隨車(chē)壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)研究

摘要：在借鑒傳統(tǒng)檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)壓路機(jī)振動(dòng)信號(hào)與壓實(shí)程度的相關(guān)關(guān)系，提出了一種隨車(chē)壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用振動(dòng)傳感器采集壓路機(jī)振動(dòng)信號(hào)，并將該信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，放大、濾波，在時(shí)域和頻域進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，進(jìn)而提取出壓實(shí)度實(shí)時(shí)數(shù)值。通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)計(jì)算出的壓實(shí)度值與傳統(tǒng)壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果。具有高度的一致性和準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：壓實(shí)度；隨車(chē)檢測(cè)；實(shí)時(shí)；振動(dòng)

    壓實(shí)作業(yè)是道路施工作業(yè)的一個(gè)重要組成部分，有效的壓實(shí)能夠顯著的提高路基、路面的承載能力和穩(wěn)定性，防止?jié)B透，消除沉陷。實(shí)踐證明，以高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行路基、路面的壓實(shí)，是保證路基、路面應(yīng)有強(qiáng)度和穩(wěn)定性的一項(xiàng)最經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)措施。
    壓實(shí)過(guò)程檢測(cè)技術(shù)是確保壓實(shí)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)材料被壓實(shí)的情況，分析現(xiàn)有壓實(shí)度檢測(cè)方法，利用壓路機(jī)振動(dòng)信號(hào)與壓實(shí)程度的相關(guān)關(guān)系，采用數(shù)字信號(hào)處理算法，設(shè)計(jì)出隨車(chē)壓實(shí)度在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)壓實(shí)度檢測(cè)方法
    傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測(cè)方法分為破壞性試驗(yàn)檢測(cè)方法和非破壞性試驗(yàn)檢測(cè)方法。
1．1 破壞性試驗(yàn)檢測(cè)方法
    破壞性試驗(yàn)是指在測(cè)量土層或材料層的密實(shí)度和含水量之前，需要對(duì)被測(cè)量層進(jìn)行一定程度的破壞，以采取樣品。常用的破壞性試驗(yàn)主要有兩種——灌砂法和環(huán)刀法。
    1)灌砂法
    灌砂法是利用均勻顆粒的砂去置換試洞的體積。該方法可用于測(cè)試各種土或路面材料的密度，它的缺點(diǎn)是：需要攜帶較多量的砂，而且稱(chēng)量次數(shù)較多，因此它的測(cè)試速度較慢。
    2)環(huán)刀法
    用環(huán)刀法測(cè)得的密度是環(huán)刀內(nèi)土樣所在深度范圍內(nèi)的平均密度。它不能代表整個(gè)碾壓層的平均密度。只有使環(huán)刀所取的土恰好是碾壓層中間的土，環(huán)刀法所得的結(jié)果才可能與灌砂法的結(jié)果大致相同。另外，環(huán)刀法適用面較窄，對(duì)于含有粒料的穩(wěn)定土及松散性材料無(wú)法使用。
1．2 非破壞性試驗(yàn)檢測(cè)方法
    在壓實(shí)度作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所使用的非破壞性試驗(yàn)主要有核子法和落錘法。
    1)核子法
    核子法是利用放射性元素測(cè)量土或路面材料的密度和含水量。這類(lèi)儀器的特點(diǎn)是測(cè)量速度快，需要人員，但其放射性對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生不好的影響，而且設(shè)備造假很高，所以在施工中被使用的較少。
    2)落錘法
    落錘法是利用落錘的沖擊使土體產(chǎn)生反彈力，并利用低頻測(cè)出土體響應(yīng)值的一種不測(cè)含水量就能得到路基壓實(shí)度測(cè)試儀器。落錘法檢測(cè)檢測(cè)速度較慢，檢測(cè)精度受被檢測(cè)點(diǎn)的直接影響。
    傳統(tǒng)壓實(shí)度檢測(cè)都屬于抽樣檢測(cè)，即只用幾個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度值代替整個(gè)壓實(shí)路段的壓實(shí)度，很難反映道路上每一點(diǎn)的壓實(shí)情況，容易造成漏檢的現(xiàn)象。

2 隨車(chē)壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)原理
    經(jīng)過(guò)大量壓實(shí)作業(yè)驗(yàn)證，當(dāng)振動(dòng)壓路機(jī)以一定的頻率和振幅對(duì)被壓實(shí)材料進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)時(shí)，隨著被壓實(shí)材料的不同和被壓實(shí)遍數(shù)的不同，其振動(dòng)信號(hào)會(huì)發(fā)生如下圖1所示的變化。

    理論上，在壓實(shí)作業(yè)過(guò)程中，隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加，被壓實(shí)材料的密實(shí)度會(huì)逐漸增加，其硬度會(huì)逐漸上升，而實(shí)際上，當(dāng)壓實(shí)遍數(shù)過(guò)多時(shí)不但不能使材料密實(shí)度進(jìn)一步增加，反而會(huì)使表面的材料被振松，影響被壓實(shí)材料的密實(shí)度。因此，振動(dòng)信號(hào)所反映出的被壓實(shí)材料硬度的信息間接的反映出該材料密實(shí)度的變化，因此采集振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分析、處理和擬合，將能得到被壓實(shí)材料的密實(shí)度情況。

3 隨車(chē)壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    根據(jù)振動(dòng)信號(hào)與被壓實(shí)材料密實(shí)度，即壓實(shí)度之間的相關(guān)關(guān)系，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)如圖2所示。

    硬件系統(tǒng)主要由振動(dòng)信號(hào)傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、CPU模塊、顯示模塊、電源模塊和遠(yuǎn)程通信模塊組成。
    其主要工作過(guò)程是：振動(dòng)信號(hào)傳感器采集到振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)模擬信號(hào)，并將該信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行去噪、放大、濾波等處理，然后送入A／D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)被送入CPU單元，在CPU單元被進(jìn)一步分析和處理，最終得出壓實(shí)度值，被顯示到隨車(chē)的顯示器上，供壓實(shí)作業(yè)人員實(shí)時(shí)察看壓實(shí)狀況。

4 隨車(chē)壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    隨車(chē)壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分包括信號(hào)采集卡驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)、壓實(shí)算法程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和主程序的實(shí)現(xiàn)。軟件結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

    隨車(chē)壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)主要包括人機(jī)界面的設(shè)計(jì)和通信軟件的設(shè)計(jì)，壓實(shí)算法主要從時(shí)域和頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行積分、擬合、傅立葉變換和數(shù)字濾波，得出壓實(shí)度信息。信號(hào)采集驅(qū)動(dòng)和壓實(shí)算法都是通過(guò)dll方式被主程序調(diào)用的。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試
    通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)灌砂法檢測(cè)壓實(shí)度試驗(yàn)，對(duì)隨車(chē)壓實(shí)度在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)步驟如下：
    在攤鋪機(jī)鋪好的平整路面上選取一段(長(zhǎng)約30～70 m)作為試驗(yàn)段。在試驗(yàn)時(shí)選取一段中的某一道作為試驗(yàn)道。每壓一遍后，在壓實(shí)區(qū)段上進(jìn)行灌砂法試驗(yàn)(取3至5點(diǎn)，非離析點(diǎn)．含水率均勻點(diǎn)，有代表性)，記錄試驗(yàn)結(jié)果。完成灌砂法壓實(shí)度檢測(cè)后，繼續(xù)壓實(shí)下一遍。
    為減小因壓路機(jī)工作參數(shù)不穩(wěn)定和材料特性參數(shù)變化帶來(lái)的影響，要求壓路機(jī)穩(wěn)定工作，速度波動(dòng)小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；材料含水量控制精確穩(wěn)定，級(jí)配準(zhǔn)確，離析程度?。还嗌胺z測(cè)壓實(shí)度時(shí)盡量準(zhǔn)確快速。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖4所示。

    由圖4可以看出，隨車(chē)壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)儀檢測(cè)數(shù)據(jù)與灌砂法數(shù)據(jù)有極強(qiáng)的相關(guān)性，能夠準(zhǔn)確的反映被壓實(shí)材料的壓實(shí)度值。

6 結(jié)束語(yǔ)
    文中介紹了一種基于振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)信號(hào)與被壓實(shí)材料密實(shí)度相關(guān)關(guān)系的隨車(chē)壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，并依據(jù)這種方法提出了壓實(shí)度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)計(jì)算的實(shí)時(shí)壓實(shí)度值與傳統(tǒng)灌沙法測(cè)試具有很高的相關(guān)性，不僅能夠準(zhǔn)確的反映被壓實(shí)材料的密實(shí)度變化趨勢(shì)，還能實(shí)時(shí)得出壓實(shí)度的具體數(shù)值，這就改變了以往壓實(shí)度檢測(cè)以點(diǎn)帶面，滯后的檢測(cè)缺點(diǎn)，使壓實(shí)度的檢測(cè)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的為施工作業(yè)提供指導(dǎo)。