一种压实度测量方法及路面无损压实度测量装置

技术领域

本发明涉及压实度测量领域，尤其涉及一种压实度测量方法及路面无损压实度测量装置。

背景技术

压实度是指路基材料压实后的密度与标准密度之比，以百分比表示，字母k代表。

路基材料的压实通常依靠现场的压路机来实现，标准密度是指作为指定的最佳配比的路基材料在实验室标准条件下的最大路基材料密度。对于含水率比较敏感的现场土质类路基材料，标准密度是最大干密度。

通常需要在实验室内获得标准密度，具体的获得是：将与现场一致配比的路基材料置于击实筒中，击实筒的筒壁对路基材料形成侧限，即击实筒的筒壁可以限制路基材料受冲击时朝外延展，然后通过直径比击实筒小的多的冲击锤一圈一圈对路基材料进行击实，从而得到击实后的路基材料的体积，再根据路基材料的质量，求得路基材料的标准密度。

路基材料制成的路基的现场密度获得方式如下：在施工现场，在路面上挖取一定截面积的柱形路坑，然后在柱形路坑内填入沙子，沙子摊平后，取出沙子，沙子用于测量柱形路坑的体积，由柱形路坑挖出的路基材料称量得到重量，从而计算出现场路基材料的实际密度，该实际密度与标准密度相比，即得到路基材料的压实度，实际密度越接近标准密度，说明路基的压实效果越好。

由此可见，为了获得现场路基的压实度，需要现场挖坑填沙，以及再收集沙子的工作，工作强度大，测量效率低，还有就是，需要在路面上挖坑操作，这是一种对路面的有损检测，不利于路基的结构稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种路面无损压实度测量装置，以解决现有技术中需要在路面上挖坑、填沙和收沙而导致压实度测量劳动强度大的技术问题；本发明的目的还在于提供一种使用该路面无损压实度测量装置的压实度测量方法。

为解决上述技术问题，本发明中路面无损压实度测量装置的技术方案如下：

路面无损压实度测量装置，包括中心锤和环形锤，中心锤的底部具有用于与路面接触冲击配合的中心冲击部，环形锤底部具有用于与路面接触冲击配合的外围冲击部，外围冲击部为位于中心冲击部外围的环形结构，路面无损压实度测量装置还包括用于驱动中心冲击部、外围冲击部同时冲击所述路面的冲击驱动机构。

进一步的，中心冲击部、外围冲击部均为平面结构。

进一步的，中心冲击部对路面单位面积的冲击力与外围冲击部对路面单位面积的冲击力相同。

进一步的，路面无损压实度测量装置还包括机架，中心锤和环形锤沿上下方向导向移动装配于所述机架上。

进一步的，冲击驱动机构包括与中心锤相连以提升中心锤高度的中心锤高度提升机构，冲击驱动机构还包括与环形锤相连以提升环形锤高度的环形锤高度提升机构。

进一步的，冲击驱动机构包括连接于中心锤上端的中心锤激振器和连接于环形锤上端的环形锤激振器，中心锤激振器的偏心锤转动频率与环形锤激振器的偏心锤转动频率相同。

进一步的，中心锤激振器的偏心锤转动方向与环形锤激振器的偏心锤转动方向相反。

进一步的，冲击驱动机构包括驱动电机，驱动电机的电机轴上连接有第一传动件和第二传动件，第一传动件与其中一个激振器的摆锤转轴相连，第二传动件通过换向压轮后与另外一个激振器的摆锤转轴相连。

进一步的，冲击驱动机构包括驱动电机，驱动电机的动力输出端连接有齿轮箱，齿轮箱具有输出转速相同、转向相反的第一输出端和第二输出端，第一输出端通过第一传动件与其中一个激振器的摆锤转轴相连，第二输出端通过第二传动件与另外一个激振器的摆锤转轴相连。

本发明中一种压实度测量方法的技术方案为：

本发明的有益效果为：该方法的过程为，在冲击驱动机构作用下，中心冲击部、外围冲击部同时对路面接触冲击n次，n为正整数，中心冲击部正下侧的路面产生x高度的变形量，则被检路面的压实度k=100(X-x)/X，式中X表示路面没有被中心冲击部冲击前的路面厚度。

其中n通过以下两种方式获得：

第一种，当中心冲击部第n次路面时，路面产生的沉降位移为0.1X；

第二种，将与被检路面相同的路基材料置于击实筒内，通过冲击锤对击实筒内的路基材料进行击实，冲击锤第m次冲击路基材料时，路基材料不能再继续被压缩，记录冲击锤第m-1次冲击时，路基材料的压缩位移为L，中心冲击部第n次冲击路面时，路面的压缩位移为L。

本发明的有益效果为：本发明中路面无损压实度测量装置在使用时，不需开挖路面，而是直接将路面无损压实度测量装置放置于路面上，中心冲击部和外围冲击部同时冲击路面，由于外围冲击部的冲击，可以使得中心冲击部冲击路面时，中心冲击部下侧的路基材料层外围形成一定的侧限，侧限是指避免中心击实部下侧的路基材料层在冲击时产生外延（外延会导致相应的路基材料层的重量发生变化），保证中心冲击部下侧的路基材料层尽量只是竖向变形，从而保证测量结果，测量中心冲击部下侧路基材料层的高度变化就可以测量出被检路面的压实度，不需要挖坑、填沙和挖沙操作，测量过程简单，且对路面是一种无损操作，不会影响路面的结构性能。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应地标号表示相同或对应地部分，其中：

图1是本发明中路面无损压实度测量装置的实施例1的结构示意图；

图2是图1中中心锤、环形锤提升后的状态示意图；

图3是图2中中心锤、环形锤下移对路面进行同时冲击的状态示意图；

图4是单独中心锤冲击路面时的应力分布图；

图5是单独环形锤冲击路面时的应力分布图；

图6是中心锤、环形锤同时冲击路面时的应力分布图；

图7是本发明中中心锤与击实筒的配合示意图；

图8是本发明中路面无损压实度测量装置的实施例2的结构示意图；

图9是图8的工作状态示意图；

图10是图8中中心锤激振器的结构示意图；

图11是图10的侧视图；

图12是本发明中无损压实度测量装置的实施例3中冲击驱动机构的结构示意图；

图13是图12的俯视图；

图14是本发明中无损压实度测量装置的实施例4中冲击驱动机构的结构示意图；

图15是图14的俯视图；

图16是本发明中无损压实度测量装置的实施例5中冲击驱动机构的结构示意图；

图17是图16的俯视图；

附图标记说明：1、第一传动带；2、第二传动带；3、传动轮；4、导向柱；5、第一拉杆；6、第二拉杆；7、机架；8、中心锤；9、路面；10、环形锤；11、机架底座；12、外围冲击部；13、中心冲击部；14、中心锤法兰；15、环形锤法兰；16、路基；17、第一应力区域；18、第二应力区域；19、第三应力区域；20、击实筒；21、冲击锤；22、环形锤激振器；23、中心锤激振器；24、侧壁穿孔；25、驱动电机；26、偏心锤；27、第一传动件；28、第二传动件；29、同步传动轴；30、换向压轮；31、支撑；32、齿轮箱；

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。

本发明中路面无损压实度测量装置的实施例1如图1~7所示：包括机架7、中心锤8和环形锤10，机架包括机架底座11、机架顶座和设置于机架底座、机架顶座之间的四个竖向布置的导向柱4。

环形锤套设于中心锤的外围，中心锤的上端设置有中心锤法兰14，环形锤的上端设置有环形锤法兰15，中心锤法兰位于环形锤法兰的上侧，中心锤法兰沿上下方向导向移动装配于导向柱上，环形锤法兰沿上下方向导向移动装配于导向柱上。

中心锤的底部具有用于与路面9接触冲击配合的中心冲击部13，环形锤的底部具有用于与路面接触冲击配合的外围冲击部12，外围冲击部为位于中心冲击部外围的环形结构，在本实施例中，中心冲击部、外围冲击部均为水平设置的平面结构。中心冲击部与外围冲击部之间的间距为0~3.5cm。

中心冲击部对路面单位面积的冲击力与外围冲击部对路面单位面积的冲击力相同，具体操作时，可以通过中心锤的重量与环形锤的重量相同，中心冲击部、外围冲击部的表面积相同，且中心锤、环形锤的提升高度相同来实现。

路面无损压实度测量装置还包括用于驱动中心冲击部、外围冲击部同时冲击路面的冲击驱动机构。冲击驱动机构包括与中心锤相连以提升中心锤高度的中心锤高度提升机构，冲击驱动机构还包括与环形锤相连以提升环形锤高度的环形锤高度提升机构。环形锤高度提升机构包括第一传动带1（或第一传动链条），第一传动带为齿形同步带，第一传动带的上下两端缠绕于对应的传动轮上，其中位置靠上的传动轮由第一电机驱动，第一传动带通过第一拉杆5与环形锤相连，使用时，第一电机驱动第一传动带转动，第一传动带通过第一拉杆提升环形锤的高度，当到达指定高度时，断开第一电机与第一传动带之间的传动，环形锤自由落体，冲击路面；中心锤高度提升机构与环形锤高度提升机构类似，包括第二电机和由第二电机驱动的第二传动带2，第二传动带2通过第二拉杆6与中心锤相连。

使用时，冲击驱动机构将中心锤和环形锤提高至同一高度，然后中心锤、环形锤自由落体，实现对路面的同时冲击。

图中项16表示路基材料层，项19表示路面，使用时，将中心锤和环形锤提升至同一个高度，中心锤和环形锤自由落体运动，中心锤的中心冲击部撞击到路面的同时，环形锤的外围冲击部也撞击到路面。

中心锤会使得路面产生一个中心凹坑，环形锤会使得路面产生一个环形凹坑，中心凹坑的深度会小于环形凹坑的深度，这是因为，如图4~6所示，当仅使用中心锤冲击路面时，中心锤下侧的路基材料16会产生一个梨形的第一应力区域17，也就是说中心锤下侧的路基材料层会往外延，在受到中心锤冲击时，中心锤下侧的路基材料层不仅被轴向压缩，也会沿径向向外扩散，此时中心锤正下侧的路基材料层不仅体积发生变化，重量也会发生变化；当仅有环形锤冲击路面时，在环形锤的下侧会产生一个环状的第二应力区域18；而对于本发明中，中心锤和环形锤同时冲击路面，环形锤对路基材料层产生第二应力区域，该第二应力区域对中心的路基材料层形成一定的挤压力，该挤压力可限制中心锤正下侧的路基材料层向外延展，该挤压力就像实验室获得标准密度的容器壁一样，限制中心锤正下侧的路基材料层受挤压时向外延，保证中心锤8正下侧的路基材料只发生体积变化，而质量不发生变化，为密度计算提供准确依据。而对于环形锤而言，环形锤冲击路面时，环形锤正下侧的路基材料层会发生外延，因此中心凹坑的深度基本上会小于环形凹坑的深度。

因此当中心锤、环形锤同时冲击路面时，受环形锤的侧限作用，中心锤下侧的路基材料层的受力区域为第三应力区域19，第三应力区域近似为圆柱形，保证中心锤正下侧的路基材料层受冲击时不外延。

中心接触部与路面的接触面积为S，中心锤正下侧的路基材料层的重量为m，路基材料没有被中心锤冲击前的厚度为X。

为了得到原位最大密度，就是标准密度，受中心锤冲击，路面产生的沉降位移为x，由于本发明中环形锤的存在，中心锤冲击前后，中心锤正下侧的路基材料层的质量是相同的。

则被检路面的实测密度也称原位实测密度：ρ=m/（S*X)

标准密度也称原位标准密度：ρc=m/[S*(X-x)]

压实度也称原位压实度：k=（ρ/ρc）*100=100(X-x)/X （公式一）

在上述公式中X为已知值，x为测量值，因此什么时候开始测量x比较关键，假设有这么一次操作，只经过一次冲击过程，它就达到标准密度的最后一次击实，产生了最小末次击实沉降位移∆x，贡献的压实度为∆k。

通常情况下，压实度的精度为0.1mm，就是希望压实度具有0.1mm这个细分的产生能力。

假设路基材料层没有受冲击时的厚度X=200mm，在检测时只需要一次击实就可以达到标准密度。压实度的分度值为0.1，最后一次的击实只产生一个分度值的压实度变化，对应的最后一次击实的沉降位移叫最小单击实沉降位移∆x。

由公式一得到：

∆k=100∆x/X

其中：X=200mm、∆k=0.1。

则有：∆x=∆kX/100=0.2mm

就是说：当末次击实沉降位移出现小于0.2mm时，视为达到原位标准密度，是停止击实一种标志。

具体到本实施例中，中心锤冲击路面n次，n为正整数，当第n次冲击时，中心锤下侧的路面沉降值为0.1X，则停止冲击，此时将获得标准密度，从开始冲击到冲击结束，中心锤整正下侧的路面沉降位移为x。

而中心锤冲击路面，路面每次的沉降值可以通过以下方式测量得到：1、每次冲击路面后，移开中心锤和环形锤，测量中心凹坑的深度；2、中心锤每次提升到相同高度，检测中心锤每次的下落高度，通过高度差值来计算。

上述n的获得还可以通过以下方式：将与被检路面相同的路基材料16置于击实筒20内，如图7所示，该路基材料是指沙石、混凝土的混合料，没有被压路机压实过。通过冲击锤21对路基材料冲击，冲击锤的直径与击实筒直径匹配，冲击锤的重量与中心锤的重量相同，冲击锤每次的撞击高度与中心锤每次的撞击高度相同，通过冲击锤对击实筒内的路基材料进行击实，当路基材料不能再继续被压缩，说明路基材料达到标准密度，记录冲击锤第m-1次冲击时，路基材料的压缩位移为L，中心锤第n次冲击路面时，路面的压缩位移为L时，说明路面的压缩量也达到最大，不能再被继续压缩，此时中心锤下侧的路面达到标准密度。

在本发明的其它实施例中，第一拉杆、第二拉杆还可以被相应的拉绳代替，当采用拉绳提升对应的中心锤和环形锤时，冲击驱动机构可以是卷扬机，拉绳的上端缠绕于对应的卷扬机上；中心冲击部、外围冲击部之间的径向距离还可以是0cm、0.1cm、1cm、2cm或者3.5cm，0~3.5cm之间的其它值或之外的数值，当然也可以通过驱动缸或电动推杆来提升中心锤和环形锤的高度，提升至一定高度后，松开驱动缸或电动推杆与对应锤的连接，中心锤和环形锤自由落体即可。

路面无损压实度测量装置的实施例2如图8~11所示：

实施例2与实施例1不同的是，本实施例中的冲击驱动机构与实施例1中的冲击驱动机构不同，冲击驱动机构包括连接于中心锤上端的中心锤激振器23和连接于环形锤上端的环形锤激振器22，中心锤激振器、环形锤激振器的结构相同，现仅对中心锤激振器进行具体的结构介绍，中心锤激振器包括驱动电机25，驱动电机的电机轴上连接有偏心锤26。通过控制装置使得中心锤激振器的偏心锤转动频率与环形锤激振器的偏心锤转动频率相同，中心锤激振器的偏心锤转动方向与环形锤激振器的偏心锤转动方向相反。

这样当中心锤激振器的偏心锤处于正下侧时，环形锤激振器的偏心锤也处于正下侧，保证中心锤、环形锤同时对地面进行冲击。同时由于中心锤、环形锤的转动方向相反，可以保证机架受力的稳定性。

为了给中心锤激振器23留出安装空间，环形锤法兰位于中心锤激振器的上侧，环形锤法兰、中心锤法兰均为长度沿左右方向延伸的长方形结构，环形锤的侧壁上开设有供实心锤法兰穿过的侧壁穿孔24。

本实施例中不需要提升中心锤和环形锤的高度，因此中心冲击部和外围冲击部始终与路面接触。

无损压实度测量装置的实施例3如图12~13所示：

实施例3与实施例2不同的是，本实施例中，实心锤激振器23、环形锤激振22通过机械传动的方式来实现同步，具体的冲击驱动机构还包括同步传动轴29，同步传动轴29通过第一传动件27与环形锤激振器的转轴相连，同步传动轴29通过第二传动件与实心锤激振器23的转轴相连，第一传动件、第二传动件可以为同步带或链条。

无损压实度测量装置的实施例4如图14~15所示：

实施例4与实施例3不同的是，在本实施例中，实心锤激振器23和环形锤激振器22均不包含电机，实心锤激振器、环形锤激振器包括支撑31，支撑上转动装配有摆锤转轴，摆锤转轴上固定有摆锤26和摆锤传动轮，冲击驱动机构包括驱动电机25，驱动电机的电机轴上连接有第一传动件27和第二传动件28，第一传动件与其中一个激振器的摆锤转轴相连，第二传动件通过换向压轮后与另外一个激振器的摆锤转轴相连，以此实现两个摆锤的同频率、不同向转动。具体的，第一传动件、第二传动件与摆锤转轴上对应的摆锤传动轮传动连接。

无损压实度测量装置的实施例5如图16~17所示：

实施例5与实施例4不同的是：驱动电机25的动力输出端连接有齿轮箱32，齿轮箱具有输出转速相同、转向相反的第一输出端和第二输出端，第一输出端通过第一传动件27与其中一个激振器的摆锤转轴相连，第二输出端通过第二传动件28与另外一个激振器的摆锤转轴相连。

一种压实度测量方法的实施例如图1~17所示：

该方法的过程为，在无损压实度测量装置的冲击驱动机构作用下，中心冲击部、外围冲击部同时对路面接触冲击n次，n为正整数，中心冲击部正下侧的路面产生x高度的变形量，则被检路面的压实度k=100(X-x)/X，式中X表示路面没有被中心冲击部冲击前的路面厚度。无损压实度测量装置的具体结构与上述各无损压实度测量装置实施例中所述的无损压实度测量装置相同，在此不再详述。

其中n通过以下两种方式获得：

第一种，当中心冲击部第n次路面时，路面产生的沉降位移为0.1X；

第二种，将与被检路面相同的路基材料置于击实筒内，通过冲击锤对击实筒内的路基材料进行击实，冲击锤第m次冲击路基材料时，路基材料不能再继续被压缩，记录冲击锤第m-1次冲击时，路基材料的压缩位移为L，中心冲击部第n次冲击路面时，路面的压缩位移为L。

在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”、“中心”、“纵向”、“横向”、“顺时针”或“逆时针”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本发明的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本发明方案的限制。

另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。