基于碾压工艺的沥青路面压实度检测方法及振动测试系统

技术领域

本发明涉及路面施工质量监测技术领域，具体而言，涉及一种基于碾压工艺的沥青路面压实度检测方法及振动测试系统。

背景技术

目前，随着对于交通运输行业的重点发展，公路作为交通基础设施重要的组成部分，在满足运输需求中发挥着不可替代的作用。

近年来，由于气候环境的不断变化，交通流量的逐步增大及使用年限的增长，各等级公路的质量问题也不断凸显，尤其是沥青路面过早出现早期破坏，不得不进入养护维修期，导致既增大交通运行压力，又使得工程建设蒙受损失。通过路面情况调查、分析，发现压实度质量是确保路面施工质量的重要指标。

现有技术中，双钢轮振动压路机是公路沥青路面施工中必备的压实工具，因其优异的压实特性，能够在规定时间和温度内将沥青路面快速压实。然而，在后续针对路面压实质量进行检测时，传统的检测方法均是在路面成型一定时间后进行，存在检测样本量小，工作量大，随机性大，时间滞后以及易对成型路面造成较大破坏性等等缺陷，同时缺乏结合路面的实际碾压工艺对路面压实度进行检测的手段，难以有效适应当前交通高质量建设发展的需要。

发明内容

为此，本发明提供了一种基于碾压工艺的沥青路面压实度检测方法及振动测试系统，以解决现有技术中针对路面压实质量在路面成型之后进行事后检测时，存在的检测样本量小，工作量大，随机性大，时间滞后，易对成型路面造成破坏以及缺乏结合路面实际碾压工艺对其压实度检测的手段的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于碾压工艺的沥青路面压实度检测方法，包括如下步骤：

构建振动轮-路面材料二自由度动力学模型；

基于振动压路机的振动轮配置振动加速度测试系统；

根据振动加速度测试系统，配合实地路面试验段的碾压工艺进行实地实时振动加速度信号采集；

针对采集的振动加速度信号数据进行滤波处理与计算分析；

测量实地路面试验段对应其碾压位置的实际压实度，并进一步测得振动加速度有效值与实际压实度的相关关系。

在上述技术方案的基础上，对本发明做如下进一步说明：

作为本发明的进一步方案，所述构建振动轮-路面材料二自由度动力学模型，具体包括：

为研究振动压路机振动参数与所压实沥青材料的内在关系，构建相应振动轮-路面材料二自由度动力学数学模型作为分析基础；

首先将沥青混合料拟定为具有特定标准刚度和阻尼的弹性体，并基于压路机车架外形对压实质量的微小影响，将压路机车架简化为一质量块，且压实过程中始终保持压路机振动轮与沥青路面形成线接触，故拟定构建振动轮-沥青混合料之间二自由度模型，以反映其动态过程；

基于该二自由度模型，得出以下动力学方程组：

式中：

—下车速度(m/s)、加速度(m/s

m

ω—激振频率，rad/s；F

k

将式(1)、(2)联立求解可得：

式中：A

A

C＝(m

D＝K

振动系统无阻尼状态下的一阶、二阶固有频率(角频率)ω

式中：G＝(m

由式(5)可知，当振动压路机的振动频率和振幅不变时，振动轮垂直方向上的振动加速度幅值只与被压实材料的刚度(K)和阻尼(C)相关；

由此得出，在沥青路面施工过程中，随着沥青混合料被不断压实，反馈到振动压路机振动轮上的振动加速度幅值为一随之变化的动态量。

作为本发明的进一步方案，所述基于振动压路机的振动轮配置振动加速度测试系统，具体包括：

将振动加速度测试系统装配固定于振动压路机的振动轴；

在压路机压实作业过程中，其振动轮的位移和振动速度相对较小，但激振力和振动加速度相对较大，因此对于振动加速度测试系统的振动加速度监测阈值最大设置为20g，分辨率设置为0.01g，精度设置为0.5％，更新速率设置为100Hz，以此监测振动加速度关联反映沥青混合料的压实特性。

作为本发明的进一步方案，所述根据振动加速度测试系统，配合实地路面试验段的碾压工艺进行实地实时振动加速度信号采集，具体包括：

基于振动压路机的振动轴装配振动加速度测试系统的振动加速度传感器与速度传感器，利用振动加速度传感器与速度传感器实时监测振动轴的振动加速度，并实时获取振动加速度与沥青混合料被碾压时压实度之间的相关关系。

作为本发明的进一步方案，所述根据振动加速度测试系统，配合实地路面试验段的碾压工艺进行实地实时振动加速度信号采集，具体还包括：

为提升振动加速度信号采集的准确性，将振动加速度传感器与速度传感器粘固于振动压路机未经减振的振动轴的振动马达一侧部；

所述实地路面试验段选取为沥青混合料路面中面层，并对应沥青混合料路面中面层的碾压工艺确定采样频率，并设置测试系统相关参数，使振动压路机保持速度为5km/h匀速作业，依照上述碾压工艺进行振动加速度信号采集。

作为本发明的进一步方案，所述沥青混合料路面中面层对应的碾压工艺为：

双钢轮压路机初压一遍、胶轮压路机揉搓两遍、双钢轮压路机高振幅且低振频碾压两遍、低振幅且高振频碾压两遍、之后再进行收面处理。

作为本发明的进一步方案，所述针对采集的振动加速度信号数据进行滤波处理与计算分析，具体包括：

沥青混合料碾压作业的现场环境相对较为复杂，加之压路机自身其它结构部件的摩擦、摊铺机夯锤的振实以及临近压路机的碾压作业均会对振动加速度测试系统针对压路机振动加速度信号的采集形成干扰；

与此同时，沥青混合料在初始摊铺之后相对疏松，其结构强度与弹性刚度较小，而阻尼相对较大，初压时由于大部分振动能量被吸收，因此仅有小部分振动能量反馈；而随着碾压遍数的增多，骨料间隙逐步减小，沥青混合料逐渐密实，刚度不断增大，阻尼逐渐减小，进而使得振动轮的振动反馈逐步增大；而当沥青混合料达到既定密实程度后，振动压路机偏心装置的不对称性将使其出现跳振现象，使路面出现过碾压状态，获得的加速度信号出现过增大情况；

通过带通滤波器方式对已采集的加速度信号进行滤波处理，即，保留振动频率30～70Hz范围内的信号，阻掉振动频率低于10Hz和高于150Hz的信号；

根据对应振动频率形成的若干振动周期中，通过计算第10～30个周期内的加速度平均值的标准偏差发现，随着周期个数的不断增加，其标准偏差越小，且在第20～22个周期内标准偏差最低，数据的关联程度最好，故选取第10～30个周期的加速度数据平均值作为实测加速度有效值，据此计算最终得到沥青混合料中面层不同碾压遍数下的加速度有效值，请见表1所示：

表1沥青混合料中面层加速度有效值

在双钢轮压路机初压第一遍以及采用低振频和高振幅振动碾压第二、第三遍时，随着压实遍数的增加，路面压实度随之增加，同时相应时间点内的振动加速度有效值变大；而在进行第四、第五遍碾压压实时由于采用了高振频和低振幅，其振动加速度值的平均值降低；由于双钢轮压路机初压回程和第二、第三遍均采用低振频碾压，而第四、第五、第六遍均采用高振频碾压，碾压遍数增加及压路机自身振动频率的变化使对应的振动加速度发生变化。

作为本发明的进一步方案，所述测量实地路面试验段对应其碾压位置的实际压实度，并进一步测得振动加速度有效值与实际压实度的相关关系，具体包括：

通过灌砂法取得实地路面试验段的芯样，测定其密度，并在对应的密度测定点应用核子密度仪进一步测得碾压位置的实际压实度，由此结合计算的振动加速度有效值得到其与实际压实度相关关系。

作为本发明的进一步方案，所述振动加速度有效值与实际压实度的相关关系，请见表2所示：

表2实测加速度有效值与实测压实度对照表

双钢轮压路机初压回程和第二、第三遍均采用低振频碾压，而第四、第五、第六遍均采用高振频碾压，依据表2中数据整合得到：

低频振动下路面压实度与振动加速度有效值关系式表示为：

y＝1.1957x-3.6182 R

高频振动下路面压实度与振动加速度有效值关系式表示为：

y＝0.499x+63.36 R

式中：y为压实度(％)；x为振动加速度有效值(m/s

由此得出，在压路机不同的振动频率下，振动加速度有效值均随着路面压实度的增加而增加，具有良好的正向线性关系，且相关性良好；将其它采样数据代入上述低频振动与高频振动的路面压实度与振动加速度有效值关系式，经验证满足要求，故以上述关系式代表该面层压实度与振动加速度关系。

一种振动测试系统，应用于所述的基于碾压工艺的沥青路面压实度检测方法；所述振动加速度测试系统包括：

加速度传感器、速度传感器、信号调理模块、信号采集卡和VBOX采集仪；

所述加速度传感器和速度传感器分别与所述信号调理模块的输入端之间通过电路相连，所述信号调理模块的输出端与所述信号采集卡的输入端之间通过电路相连，所述信号采集卡的输出端与所述VBOX采集仪之间通过电路相连；

所述VBOX采集仪还分别电接配置有显示器模块、数据存储模块以及图形化处理模块，通过数据存储模块完成数据调取、存储及比对，并基于显示器模块和图形化处理模块实现图形化数据显示。

本发明具有如下有益效果：

1、该检测方法能够针对传统压实度事后检测样本量小、随机性大、且易形成路面破损等不足，以钢轮压路机与沥青混合料为对象，并基于钢轮压路机与沥青混合料作用机理理论分析，构建振动轮-路面材料二自由度动力学模型，并经推导获得路面刚度与压路机振动加速度关系式，同时，以实际碾压工艺为基础，经工程试验、大数据分析与拟合，获得振动加速度有效值与实测压实度间的变化规律，证明了沥青混合料压实度与振动轮加速度存在的正相关关系。

2、该方法对比分析了振动加速度有效值与实测压实度间的变化规律，结合实际碾压工艺，获得了钢轮压路机低频和高频振动作业过程与路面压实度间的线性表达式，且相关系数R2>0.9，线性关系良好，验证了二自由度系统模型的合理性，为实现实时、无损压实度检测提供了重要参考，同时为避免过压、欠压，确保路面压实质量，延长路面使用寿命提供了技术支撑。

3、通过振动测试系统有效实现对沥青混合料碾压过程振动加速度信号的采集，结合大数据分析确定了20个周期的振动加速度有效值计算方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的基于碾压工艺的沥青路面压实度检测方法的整体流程示意图。

图2为本发明实施例提供的基于碾压工艺的沥青路面压实度检测方法中振动轮-路面材料二自由度动力学模型的架构示意图。

图3为本发明实施例提供的振动测试系统的架构示意框图。

图4为本发明实施例提供的基于碾压工艺的沥青路面压实度检测方法中沥青混合料中面层加速度有效值随压实作业进程的变化示意图。

图5为本发明实施例提供的基于碾压工艺的沥青路面压实度检测方法中压实度与低频振动加速度有效值的相关关系示意图。

图6为本发明实施例提供的基于碾压工艺的沥青路面压实度检测方法中压实度与高频振动加速度有效值的相关关系示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本说明书所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1至图6所示，本发明实施例提供了一种基于碾压工艺的沥青路面压实度检测方法，用以针对传统压实度事后检测样本量小、随机性大、且易形成路面破损等不足，以钢轮压路机与沥青混合料为对象，并基于钢轮压路机与沥青混合料作用机理理论分析，构建振动轮-路面材料二自由度动力学模型，并经推导获得路面刚度与压路机振动加速度关系式，同时，以实际碾压工艺为基础，经工程试验、大数据分析与拟合，获得振动加速度有效值与实测压实度间的变化规律，证明沥青混合料压实度与振动轮加速度存在的正相关关系，为实现实时无损进行压实度检测提供了重要参考。具体包括如下步骤：

S1：构建振动轮-路面材料二自由度动力学模型；

具体过程为：在沥青路面振动压实作业时，主要依靠振动压路机振动轮自身的静载荷质量以及振动轮内偏心装置产生的动载荷进行碾压作业，故碾压作业最终质量既与压路机设计结构参数、运行工况、施工条件相关，还与所碾压材料的特性及状态相关。因而为研究振动压路机振动参数与所压实沥青材料的内在关系，构建相应振动轮-路面材料二自由度动力学数学模型作为分析基础；

但是，当前应用的压路机设备，其自由度通常不少于6个，若全部纳入模型中，一方面会使计算量呈几何倍数增加，另一方面会使分析过程过于复杂。此外，各不同自由度与沥青材料特性的系统关联性存在一定的差异，使得多自由度模型状态下并不能有效准确展示碾压过程与被碾压材料之间的动态关系。

基于上述状况，为简化后续计算及分析过程，同时保证其动态关系的准确有效性，首先将沥青混合料拟定为具有特定标准刚度和阻尼的弹性体，并基于压路机车架外形对压实质量的微小影响，将压路机车架简化为一质量块，且压实过程中始终保持压路机振动轮与沥青路面形成线接触，故拟定构建振动轮-沥青混合料之间二自由度模型来反映其动态过程，其质量模型如图2所示。

并基于该质量模型，得出以下动力学方程组：

式中：

—下车速度(m/s)、加速度(m/s

m

ω—激振频率，rad/s；F

k

将式(1)、(2)联立求解可得：

式中：A

A

C＝(m

D＝K

振动系统无阻尼状态下的一阶、二阶固有频率(角频率)ω

式中：G＝(m

由式(5)可知，当振动压路机的振动频率和振幅不变时，振动轮垂直方向上的振动加速度幅值只与被压实材料的刚度(K)和阻尼(C)相关。

由此得出，在沥青路面施工过程中，随着沥青混合料被不断压实，反馈到振动压路机振动轮上的振动加速度幅值为一随之变化的动态量。

S2：基于振动压路机的振动轮配置振动加速度测试系统；

具体过程为：将振动加速度测试系统装配固定于振动压路机的振动轴。

请参考图3，该振动加速度测试系统包括加速度传感器、速度传感器、信号调理模块、信号采集卡和VBOX采集仪；其中，所述加速度传感器和速度传感器分别与所述信号调理模块的输入端之间通过电路相连，所述信号调理模块的输出端与所述信号采集卡的输入端之间通过电路相连，所述信号采集卡的输出端与所述VBOX采集仪之间通过电路相连，用以以此有效完成既定的信号采集电路架构；优选地，所述VBOX采集仪还分别电接配置有显示器模块、数据存储模块以及图形化处理模块，用以进一步通过数据存储模块完成数据调取、存储及比对，并可基于显示器模块实现图形化数据显示。

由于压路机压实作业过程中，其振动轮的位移和振动速度相对较小，但激振力和振动加速度相对较大，因此选择加速度传感器/速度传感器的振动加速度监测阈值最大设置为20g，分辨率设置为0.01g，精度设置为0.5％，更新速率设置为100Hz，以此实现监测振动加速度关联反映沥青混合料的压实特性。

S3：根据振动加速度测试系统，配合实地路面试验段的碾压工艺进行实地实时振动加速度信号采集；

具体过程为：基于振动压路机的振动轴装配振动加速度传感器与速度传感器，利用振动加速度传感器与速度传感器实时监测振动轴的振动加速度，并实时获取振动加速度与沥青混合料被碾压时压实度之间的相关关系。

更为具体的是，为提升振动加速度信号采集的准确性，将振动加速度传感器与速度传感器粘固于振动压路机未经减振的振动轴的振动马达一侧部。

所述实地路面试验段选取为沥青混合料路面中面层，对应的碾压工艺为：双钢轮压路机初压一遍、胶轮压路机揉搓两遍、双钢轮压路机高振幅且低振频碾压两遍、低振幅且高振频碾压两遍、之后再进行收面处理。

确定采样频率，并进行测试系统相关参数设置，使振动压路机保持速度为5km/h进行匀速作业，依照上述碾压工艺进行振动加速度信号采集。

S4：针对采集的振动加速度信号数据进行滤波处理与计算分析；

具体过程为：沥青混合料碾压作业的现场环境相对较为复杂，加之压路机自身其它结构部件的摩擦、摊铺机夯锤的振实以及临近压路机的碾压作业均会对振动加速度测试系统针对压路机振动加速度信号的采集形成干扰。

与此同时，沥青混合料在初始摊铺之后相对疏松，其结构强度与弹性刚度较小，而阻尼相对较大，初压时由于大部分振动能量被吸收，因此仅有小部分振动能量反馈；而随着碾压遍数的增多，骨料间隙逐步减小，沥青混合料逐渐密实，刚度不断增大，阻尼逐渐减小，进而使得振动轮的振动反馈逐步增大；而当沥青混合料达到既定密实程度后，振动压路机偏心装置的不对称性将使其出现跳振现象，使路面出现过碾压状态，获得的加速度信号出现过增大情况。

通过带通滤波器方式对已采集的加速度信号进行滤波处理，即，保留振动频率30～70Hz范围内的信号，阻掉振动频率低于10Hz和高于150Hz的信号。

请参考图4，图4为沥青混合料中面层的加速度有效值随时间变化示意图。根据对应振动频率形成的若干振动周期中，通过计算第10～30个周期内的加速度平均值的标准偏差发现，随着周期个数的不断增加，其标准偏差越小，且在第20～22个周期内标准偏差最低，数据的关联程度最好，故选取第10～30个周期的加速度数据平均值作为实测加速度有效值，据此计算最终得到沥青混合料中面层不同碾压遍数下的加速度有效值，请见表1所示：

表1沥青混合料中面层加速度有效值

由加速度有效值随时间变化示意图图4可以进一步发现：

在同一压实遍数情况下，振动加速度有效值基本处于一条水平线上下浮动，且浮动范围相对较小。此外，在双钢轮压路机初压第一遍以及采用低振频和高振幅振动碾压第二、第三遍时，随着压实遍数的增加，路面压实度随之增加，同时相应时间点内的振动加速度有效值变大。而在进行第四、第五遍碾压压实时由于采用了高振频和低振幅，其振动加速度值的平均值降低。

由于双钢轮压路机初压回程和第二、第三遍均采用低振频碾压，而第四、第五、第六遍均采用高振频碾压，除碾压遍数增加对于振动加速度变化产生影响之外，压路机自身振动频率的变化也会使对应的振动加速度发生变化。

S5：测量实地路面试验段对应其碾压位置的实际压实度，并进一步测得振动加速度有效值与实际压实度的相关关系；

具体过程为：通过灌砂法取得实地路面试验段的芯样，测定其密度，并在对应的密度测定点应用核子密度仪进一步测得碾压位置的实际压实度，由此结合计算的振动加速度有效值得到其与实际压实度相关关系，请见表2所示：

表2实测加速度有效值与实测压实度对照表

此外由于双钢轮压路机初压回程和第二、第三遍均采用低振频碾压，而第四、第五、第六遍均采用高振频碾压，除碾压遍数增加对于振动加速度变化产生影响之外，压路机自身振动频率的变化也会使对应的振动加速度发生变化。

依据表2中的数据获得了如图5、图6所示的碾压作业过程中振动压实度与振动加速度有效值关系图，并参见图5至图6所示数据得到：

低频振动下路面压实度与振动加速度有效值关系式表示为：

y＝1.1957x-3.6182 R

高频振动下路面压实度与振动加速度有效值关系式表示为：

y＝0.499x+63.36 R

式中：y为压实度(％)；x为振动加速度有效值(m/s

由此得出，在压路机不同的振动频率下，振动加速度有效值均随着路面压实度的增加而增加，具有良好的正向线性关系，且相关性良好。将其它采样数据代入上述低频振动与高频振动的路面压实度与振动加速度有效值关系式，经验证满足要求，故以上述关系式代表该面层压实度与振动加速度关系。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。