制基础压实过程的方法。该基础压实装置的轮缘用周期的谐波振动来激励。通过一个安置在支架上和轮缘上的加速度测量仪测得该轮缘的振动。所得到的测量信号被输入到用于激励频率(或更高频率)的第一带通滤波器和输入到用于半激励频率的第二带通滤波器。通过一个除法电路将第二带通的输出信号(半激励振动的振幅)除以第一带通的输出信号(激励频率的振幅)。该商数应该不超过一个预给定的值，例如5％，由此在避免不稳定状态的情况下可以稳定工作。

在US-A 5,727,900中说明一种用于基础压实装置的控制装置以及一种用于测量基础刚度的方法。在这样的情况下，作为测量数据，压实装置的轮缘的水平和垂直的加速度值、偏心轮的位置、偏心轮的偏心度和压实装置的滚动速度被测量。说明一种在多次碾过同一基础区域时如何调节用于振动的激励频率的方法。

为了得知基础刚度，从等式f＝f_nom(G/G_nom)^q出发，其中，G是基础的刚性率，f是一个要调节的激励频率。q是经验值。对于预给定的基础压实，得到一个最佳的压实频率f_nom。G_nom是已压实基础的一个典型的刚性率。G和q是当前的基础数据，其中，在压实过程中G增加而q下降。

在R.Anderegg的文章“道路建设和地下工程(Strassen-undTiefbau)”(1997年12月)中说明了一种在道路振动辊压时的表面覆盖的动态压实控制，其中，该控制有助于监控正在实施的压实工作和检验已结束的压实工作。辊和基础共同构成一个振动系统。轮缘通过一个以一个频率旋转的不平衡(Unwucht)来激励。已确定，随着基础压实的增加，轮缘从地面抬起，由此产生谐振；在继续压实时出现一次分谐波振动。

激励频率被调节到“压实装置-具有所要求的压实的基础”振动系统的一个期望的谐振频率上。因此，随着压实增加，该振动系统的固有频率增加并且接着移动到该固有频率附近，由此产生最大基础反应力的增加。为了能评价所达到的压实度，考察二次谐波与激励频率和二次分谐波与激励频率的振幅比。该比例越大，所达到的压实度应该越大。

US 6,244,102 B1涉及一种用于确定一层和特别是多层基础区域的压实度的方法。为此，首先确定根据希望压实的层的单位面积重量，此外确定基础压实装置-地层-地基系统的有效振动质量和该系统在所希望的压实时的固有频率。现在要根据所测得的系统振动频率与所确定的固有频率之间的比值确定压实度。为了实施该方法，该基础压实装置具有一些用于测量频率、振幅、加速度和其它值的传感器，这些传感器通过一个接口与一个计算机相连。该计算机分析计算所测量的值并且提供用于继续压实过程的最佳参数，使得振幅、频率、不平衡质量等可以适合。该装置的作用频率被调节到接近谐振频率的一个值上。

发明内容

任务

本发明的任务在于，给出一种方法或提供一种装置，通过该方法或通过该装置可以以简单的方式快速求得一个基础表面上的相对的以及绝对的基础刚度值。

解决方案

该任务的解决方案根据通过权利要求1所述的特征的方法实现以及根据通过权利要求8所述特征的装置实现。

本发明的核心是，如图1中可以看到的，使用仅仅一个唯一的机器(装置)用于基础压实值的绝对测量和相对测量以及用于压实基础。绝对测量必须一定的时间消耗，以便调节振动系统的谐振，该振动系统由振动单元和基础区域构成，在该基础区域上该振动单元与基础表面处于持续的接触中。相对值的求得是一个快速的方法，直接在驶过该基础表面时就可求得这些值。如果机器根据下面所列举的方法在确定的基础组成成分(粘土、沙、砂砾、具有预给定的砂砾/沙成分的粘土型基础)上校准，那么也可以在驶过时已经求得基础压实(基础刚度)的绝对值。

因为该机器有一个具有周期激励力的振动单元，当然也可以实施基础压实。

根据本发明确定已压实或待压实的基础的相对值根据本发明是一个极快的方法。由此可以得知，哪里基础已经压实好和那里压实不够好。因此也可以估计，通过继续驶过基础压实是否还可以被提高，或者已达到的基础压实度(达到的基础刚度)用现有装置还可以大大增加还是不能再增加。

绝对基础刚度值的求得迄今通过常规的、所谓公知的平板压力试验来实施。在这样的平板压力试验中，一个30cm直径的平板被施加一个预给定的压力并且测量沉降。在此涉及一种静态的方法。该测量方法通过标准确定并且只能费事地实施。绝对压实值总是在预给定的地点上、即按特定点求得。如果在一个地点上一次求得绝对值，那么通常还感兴趣的是，压实变化(压实断面)在周围看上去如何。

现在根据本发明建议，绝对测量也通过为相对测量设置的振动单元来进行。为了不仅进行基础压实度或基础刚度值的绝对测量、而且进行相对测量，仅仅改变作用在一个振动单元上的随时间变化的力。

如下面详细实施的，该相对值由此求得，即对于一个作用在振动单元上的作用频率从振动系统的振动形式中求得多个分谐波并且从该作用频率的所有分谐波中确定具有最低频率的那个分谐波，其中，该最低频分谐波的频率越低，基础刚度就越高。在这样的情况下，该振动单元处于所谓“混杂的振动状态”中。

这些绝对值被求得，其方式是，该振动单元在下面说明的加载运行中工作。

振动单元的“混杂的振动状态”和“加载运行”仅仅通过一个在其值上变化的、随时间变化的、作用在该振动单元上的力来区分。

简单地说，作用在振动单元上的随时间变化的力在绝对测量中是这样的，即在该基础表面上处于谐振中的振动单元总是与基础接触地振动。相反，在相对测量时该振动单元跳动，即它抬起并且可以由于该抬起在同时测量相对基础压实度或相对基础刚度的情况下容易地在基础表面上运动。相对的、标志压实状态的值直接在驶过时得到。

为了绝对测量，在该振动单元上产生一个随时间变化的激励力作为具有最大的、垂直地对着基础表面指向的第一振动值的第一周期力。该激励力的频率或它的周期这样被调节或被调整，直到由该振动单元和一个待压实或待测量的基础区域构成的振动系统产生谐振，该振动单元与该基础区域处于持续的表面接触中。谐振频率f被保持或被存储。此外，得到出现该激励力的最大振动值和上述振动系统的振动响应的最大振动值之间的一个相位角。

例如如果用一个振动夯实板工作，那么已知底部托架的振动的质量m_d，并且也已知一个不平衡激励器的静态力矩M_d，其中在此要考虑所有的、振动的不平衡。除相位角外，测量底部托架的振幅A。由振动质量m_d[kg·m]、谐振频率f[HZ]、静态力矩M_d[kg·m]、振幅A[m]和相位角°

以用以下的关系式来确定一个绝对的基础刚度k_B[MN/m]：

k_B＝(2·π·f)²·(m_d+{M_d·cos}/A)           {A}

从所求得的基础刚度k_B(适合于绝对值也适合于相对值)可以通过下面的公式求得相关基础区段的弹性模量：

该Formfaktor(形状因数)可以通过对与一个弹性半无限空间接触的物体的连续机械的考察按照“工程学领域研究”(Forschung auf demGebiet des Ingenieurwesens)第10卷，1939年9/10月，第5期，柏林第201-211页，G.Lundberg“两个半空间的弹性接触”(ElastischeBeruehrung zweier Halbraeume)求得。

为了求得相对值，其中在此涉及一种快速方法，激励力被这样提高，直到产生该振动单元的跳动。该激励频率通常选择得过谐振，但也可以用谐振频率或欠谐振地工作，在这样的情况下不平衡必须相应地改变。

现在也不再使激励力垂直于基础表面作用，而是这样，即具有振动单元的装置在基础表面上独立运动并且只须被振动夯实板操控者导向到所希望的方向上。该装置的测量装置在这样的情况下这样构造，使得只进行振动夯实板上的振动响应的频率分析。通过滤波电路求得对激励频率的最低频的分谐波振动。该最低频分谐波振动频率越低，所达到的基础压实就越大。通过求得对所有分谐波振动的振动响应中的振幅值和对激励频率的第一谐波，还可以改善测量。这些振幅值在使用权函数的情况下与激励频率的振幅按照下面等式相比：

s＝x₀·A₂f/A_f+x₂·A_f/2/A_f+x₄·A_f/4/A_f+x₈·A_f/8/A_f  {B}

x₀，x₂，x₄，和x₈是加权因数，它们的求得在下面说明。A_f是作用在振动单元上的激励力的最大振动值。A_2f是对激励振动的第一谐波的最大振动值。A_f/2是具有激励振动的二分之一频率的第一分谐波的最大振动值。A_f/4和A_f/8是具有激励振动的四分之一频率或八分之一频率的第二或第三分谐波的最大振动值。A_2f，A_f/2，A_f/4和A_f/8该振动响应中求得。

现在s的值越大，该基础压实也越大。因为为了评价基础压实仅仅必须求得最大振动值和在构成总和情况下它们的关系，在此涉及一种极快的测量方法。

如果现在确定上面列举的权值，那么由相对测量得出一个绝对测量，其中绝对值的得到总是与同一基础组成成分(参看上面的粘土、沙、砂砾、具有预给定的砂砾/沙成分的粘土型基础)相联系。

所求得的值s现在可以根据不同的值高低输送到配置的显示灯上。接着，在驶过预给定基础组成成分的基础区域的基础分区域时一眼就能看出，基础压实度的变化如何。如果每次在例如用沟槽碾压机、用碾压车等进行压实过程后测量，那么可以求得压实增加。如果该压实增加仅仅很小或者没有求得压实增加，则继续驶过也不会带来进一步的压实增加。因此，如果要求进一步的压实增加，必须用其它的压实装置来工作，或者通过材料替换来改变基础组成成分。

因为通过在此列举的装置不仅可以进行基础压实的绝对测量、而且可以进行快速的相对测量，可能的是，如下面所实施的，在校准后也进行快速的绝对测量。从上面的等式{A}出发，在已知“机械参数”时：底部托架的振动质量m_d和不平衡激励器的静态力矩M_d，只要使用振动夯实板，和底部托架的振动振幅A、谐振频率f[Hz]以及相位角

的测量值，可以求得基础分区域的绝对的基础刚度k_B[MN/m]。

相应于等式{B}中的四个加权因数x₀，x₂，x₄，和x₈，现在在基础区域的四个不同的基础分区域上通过各一个绝对测量求得基础刚度值k_B1，k_B2，k_B3和k_B4，其中，在此，在同一基础组成成分情况下应产生不同的基础刚度值。

在求得基础刚度值k_B1，k_B2，k_B3和k_B4后，求得这四个基础分区域上的最大振动值A_f，A_2f，A_f/2，A_f/4和A_f/8。这些所得到的值被使用在该等式{B}中，其中这些基础刚度值k_B1，k_B2，k_B3和k_B4被使用于s。现在有四个等式，由它们可以求得四个还未知的加权因数。

如果这些值存储在下面说明的装置的一个分析计算单元的一个存储器中，则在驶过基础分区域时仅须还求得最大振动值A_f，A_2f，A_f/2，A_f/4和A_f/8并且与权值结合起来，以便得到绝对的基础刚度值。绝对测量现在可以与上面所列举的相对测量一样快地进行。

如果基础组成成分改变，那么相对测量还可以进行；但应进行再校准。对于不同基础组成成分的权值可以存储在该装置的一个存储器中并且在由该基础组成成分预给定的公差内进行测量。但是，在基础组成成分改变时，为了得到足够的准确度，始终要进行校准。校准虽然比快速的相对测量明显缓慢，但在训练后可以在几秒中内实施校准。

所求得的基础压实值优选与对应的测量地点坐标一起存储或立刻传送给一个中心例如建筑办公室，由此可以规划或委托必需的压实机器或基础上的工作的相应步骤。取代传送给位置遥远的中心，也可以传送给碾压机操作员，在此，该碾压机超作员正好在测量过的基础区域上实施基础压实并且通过该测量值通知他，继续压实是否还可以导致基础刚度的增加。当然，绝对的基础值以及该相对的基础值可以直接显示和表示在待测量的振动夯实板上。

优选将一个振动夯实板作为振动单元，因为在此涉及价格便宜的产品。但是也可以使用其它机器、沟槽碾压机和碾压车。但是该振动夯实板具有这样的优点，即与基础表面的接触面积是确定的。

优选将两个被反向驱动的不平衡作为激励力。这两个不平衡的相互位置必须可相互调节，由此，激励力一会儿可垂直指向基础表面(用于校准和绝对测量)，一会儿可逆着运动方向斜向后指向。激励力的频率也必须(在此例如不平衡的方向相反的转速)可调节，以便能够进入谐振。谐振频率的搜索可以手动地实现，但可以以优选方式通过自动“扫描”过程进行，该过程达到谐振频率。

以有利方式，静态的不平衡力矩也可以可调节地构造，其方式是，例如可进行这个或这些不平衡质量的径向调节。

在本发明中，与公知的基础压实方法或公知的压实装置相反，不尝试消除激励频率(作用频率)的分谐波。相反，它们被有意地分析计算。即，由这样的知识出发：如在详细说明中说明的，分谐波的频率确定所达到的基础压实度。最低频分谐波的频率越低，基础压实度越大，基础压实装置的基础接触单元在它上面运动。

现在可以对与待压实的或已压实的基础接触的基础接触单元传递力地加载一个唯一的正弦振动，通常通过一个回转的偏心轮或通过两个在角度方面可相对调节的偏心轮。但是，也可以使用多个具有不同回转频率的偏心轮。那么，对于这些频率中的每一个，根据所达到的基础压实度不同得到一系列的分谐波。如果使用多个“基频”，则可以详细报告所达到的或待测量的基础压实。

但是优选作用在基础接触单元上的作用频率选择得可调节。在频率可调节时可求得由基础接触单元和待压实或已压实的基础区域组成的振动系统的谐振。在谐振中工作得到压实功率减小的压实。因为该振动系统基于待提供的压实功率是一个衰减的系统，由衰减程度产生激励(例如通过旋转的不平衡产生的力)的最大振幅和该系统的振动(＝基础接触单元的振动)之间的一个相位角。为了能确定该相位角，在该基础接触单元上除了一个用于分谐波(以及也用于谐振频率和谐波{Harmonische})的传感器外还安装一个测量基础压实方向上的暂时偏转的传感器。该激励(力施加在基础接触单元上)的暂时偏转同样可以被测量，但是可以容易地从这个不平衡或这些不平衡的目前位置中求出。最大振幅(用于基础接触单元的振动的激励振动)的暂时位置通过一个比较单元求得。该激励优选这样调节，使得该激励的最大振幅超前于基础接触单元的最大振幅约90°至180°，优选约95°至130°。在此求得的值也可以如下面实施的在激励频率可变化的情况下为了求得绝对压实值被引用。

优选的，该激励力的最大的振幅也设计成可调节的。该激励力的调节可以在使用例如两个不平衡的情况下达到，这两个不平衡以相同的转动速度旋转并且它们的角度方面的距离可以改变。这些不平衡可以同向地或反向地运动。

补充地说明，只要具有基础接触单元的基础压实装置没有相应地设计，分谐波的出现就可以导致机器损坏。因此，对应基础接触单元和其余机器部件之间的减震元件这样设计，使得分谐波的传递被衰减。当然可以这样设计整个基础压实单元，使得低频的分谐波不造成损坏，它们的频率按照在详细说明中的实施方式公知。但也可以使激励力的振幅低下来这样多，使得分谐波的振幅不造成损坏或不再存在。

从下面的细节说明和权利要求的总和中得出本发明的其它有利实施方式和特征组合。

附图说明

用于说明这些实施例的附图示出：

图1用于说明本发明的一个示意图，

图2用于说明具有一个例如振动夯实板和一个待压实或已压实的基础区域的能振动的一个系统的一个分析模型的示意图，

图3一个所谓振动单元的作为振动单元的底部托架的例如激励，

图4一个无量纲模型向仿真模型转换的例子，

图5在不同硬度的基础上在机器参数保持不变时振动夯实板的运动特性，

图6可以优选安置在振动夯实板上的、用于估计基础压实的简单结构，以及

图7图6中所示电路的变型。

基本上在这些附图中相同的部件和元件标有相同的参考标号。

具体实施方式

在对动态基础压实装置的分析说明中占中心地位的是，将基础接触单元与已压实的或待压实的基础一起看作一个唯一的系统。为此，在图2中表示出一个振动夯实板1，它具有在一个基础区域的一个已压实或待压实的基础分区域3的基础表面2上处于接触中的、底部托架5的底板4。该底板4是一个基础接触单元。该底部托架5通过减振元件6与一个上部结构7相连，在该上部结构上安置一个导向牵引杆9。处于下面所说明的“跳动”状态中的振动夯实板1可以通过该导向牵引杆9在包括基础表面2的基础区域上被导向。在该导向牵引杆9上安置调节元件10a，10b和10c，通过它们可以调节静态的不平衡力矩M_d、激励频率f和作用在基础表面2上的合成力角度α。此外，该导线牵引杆9具有一个例如在此构造为椭圆环的安全元件11，后者在所示位置中仅仅允许空载运行不平衡力矩作用在该底板4上。该空载运行不平衡力矩调节得这样小，使得不会发生振动夯实板1在基础表面2上在水平方向运动。

待压实的或待测量的基础分区域3(地基)与振动夯实板1(压实或测量装置)之间的单面结合是出现下面所说明的非线性作用的主要原因。该单面结合以这样的事实为基础：在装置1和基础分区域3之间可以传递压力但不能传递拉力。与此相对应地涉及力受控制的非线性，该装置1在超过最大基础力值时周期地失去与基础分区域3(地基)的接触。与此相比，基础特性的附加的非线性元素例如剪切伸长受控制的刚度变化可以被忽视。底部托架和上部结构5和7之间的(橡胶)减震元件6的超线性(ueberlinear)的弹性特性曲线也具有从属意义并且不根本影响分析说明的计算结果。

该振动夯实板1作为压实或测量装置一般具有一个基础接触单元(具有底板4的底部托架5)，它具有两个反向旋转的、具有总质量m_d的不平衡13a和13b(图2)，该总质量也包括一个不平衡激励机。m_d表示整个的激励的振动质量。上部结构7的具有质量m_f(静态重量)的静态的加载重量通过减震元件6(刚度K_G，阻尼c_G)支撑在底部托架5上。该静态重量m_f与减震元件6一起产生一个底点激励的(fusspunkterregtes)振动系统，该振动系统很低频地调谐(低的固有频率)。上部结构7在振动运行中相对于底部托架5的振动作为二阶低通起作用。由此，传递到上部结构7中的振动能量被最小化。

基础区域13的待测量、待压实或已压实的基础是建筑材料，对于该建筑材料，根据研究的特征不同，存在不同的模型。对于上面提及的系统(基础接触单元-基础)的情况，使用简单的弹簧-阻尼器模型(刚度k_B，阻尼c_B)。该弹性特征考虑基础压实单元(底部托架5)和弹性半空间(基础区域)之间的接触区。在上述装置的位于该系统(基础接触单元-基础)最低固有频率以上的激励频率的范围中，该基础刚度k_B是一个静态的、不依赖于频率的量。该特性可以在这里存在的对均匀和分层的基础的现场试验中的应用中被证明。

如果将该装置和基础模型在考虑单面结合的情况下组合成一个总模型，对于底部托架5的自由度x_d和上部结构7的自由度x_f的以下等式系统(1)描述从属的运动微分方程式。

从单面的、控制基础力的结合出发得到：

$F_B=c_B{\stackrel{\·}{x}}_d+k_{B}x$ F_B＞0

F_B＝0            其它情况

m_d：振动质量[kg]，例如底部托架5

m_f：静态加载重量[kg]，例如上部结构7

M_d：静态力矩不平衡[kg m]

x_d：振动质量的运动[mm]

x_f：加载重量的运动[mm]

Ω：激励角频率

f：激励频率[Hz]

k_B：底座/基础区域的刚度[MN/m]；

c_B：底座/基础区域的阻尼[MNs/m]

k_G：减震元件的刚度[MN/m]

c_G：减震元件的阻尼[MNs/m]

在此，底部托架5和待检测的、已压实的或待压实的基础区域3之间的基础反应力F_B控制单面结合的非线性。

微分方程(1)的分析解具有下面、通常的形式：

$x_d=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{A}_j\cos (j\·\mathrm{\Ω}\·t+{\mathrm{\φ}}_j)---\left(2\right)$

j＝1               线性振动响应，加载运行

j＝1，2，3，…     周期性抬起(机器每个激励周期一次失去与基础的接触)

j＝1，1/2，1/4，1/8，…以及从属的谐波：跳动，摆动，混杂运行状态

为了下面考察“跳动”，假想一个垂直作用于基础表面2上的力F_B。相反，在上面说明的振动夯实板中该力不是垂直作用于基础表面2上，而是向后倾斜地作用，以便得到例如一个向前的跳动运动。因此，在下面的数学考察中可以使用该倾斜力的垂直分量。达到该倾斜作用在基础表面上的激励力的方式是，方向相反地旋转的不平衡13a和13b这样在旋转方面相对移动，使得这些不平衡13a和13b的相加的不平衡力矩具有在图3中向右下约20°角度的一个最大力向量。为了求得绝对值(谐振情况)，示出垂直于基础表面2的最大力向量(如果与F_B一致)。

数字仿真允许计算该方程(1)的解。尤其是对于验算混杂振动，使用数字求解算法是必要的。借助分析计算方法，如平均值方法，可以对线性的和非线性的振动在基波的分支处得到很好的近似解和对基本本质的表述。在Fortschritte VDI，第4期，杜塞尔多夫VDI出版社，Anderegg Roland(1998年)的“动态基础压实中的非线性振动”中说明了该平均值理论。这允许很好地总览所出现的解。在多次分支的系统中，分析方法与不合适地高的花费相关。

使用Mathlab/Simulink程序包作为仿真工具。它的图形用户界面和可供使用的工具很适合处理该存在的问题。首先，方程(1)被转变成无量纲的形式，以便达到结果的尽可能高的普遍适用性。

时间：τ＝ω₀ ^t； ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{k_B/m_d}$

谐振比： $\mathrm{\κ}=\frac{\mathrm{\Ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}$ Ω＝2π·f

即，κ＝f/f₀，其中f是激励频率，f₀是谐振频率[Hz]。ω₀是“机器-基础”振动系统的谐振角频率

地点： $\mathrm{\η}=\frac{x_d}{A_0};\mathrm{\ζ}=\frac{x_f}{A_0};{\mathrm{\η}}^{\′\′}={\mathrm{\ω}}_0^2\mathrm{\η}{;\mathrm{\ζ}}^{\′\′}={\mathrm{\ω}}_0^2\mathrm{\ζ};$ 振幅A₀f可以自由选择

材料特性参数： $\mathrm{\δ}=\frac{c_B}{\sqrt{m_d{k}_B}}=2d_B;{\mathrm{\λ}}_c=\frac{c_G}{c_B};{\mathrm{\λ}}_k=\frac{k_G}{k_B};$

质量和力： ${\mathrm{\λ}}_m=\frac{m_f}{m_d};A_{\mathrm{th}}=\frac{m_u{r}_u}{m_d};\mathrm{\γ}=\frac{A_{\mathrm{th}}}{A_0};f_B=\frac{F_B}{k_B\·A_0}=k_B{A}_0(\mathrm{\η}+\mathrm{\δ}{\mathrm{\η}}^{\′});$

$\mathrm{\η}=\frac{x_d}{A_0};{\mathrm{\η}}_0=\frac{m_d\·g}{k_B{A}_0};{\mathrm{\ζ}}_0=\frac{m_f\·g}{k_B{A}_0};$

其中

产生的等式(3)被图形地用Simulink模型化，参看图4。非线性被简化地看作一个纯控制力的函数并且借助Simulink-Bibliothek中的“开关”块被模型化。

方程(1)和(3)的坐标系统包含一个由于自重量(静态加载重量m_f，振动质量m_d)引起的静态下沉(Einsenkung)。

与从加速度信号积分中产生的测量相比较，必须为了比较目的将静态下沉从仿真结果中减去。用于仿真的开始条件是全部置“0”。这些结果针对起振状态的情况给出。作为求解解算器，选择具有在0s至270s时间范围内的可变积分步宽(最大步宽0.1s)的“ode 45”(Dormand-Price)。

为了考察振动夯实板1的混杂机械性能，通常研究振动部分就足够了。尤其是在橡胶减震元件良好地调协时，在元件(底部托架和上部结构)中动态力相对静态力小得可忽略不计并且适合于 ${\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}}_f<<{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}}_d.$ 在这样的情况下，(1)及(3)中的两个等式可被相加并且得出用于振动元件x_d≡x的一个自由度的等式(4a)。从属的分析模型在图3中。

$F_B=-m_d\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}+M_d{\mathrm{\&Omega;}}^2\cos (\mathrm{\&Omega;}\&CenterDot;t)+(m_f+m_d)\&CenterDot;g---\left(4a\right)$

F_B是作用在基础区域上的力，参看图3。该通常的二阶微分等式被改写成下面的两个一阶微分等式：

$A_0=\frac{M_d}{m_d}$ 和 作为控制基础力的非线性度。

适合于恒等式 $x_2\&equiv;\stackrel{\&CenterDot;}{x}.$

由此导出通过x₁(t)-x₂(t)或 的相空间描述。

也被称为轨函数的相位曲线在线性的、稳态的和单频的振动的情况下是封闭的圆或椭圆。在其中附加地出现谐波(轮缘从基础周期抬起)的非线性振动时，可以将谐波看作调制上的周期性。在周期加倍时，即在分谐波振动如“跳动”时，原始的圆才突变成封闭的曲线轨迹，它们在相空间描述中具有交点。

已经表示出，分谐波振动以分支或分岔形式的出现是强烈非线性和混杂的振动的另外一个、中心元元素。与谐波相比，分谐波振动是非线性系统的一个新的、单独待处理的运行状态；该运行状态与原始的线性问题很不相同。谐波与基波相比是小的，即，该问题的非线性解在数学上考察保留在该线性系统的解的邻域中。

在实际中，测量值感测可以通过一个霍耳探头的脉冲来触发，该霍耳探头检测振动波的通过零点。由此也可以产生Poincaré图。如果绘出周期感测的、作为变化的系统参数(在我们这里的情况下为基础刚度k_B)的函数的振幅值，就产生分岔图或所谓无花果树图(图5)。在该图中一方面可以看到在刚度上升时在分支区域中振幅突然增大的特性，从属曲线(组)上的切线在分支点上垂直地延伸。因此，在实际中也不要求用于辊的跳动的附加能量供给。该图还示出，在刚度(压实)上升时发生继续分支，确切地说就连续增加的刚度k_B而言以越来越短的距离分支。这些分支产生新振动分量的一个串级，分别具有上述最低频谱频率的一半频率。因为第一分支从具有频率f或周期T的基波中分裂出，产生频率串级f、f/2、f/4、f/8等。与基波类似，这些分谐波也产生谐波并且在信号频谱的低频区域中出现频率连续。这同样是该混杂系统、在当前情况下即振动的振动夯实板的一个特别的特性。

人们注意到，压实装置的系统处于确定的、而不是随机混乱的状态中。因为引起混乱状态的参数不是都可测量(不是完全可被考察)，因此不能为实际压实预告分谐波振动的运行状态。此外，实际中的运行情况以大量不可描述性为特征，机器会由于对基础的强烈接触损失而滑移，机器的载荷由于低频振动而变得很高。经常会(不希望地)出现机器性能的进一步分岔，这立即导致很大的附加载荷。高的应力也出现在轮缘和基础之间；这导致不希望的近表面层松散并且引起颗粒破碎。

因此，在具有将机器参数作为测量值函数来主动调节的功能的新装置中(例如，ACE：阿曼压实专家)，当出现具有频率f/2的第一分谐波振动时，不平衡立即减小并且由此能量供给减小。该措施可靠地避免了轮缘的不希望的跳动或摆动。此外，控制力地调节压实装置的振幅和频率保证了对非线性的控制并且由此保证可靠避免跳动/摆动，这是出现非线性的最后结果。

基于这样的事实：这些分谐波振动分别是机器的一个新的运动状态，必须对每次新出现的分谐波振动将相对测量(例如用于检测基础压实状态)重新以参考检测方法例如压板试验(DIN 18 196)来校准。如下面所说明的，可以放弃这样的相对测量。

在“压实测量器”情况下，在该压实测量器中为了控制压实使用了二次谐波2f与基波f之比，随着跳动的出现该相互关系原则上发生改变；仅仅在运动的相应分支状态内存在测量值与基础刚度的线性相关。

在机器参数保持恒定时，分岔和谐波以从属的周期翻倍串级式出现类似大辊用作用于增加的基础刚度和压实的指示器(相对的压实控制)。

碾压机，从碾压车到手操持的沟槽碾压机，为了它们的前进运动利用了轮缘的滚动运动并且由此不存在振动和前进运动之间的直接关系，而振动夯实板为了它们的前进运动一直周期地从基础抬起，通过它们的定向振动器的倾斜来控制。因此，该振动和该前进运动相互直接耦合，板和夯实器因此具有非线性的振动特性。由此，这些装置随着刚度k_B的增加更快地处于周期加倍情况中，混杂运行状态在它们中比在碾压机中更频繁地出现。

借助上面所说明的振动夯实板达到的和/或确定的基础刚度k_B可以很简化并且低成本地用下面在图6中所示的测量装置20来进行，只要放弃精确(准确)的基础刚度值并且仅仅希望说明在该装置继续驶过时基础刚度是上升还是已达到令人满意的值的一个指示。一个用于基础刚度标准值的这样的测量装置20主要被安装在反正成本低廉的振动夯实板中。

底部托架5的振动被一个加速度传感器21接收，通过一个放大器23放大并且通过一个积分器25在一个预给定的时间段上积分。进行该积分以便根据用该加速度传感器21测量的加速度值在两次积分后得到一个位移。接着，该积分器25的输出信号被输送给多个带通滤波器27。该带通滤波器这样设计，使得一次将激励频率f、具有两倍激励频率2·f的第一谐波、具有二分之一激励频率f/2的第一分谐波、具有四分之一激励频率f/4的第二分谐波和具有八分之一激励频率f/8的第三分谐波发送到各一个输出口29a至29e上。该测量装置在此例如为了监视频率2·f、f、f/2、f/4和f/8具有四个比率形成块31a至31d。输出口29b(频率f的输出信号)作为除数与所有比率形成块31a至31d相连。所有输出口与各一个比率形成块31a至31d相连。输出口29a(频率2·f的输出信号)作为被除数与比率形成块31a相连，后者的输出信号(商)施加在它的输出口33a上。该输出口33a通过一个归一化电路35连接到显示信号板39中的两个灯37a上。

类似地处理输出口29c(f/2)，29d(f/4)和29e(f/8)，它们作为被除数连接到比率形成块31b，31c或31d上。比率形成块31b、31c或31d的输出口33b、33c或33d通过归一化电路35连接到显示信号板39中的各两个灯37b、37c或37d上。仅仅灯37a发光是相关基础区域还没有足够地压实，灯37b发光是已经达到较好的压实，其中，此后直至灯37d发光压实变得越来越好。如果例如灯37b在振动夯实板多次驶过时还不发光，那么基于基础组成成分和所使用振动夯实板的机器数据，不可能进一步压实。类似情况适用于灯37c及37d。

如果只要显示分谐波的出现，可以代替这两个灯仅使用唯一的一个灯。但用测量装置20不仅求得频率特性，而且计算出单个振动(作用频率f、谐波n·f、分谐波f/[2·n])的最大的振动振幅的值。在图5中(“无花果树图景”)绘出当对于一个确定状态出现第一分谐波f/2时作用频率f与第一分谐波f/2的振幅A(f)和A(f/2)。

如果达到一个通过该归一化电路35预给定的振幅值，灯装置的每个第二灯发光。当然，也可根据振幅大小来控制发光强度。取代该带通滤波器27也可以使用一种单元，后者实施快速的傅立叶变换(快速傅立叶变换FFT)。

代替一个带通滤波器27，也可以在时间窗内确定各个振动振幅。在这种情况下，始终从偏心轮的最下面的位置和公知的转动速度出发，接收对于第一谐波和相应分谐波的振幅值，只要它们存在。

在图7中表示出图6中所示电路的一个变型。与图6中的电路20相反，在该电路40中，一个与加速度传感器21类似地构造的加速度传感器42安置在振动夯实板1的上部结构7上。通过上部结构和底部托架之间(未示出)的减震元件进行振动衰减。加速度传感器42的对于第一谐波2·f和第一和第二分谐波f/2和f/4的输出信号现在与电路20相反没有被积分并且作为加速度信号在通过放大器23放大后在一个带通滤波器41中被处理。这些信号通常是足够高的。第三分谐波f/8的信号因为它通常小现在被一个积分器43积分并且与图5中类似地被处理。不是必须从第三分谐波f/8开始才积分。也可以第二分谐波f/4就已经积分或者第四分谐波f/16才积分。

用于接收振动系统的振动形式的传感器根据上面的说明安置在底部托架5上或上部结构7上。在安置在上部结构7上时，如上面所概略地叙述的，要注意由减震元件产生的振动影响。

可以总结地说，通过本发明装置既可以对基础压实(基础刚度)进行相对测量、也可以进行绝对测量，本发明装置可在这两种状态之间转换地构成。激励频率和/或不平衡量是可以改变的。

在基础压实度的相对测量中振动夯实板跳动。

为此：

·高的振动频率(不平衡的高的运转速度)以及

·使用大的不平衡以及

·最大不平衡向量按照所希望的运动方向不同相对基础斜向前或者斜向后指向。

在基础压实(基础刚度)的绝对测量中，振动夯实板保留在测量地点上(加载运行)。这设置：

·低的振动频率

·小的不平衡以及

·最大的不平衡向量，它垂直于基础表面。

上面说明的相对测量是一种用于确定已压实表面的压实度的快速方法(在哪里基础已经压实得好和在哪里还压实得差)。仅仅在基础表面上驶过并且显示压实度。也可以在配置的坐标网络中进行绘制。该坐标网络可以借助GPS或其它三角方法(Triangulationsmethoden)来规定。

根据本发明的振动夯实板具有上面所列举的选择地或自动地在基础压实的相对测量和绝对测量之间转换的功能，它是一种成本低、功能组合的压实监视装置。在预给定的基础区段上可以确定，

·压实是否增加以及

·压实是否均匀。

此外，可以求得绝对的基础刚度。建筑工地领导或委托人可以自己确定是否存在所要求的压实值。

如上面已经实施的，在根据本发明的振动夯实板中可以调节振动频率、不平衡振幅和激励与振动响应之间的相位角。因此可以制造一种可调节的振动夯实板，通过它

·可自动地达到最佳的压实，

·可使振动夯实板驶过的数量最小以及

·可以进行表面覆盖的压实控制以及

·可强烈减少传播到振动夯实板导向器的臂上的振动以及

·基于测量值可使频率和不平衡振幅与对应的地基相适配(最佳的压实过程)以及

·可实现机器寿命延长，因为识别了损害性的频率和振幅并且立即可将它们改变成无损害的值。

Claims (13)

1.用于确定一个基础区域的基础刚度值的方法，其中，通过同一个可自动向前运动的装置(1)，不仅在停留在该基础区域的至少一个预给定的基础分区域(3)上时求得该基础分区域的绝对的基础刚度值(k_B)，而且在横穿该基础区域的多个基础分区域期间求得多个相对的基础刚度值(s)，其中，为了求得绝对的基础刚度值(k_B)，该装置(1)的一个振动单元(5)被带到一个预给定的基础分区域(3)上、保持在那里并且通过该振动单元(5)在保持与基础表面接触时带入一个随时间变化的第一激励力以产生作用，其中，该振动单元(5)和该预给定的基础分区域(3)是一个唯一的振动系统，求得该振动系统的第一振动响应的第一数据和该随时间变化的第一激励力的第二数据，根据这些第一和第二数据确定该预给定的基础分区域(3)的绝对的基础刚度值(K_B)，为了求得多个基础分区域的多个相对的基础刚度值(s)，该振动单元(5)被带到该基础区域的这些基础分区域之一的基础表面上，在该振动单元(5)上这样作用一个随时间变化的第二激励力，使得该振动单元(5)从基础表面(2)抬起并因此可向这些基础分区域中的多个跳动地运动，求得由第二激励力引起的该振动单元(5)的振动的第二振动响应的第三数据和该第二激励力的振动的第四数据，从这些第三和第四数据中一个接一个连续地求得该基础区域上的这些基础分区域的相对基础刚度值(k_B)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，随时间变化的第一激励力作为具有一个最大的、除调节公差外垂直指向基础表面(2)的第一振动值的第一周期力产生并且该周期性被这样调节，使得该振动系统处于谐振中并且第一和第二数据包括谐振频率和第一激励力与第一振动响应的最大振动值的时间上的次序之间的一个相位角。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，随时间变化的第二激励力通过一个第二周期力产生，该第二力具有一个最大振动值，后者与第一激励力的第一周期力的第一最大振动值相比这样提高，使得发生该振动单元(5)从基础表面(2)抬起，其中，第二周期力的第二最大振动值以振动单元(5)为参考向后倾斜地指向基础表面(2)，由此该振动单元(5)可在向前方向上运动，并且，作为第二振动响应的第三数据，确定所求得的一个最低频的分谐波频率作为相对基础刚度(s)的量度，其中，所确定的最低频分谐波振动越低频，相对基础刚度(s)就越大。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，作为第二振动响应的第三数据，求得在通过第二激励力周期地激励该振动单元(5)时第一谐波的以及分谐波的振幅，优选将第三数据基础区域的位于不同地点上的基础分区域与相关绝对值一起求出并且为了进行校准而存储，该校准允许将测量的相对值表示为绝对值，其中，该基础区域具有除公差外相同的基础组成成分，第三数据的这些振幅值与激励振动的该最大振动值之比用要求得的各自不同的加权因数加权构成一个总和，其中该总和值是对应的位置特定的绝对值，并且，这些各自不同的加权因数从多次测量中求得，其中测量的数量与加权因数的数量相当，其中该总和的大小在校准后是一个正被驶过的基础分区域的绝对基础压实度或绝对基础刚度的量度。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，相对于第一激励力的周期力的第一最大振动值提高了的第二力由此被调节，即至少一个不平衡旋转，优选至少两个不平衡反向旋转，尤其是两个不平衡反向地、相互位置可调节地旋转，并且它们的转速被相应地提高。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，相对于第一激励力的周期力的第一最大振动值提高了的第二力由此被调节，即至少一个不平衡旋转并且所述至少一个不平衡的质量分布在径向上被改变，并且，优选第二激励力的周期性除基础公差外与振动系统的谐振频率相当。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，对于相对的或绝对的基础刚度值，求得一个基础分区域的对应地点坐标，基础刚度值尤其是与位置坐标一起被存储并优选被向一个中心传送，其中尤其是基础刚度的相对值与一个预给定的地点坐标网一起被存储。

8.在基础表面上可自己向前运动的装置，用于实施根据权利要求1至7之一所述的用于确定一个基础区域的基础刚度值的方法，具有一个可与该基础表面形成接触的振动单元，其中该振动单元(5)优选也可用于基础压实，该装置(1)具有一个力产生单元，通过后者可产生一个周期的、作用于该振动单元(5)上的第一激励力和与它不同的第二激励力，其中第一激励力通过该力产生单元可这样调节，使得第一激励力的最大振动振幅可垂直指向该基础表面，第一激励力的周期可这样调节，使得可以达到由振动单元和该基础区域的一个预给定的基础分区域构成的振动系统的谐振，振动单元(5)在第一激励力的作用下不失去与基础区域的这些基础分区域的接触，第二激励频率通过该力产生单元可这样调节，使得第二激励力的最大振动振幅可倾斜地指向基础表面并且该激励力如此大，使得该振动单元跳动地失去与基础的接触，具有一个测量装置，通过该测量装置可以求得激励力的振动数据以及振动单元的振动数据作为振动响应，具有一个分析计算单元，通过后者根据激励力的振动数据和振动单元(5)的振动响应的数据借助第一激励力可确定该基础区域的一个预给定的基础分区域的基础刚度的至少一个绝对值和借助第二激励力可确定该基础区域的预给定的基础分区域的基础刚度的多个相对值。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，该振动单元(1)是一个所谓振动夯实板的一个部分。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，该振动单元(5)具有一个可调节的静态不平衡力矩和/或一个用于至少一个旋转的不平衡的可调节的激励频率，由此在一个第一不平衡力矩时和/或在一个第一激励频率时，优选与基础压实一起，可求得相对的基础刚度值，在一个相对于第一不平衡力矩改变了的第二不平衡力矩时和/或在一个相对于第一激励频率改变了的第二激励频率时可求得绝对的基础刚度值，在一个相对于第一及第二不平衡力矩改变了的第三不平衡力矩时和/或在一个相对于第一及第二激励频率改变了的第三激励频率时可进行基础压实。

11.根据权利要求8至10之一所述的装置，其特征在于，第一及第二不平衡力矩可通过两个以相同转速反向旋转的不平衡产生，其中，转速可调节以产生不同的激励频率。

12.根据权利要求8至11之一所述的装置，其特征在于，具有显示装置，通过它们可以显示压实度，以便确定通过继续经过是否还可以达到超过预给定公差的压实增加。

13.根据权利要求8至12之一所述的装置，其特征在于，测量装置具有一个数据存储器、一个分析计算单元和一个位置检测单元，用于确定该装置正好位于其上的基础区域的地点坐标，其中所求得的相对的及绝对的基础刚度值优选与从属的地点坐标一起可存储在数据存储器中，通过分析计算单元可根据所存储的基础刚度值求得基础特定的、可存储在数据存储器中的权值，其中借助这些权值可将基础刚度的相对值转换成绝对值，优选设有一个传送单元，通过该传送单元可将这些存储的数据传送给一个中心，该装置尤其具有一个用于绝对值和优选用于相对值的显示器。

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