CN103255755B

CN103255755B - 一种快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法及其评价装置

Info

Publication number: CN103255755B
Application number: CN201310157908.9A
Authority: CN
Inventors: 朱晟; 石永超
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2033-04-28
Also published as: CN103255755A

Abstract

本发明涉及一种快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法及其评价装置，属于水利土木工程技术领域。本方法基于振动辗振动压实原理，实时监测振动辗传给被碾压土石体的有效压实能量，通过建立常用压实指标（相对密度、压实度等）对应的等效能量（阀值）评判准则，判断土石料的密实程度。本方法不仅能够快速准确确定被碾压土石料的密实程度，而且能够便捷无损地确定被碾压土石料的密实程度。

Description

一种快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法及其评价装置

技术领域

本发明属于水利土木工程技术领域，涉及土石料填筑质量评价问题，特别涉及采用重型振动辗压实技术的土石料的快速实时无损的评价方法及其评价装置。

背景技术

随着大型振动辗的出现，使得压实的土石料具有较高的强度和变形模量，促进了现代碾压式高土石坝的飞速发展。但如何方便快速地对土石料的密实程度进行无损检测与评价筑坝材料的密实程度，却始终不尽如人意。

现阶段粘土或者砾质粘土均采用压实度进行控制，粗粒料用相对密度指标控制。在应用过程中需要不断的通过挖坑测试碾压过程中的干密度，进行压实评价，精度较低且对施工干扰过大。若采用一定碾压遍数进行控制土石料压实质量的好坏，则显得过于笼统和粗糙。基于土石料（土石体）压实质量的无损检测和控制技术成为进一步发展压实技术发展的瓶颈，诸多学者对此进行了专门的研究，一直致力于寻找一种快速无损有效的评价方法。1974年Heinz Thurner博士研究了通过碾压机械上安置加速度传感器来检测土石料压实状态，研究结果表明第一谐波振幅激振频率下的振幅比、压实效果与土石料刚度密切相关。Geodynamik公司研制以CMV值进行控制的土石料的压实状态，Bomag公司研制以可以反映出连续压实能量Omega值的检测***，后续提出表征土石料动态模量的参数——振动模量。Ammann公司基于上述成果将土石料的刚度参数作为评价指标，碾压过程中土石料刚度的连续测定，视为土石压实质量控制的重大突破。然而土石料的刚度取决于加载面积，对于弹性材料来说，不同加载面积测得的结果不同。因此，刚度不能准确表征土石料的特性，且振动辗测得土石料刚度与现场碾压土石料间的关系相当复杂。振动辗和土石料的相互作用表现出高度非线性。振动辗测得的刚度与土石料厚度有关，并且还有可能与土石料下垫材料的性能有关，与激振力和激振频率有关。

发明内容

本发明针对上述问题的不足，提出一种快速实时评价土石料压实质量的无损方法，该方法能够快速准确而且便捷无损地确定被碾压土石料的密实程度。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案如下：一种快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法，包括以下步骤:第一步、在任一型号的振动碾通过振动轮碾压待测土石料过程中，根据振动碾相关参数计算振动碾传递到被辗压待测土石料的连续压力F；第二步、通过拾振传感器计算振动轮的位移，所述振动轮的位移的方向与振动轮和待测土石料接触中心的法线方向相同，根据第一步中得出的连续压力F和振动轮的位移计算一个振动周期内振动轮传递到被辗压待测土石料的连续压实能量；第三步、建立压实质量评价指标的等效评判准则：预设作为评价压实指标的压实指标阈值；为满足规定密实度要求的土石料与该相同型号的振动碾对应的压实能量；评判时：当待测土石料的连续压实能量稳定且小于等于压实指标阈值时，则说明待测土石料的碾压层已经密实，满足规定的密实度要求，停止振动碾压。

优选的：在第一步中，在振动辗压过程中，振动辗传递到被压实土石料的连续压力为：，式中为振动轮的质量；为振动轮的加速度；为振动轮内部偏心块的质量；为偏心块的偏心距；为偏心块转动的角频率；代表振动辗激振力的大小；为振动辗除振动轮外部框架的重量；为重力加速度。

优选的：在第二步中的计算方法为，由于连续压力和振动轮的位移Z之间的关系近似为椭圆曲线，则以该椭圆的圆心作为原点，以振动轮的位移作为轴，以连续压力作为轴建立直角坐标系，则与所围成的面积为振动辗传给被压实土石料的有效压实能量，令，式中：A为坐标为()的点，、分别为A点、B点到原点O的线段长度，且与相垂直；根据B的切线斜率和的斜率一致，可得到B的横坐标满足，则根据相似三角形的相似特性，一个振动周期内振动辗传给碾压层连续能量可以表示为：。

优选的：所述压实指标阈值和振动辗的选型方法为：第一步、通过选取某一型号的振动碾碾压土石料，且实时监测计算振动辗有效连续压实能量值；第二步、通过检测该压实的土石料粗粒料的相对密度，细土料的压实度，判断其是否达到满足规定的密实度要求；第三步、振动辗的选型，若满足规定的密实度要求，则该值为该型号的振动碾碾的压实指标阈值；若该被碾压土石料无法满足密实程度要求，说明振动辗的压实功能对于该土石料而言偏小，需选用更大的压实功能的振动辗或者调整振动辗的振动压实参数（振动频率和振幅），再通过上述第一、第二步确定振动辗的压实指标阈值。

本发明的另一个目的提供一种基于上述所述的快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法的评价装置，包括振动碾、拾振传感器、计算机人机对话平台、连续压实能量计算单元、压实指标阈值确定单元以及评判单元；所述振动碾用于振动碾压土石料；所述拾振传感器用于测量计算振动碾的振动轮的位移Z；所述计算机人机对话平台用于输入振动碾的压实参数，并将该参数传送给连续压实能量计算单元以及压实指标阈值确定单元，同时用于显示评判单元输送的信息；所述连续压实能量计算单元用于根据振动辗参数以及振动轮的位移Z计算连续压实能量值，并传送给评判单元；所述压实指标阈值确定单元用于根据满足规定密实度要求的土石料以及振动辗参数计算出其压实能量，并将该压实能量作为评价压实指标的压实指标阈值，并将该压实指标阈值传送给评判单元；所述评判单元用于根据和值进行评判，当小于等于时，所述评判单元向计算机人机对话平台输送碾压层已经密实，停止振动碾压信息。

本发明的一种快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法，相比现有技术，具有以下有益效果：由于本方法是基于重型振动辗的振动压实原理，实时监测振动辗传给土石料的有效压实能量，通过建立评价土石料密实程度的控制指标（压实指标），判断土石料的密实程度，该压实指标具有与粗粒料的评价指标以及细土料的评价指标等效的评判准则，因此其能够实时、快速准确而且便捷无损地确定被碾压土石料的密实程度。

附图说明

图1是本发明的振动辗一个振动周期内传递给土石料的连续压力和振动轮位移的关系曲线示意图；

图2是本发明的振动辗传给土石料连续有效压实能量的计算示意图；

图3是本发明快速实时评价土石料填筑压实质量的评价装置的结构示意图；

图4是本发明快速实时评价土石料填筑压实质量的评价装置的流程图。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

实施例

本实施例的一种快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法，包括以下步骤:

第一步、在任一型号的振动碾通过振动轮碾压待测土石料过程中，根据振动碾相关参数计算振动碾传递到被辗压待测土石料的连续压力F；在振动辗压过程中，振动辗传递到被压实土石料的连续压力为：，式中为振动轮的质量；为振动轮的加速度；为振动轮内部偏心块的质量；为偏心块的偏心距；为偏心块转动的角频率；代表振动辗激振力的大小；为振动辗除振动轮外部框架的重量；为重力加速度。

第二步、通过拾振传感器计算振动轮的位移，所述振动轮的位移的方向与振动轮和待测土石料接触中心的法线方向相同，根据第一步中得出的连续压力F和振动轮的位移计算一个振动周期内振动轮传递到被辗压待测土石料的连续压实能量；在第二步中的计算方法为，由于连续压力和振动轮的位移Z之间的关系近似为椭圆曲线，则以该椭圆的圆心作为原点，以振动轮的位移作为轴，以连续压力作为轴建立直角坐标系，则与所围成的面积为振动辗传给被压实土石料的连续有效压实能量，令，式中：A为坐标为()的点，、分别为A点、B点到原点O的线段长度，且与相垂直；根据B的切线斜率和的斜率一致，可得到B的横坐标满足，则根据相似三角形的相似特性，一个振动周期内振动辗传给碾压层连续能量可以表示为：。

第三步、建立压实质量评价指标的等效评判准则：预设作为评价压实指标的压实指标阈值；为满足规定密实度要求的土石料与该相同型号的振动碾对应的压实能量；评判时：当待测土石料的连续压实能量稳定且小于等于压实指标阈值时，则说明待测土石料的碾压层已经密实，满足规定的密实度要求，停止振动碾压；所述压实指标阈值和振动辗的选型方法为：第一步、通过选取某一型号的振动碾碾压土石料，且实时监测振动辗有效连续压实能量，当有效连续压实能量稳定时，选取该时刻的值；第二步、通过检测该压实的土石料粗粒料的相对密度，细土料的压实度，判断其是否达到满足规定的密实度要求；第三步、振动辗的选型，若满足规定的密实度要求，则该值为该型号的振动碾碾的压实指标阈值；若该被碾压土石料无法满足密实程度要求，说明振动辗的压实功能对于该土石料而言偏小，需选用更大的压实功能的振动辗或者调整振动辗的振动压实参数（振动频率和振幅），再通过上述第一、第二步确定振动辗的压实指标阈值。

一种快速实时评价土石料填筑压实质量的评价装置：包括振动碾、拾振传感器、计算机人机对话平台、连续压实能量计算单元、压实指标阈值确定单元以及评判单元；所述振动碾用于振动碾压土石料；所述拾振传感器用于测量计算振动碾的振动轮的位移Z；所述计算机人机对话平台用于输入振动碾的参数，并将该参数传送给连续压实能量计算单元以及压实指标阈值确定单元，同时用于显示评判单元输送的信息；所述连续压实能量计算单元用于根据振动辗参数以及振动轮的位移Z计算连续压实能量值，并判断值是否稳定，当值稳定时，将该连续压实能量值传送给评判单元；所述压实指标阈值确定单元用于根据满足规定密实度要求的土石料以及振动辗参数计算出其压实能量，并将该压实能量作为评价压实指标的压实指标阈值，并将该压实指标阈值传送给评判单元；所述评判单元用于根据和值进行评判，当小于等于时，所述评判单元向计算机人机对话平台输送碾压层已经密实，停止振动碾压信息。

本发明的原理是基于重型振动辗的振动压实原理，实时监测振动辗传给土石料的有效压实能量，通过建立评价土石料密实程度的控制指标（粗粒料的评价指标为相对密度，细土料的评价指标为压实度）的等效评判准则，判断土石料的密实程度。现结合现场的振动压实过程与机理进行说明：

1.振动辗传递到被压实土石料连续压力的计算

振动辗压过程中，振动辗传递到被压实土石料的连续压力为：

(1)

式中为振动轮的质量；为振动轮的加速度；为振动轮内部偏心块的质量；为偏心块的偏心距；为偏心块转动的角频率；代表振动辗激振力的大小；为振动辗除振动轮外部框架的重量；为重力加速度。

2.振动辗传递到被压实土石料连续压实能量的计算

建立振动周期内振动辗传递到被压实土石料的连续压力和振动轮的位移的关系曲线，见图1。图1中与所围成的面积为振动辗传给被压实土石料的连续有效压实能量。

图中与所围成的图形为椭圆的一部分，且椭圆的圆心位于原点，则反映了连续能量的大小，见图2：

令， (2)

式中：、为图中线段长度，与相垂直。

近似取A的坐标为()，根据B的切线斜率和的斜率一致，可得到B的横坐标满足：

(3)

则根据相似三角形的相似特性，一个振动周期内振动辗传给碾压层连续能量可以表示为：

(4)

4. 土石料压实质量评价指标的等效评判准则和振动辗的选型

通过现场常规碾压试验，最终确定土石料压实质量的评价指标（粗粒料为相对密度，细土料为压实度），即得到满足规定密实度要求的土石料，并将该满足规定密实度要求的土石料通过式子（4）得到，为满足规定密实度要求的土石料实时监测振动辗有效压实能量，由于土石料已经满足规定密实度要求，则恒定，将该能量作为满足给定评价指标的有效压实能量的压实指标阈值，给定评价指标是指土石料满足规定密实度要求时的评价指标。如果被碾压土石料（待测土石料）无法满足密实程度要求，说明振动辗的压实功能对于该土石料而言偏小，需选用更大的压实功能的振动辗或者调整振动辗的振动压实参数（振动频率和振幅），再通过上述步骤4的流程确定土石料压实程度的等效评价指标——有效压实能量阈值。

5. 被碾压土石料的密实程度评价

随着振动碾压次数的增加，待测土石料趋于密实，振动辗传给碾压层连续有效压实能量逐渐减小，当连续有效压实能量小于等效压实指标——有效压实能量阈值且趋于稳定，则说明碾压层已经密实，满足规定的密实度要求，即根据监测结果，计算得到碾压待测土石料实时各点的各振动周期内的连续有效压实能量分布图。根据连续能量分布图，当图中所在位置的连续有效能量小于有效压实能量阈值且稳定时，则可说明该处的待测土石料在该压实功能下已趋于密实；当图中所在位置处的连续能量数值偏大或者不趋于稳定，则说明该处的土石料仍需要进一步碾压，至连续有效压实能量稳定且小于有效压实能量阈值；

6.当待测土石料各个位置的连续能量分布值小于有效压实能量阈值且稳定，则说明该待测土石料已趋于密实，满足规定密实程度的要求。

上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。

Claims

1.一种快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法，其特征在于，包括以下步骤:第一步、在任一型号的振动碾通过振动轮碾压待测土石料过程中，根据振动碾相关参数计算振动碾传递到被辗压待测土石料的连续压力F；第二步、通过拾振传感器计算振动轮的位移Z，所述振动轮的位移Z的方向与振动轮和待测土石料接触中心的法线方向相同，根据第一步中得出的连续压力F和振动轮的位移Z计算一个振动周期内振动轮传递到被辗压待测土石料的连续压实能量E_A；第三步、建立压实质量评价指标的等效评判准则：预设作为评价压实指标的压实指标阈值为满足规定密实度要求的土石料与该相同型号的振动碾对应的压实能量E_A；评判时：当待测土石料的连续压实能量稳定且小于等于压实指标阈值时，则说明待测土石料的碾压层已经密实，满足规定的密实度要求，停止振动碾压。

2.根据权利要求1所述快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法，其特征在于：在第一步中，在振动辗压过程中，振动辗传递到被压实土石料的连续压力F为：

F = \max {{- m}_{d} \overset{. .}{z} + m_{u} r_{u} ω^{2} \cos ωt + m_{d} g + m_{f} g, 0},

式中m_d为振动轮的质量；为振动轮的加速度；m_u为振动轮内部偏心块的质量；r_u为偏心块的偏心距；ω为偏心块转动的角频率；m_ur_uω²代表振动辗激振力的大小；m_f为振动辗除振动轮外部框架的重量；g为重力加速度。

3.根据权利要求1所述快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法，其特征在于：在第二步中E_A的计算方法为，由于连续压力F和振动轮的位移Z之间的关系近似为椭圆曲线，则以该椭圆的圆心作为原点，以振动轮的位移Z作为X轴，以连续压力F作为Y轴建立直角坐标系，则F与Z所围成的面积为振动辗传给被压实土石料的有效压实能量E_A，令式中：A为坐标为(z_max,F_max)的点，分别为A点、B点到原点O的线段长度，且与相垂直；根据B的切线斜率和的斜率一致，可得到B的横坐标满足则根据相似三角形的相似特性，一个振动周期内振动辗传给碾压层连续能量E_A可以表示为：

E_{A} = \frac{π}{2} \sqrt{F_{\max}^{2} + z_{\max}^{2}} \cdot \sqrt{1 + \frac{z_{\max}^{2}}{F_{\max}^{2}}} \cdot z_{B} = \frac{{πz}_{B}}{{2 F}_{\max}} (F_{\max}^{2} + z_{\max}^{2}) .

4.根据权利要求1所述快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法，其特征在于：所述压实指标阈值和振动辗的选型方法为：第一步、通过选取某一型号的振动碾碾压土石料，且实时监测计算振动辗有效连续压实能量E_A值；第二步、通过检测该压实的土石料粗粒料的相对密度，细土料的压实度，判断其是否达到满足规定的密实度要求；第三步、振动辗的选型，若满足规定的密实度要求，则该E_A值为该型号的振动碾的压实指标阈值若该被碾压土石料无法满足密实程度要求，说明振动辗的压实功能对于该土石料而言偏小，需选用更大的压实功能的振动辗或者调整振动辗的振动压实参数，再通过上述第一、第二步确定振动辗的压实指标阈值

5.一种基于权利要求1所述的快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法的评价装置，其特征在于：包括振动碾、拾振传感器、计算机人机对话平台、连续压实能量E_A计算单元、压实指标阈值确定单元以及评判单元；所述振动碾用于振动碾压土石料；所述拾振传感器用于测量计算振动碾的振动轮的位移Z；所述计算机人机对话平台用于输入振动碾的振动压实参数，并将该参数传送给连续压实能量E_A计算单元以及压实指标阈值确定单元，同时用于显示评判单元输送的信息；所述连续压实能量E_A计算单元用于根据振动压实参数以及振动轮的位移Z计算连续压实能量E_A值，并传送给评判单元；所述压实指标阈值确定单元用于根据满足规定密实度要求的土石料以及振动压实参数计算出其压实能量并将该压实能量作为评价压实指标的压实指标阈值，并将该压实指标阈值传送给评判单元；所述评判单元用于根据E_A和值进行评判，当E_A小于等于时，所述评判单元向计算机人机对话平台输送碾压层已经密实，停止振动碾压信息。