基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法，包括以下步骤：采用加速度传感器接收反射的P波传播回振动轮所产生的土体共振信号；对接收到的土体共振信号进行滤波；对滤波后的频率区间进行快速傅里叶变换，得到加速度时程信号的频谱图，此频谱图的基频即为土体共振频率fp；运用公式Vp＝4H·fp计算反射的P波波速Vp；将得到的土体共振频率fp和反射的P波波速Vp，与现场碾压后通过试坑检测得到的土体干密度ρd建立回归关系f(Vp)～ρd，根据各土体达到压实标准所要求的干密度ρdc，计算得到Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc，并应用于现场控制。本发明专利技术对堆石坝压实质量进行全仓面自动实时检测，检测速度快，检测结果准确。

Quality Control Method of Rockfill Dam Compaction Based on Soil Resonance Frequency

【技术实现步骤摘要】
基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法
本专利技术涉及堆石坝压实质量检测和控制领域，特别是一种基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法。
技术介绍
目前用于堆石坝粗粒料的压实质量常规检测手段主要为试坑检测法，该方法存在抽样随机、处理滞后、操作繁杂等缺陷。1)抽样随机。堆石坝的粗粒料填筑区一般都存在填料不均匀的情况，常规抽样方法仅能得到抽样点的检验结果，很难反映坝面压实的整体均匀性。2)处理滞后。常规检测法往往在碾压作业结束后进行，属于结果控制，发现问题需返工，不能实时进行处理，发现个别抽样点不满足要求时，很难界定再次碾压的准确范围，容易造成其它合格区域的过压现象，对压实质量的整体控制反而不利。3)操作繁杂。抽样检测过程较为繁杂，需要借助人力和其他工具，耗时费力，加载占用重型设备，容易给施工过程带来干扰，且会对已压仓面造成破坏。可见，常规检测方法不能满足当代堆石坝机械化施工的质量管理要求，国内外对压实质量检测技术的研究在道路工程领域开展的较早，于20世纪80年代左右提出了连续压实控制CCC(ContinuousCompactionControl)的理念，并在此理念的基础上形成了ACT(AdvancedCompactionTechnology)检测技术。该技术是基于使用的集成压实计，将滚筒作为一个动态加载对象，利用微处理器对输出信号进行实时分析得到检测结果。ACT检测技术的关键之一就是碾压质量控制指标的选取，国内外分别提出和改进了不同的监控指标，主要分为以下三类：1)谐波比指标。瑞典的Geodynamik公司与Dynapac公司采用碾压振动加速度频域分析的二次谐波分量幅值与基频幅值的比值CMV(CompactionMeterValue)作为反应坝料压实质量情况的监测指标，验证了CMV与地基反力和碾压土体物理特性密切相关；Sakai公司采用计算方法与CMV相似，但将加速度信号的0.5、1、1.5、2、2.5和3次谐波分量均计算在内的CCV(CompactionControlValue)作为压实度检测系统的监控指标；Rinehart和Mooney提出了总谐波失真THD(TotalHarmonicDistortion)是评价土料压实状态的高敏感性指标，THD越大，土体刚度越大，土层越坚硬；天津大学钟登华、刘东海和崔博等人提出了以实时监测的压实监测值CV(CompactionValue)作为土石坝心墙料压实状态的表征指标，建立了CV与相关碾压参数的多元回归模型，研发了土石坝压实状态实时监测仪。2)振动轮-土体动力学模型衍生指标。Caterpillar公司采用碾压净功率指标MDP(MachineDrivePower)来表征碾轮滚动阻力，进而判断土体硬度，在公路交通方面得到广泛运用；瑞士Ammann公司的Anderegg等人采用KS(SoilStiffness)来表征土体刚度，验证了KS与土体刚性之间具有较强的相关关系；德国的Bomag公司由力学模型确定的软件算法计算出材料的动态模量Evib，来表征土体的压实状况，并进行了相关应用试验与推广；西南交通大学徐光辉等人采用动力学路基结构反力指标振动压实值VCV(VibratoryCompactionValue)，在路基连续压实质量检测中取得了良好的试验效果。3)加速度峰值指标。同济大学凌建明等人在花岗岩残积路基料上的试验表明加速度峰值AA(AccelerationAmplitude)与路基的压实程度存在一定的相关性。由以上研究内容可见，目前在压实质量检测
，国内外的检测方法以及仪器主要集中于道路工程方面，由于堆石坝粗粒料的压实特性与道路工程中土料(尤其是黏土料)的压实特性有很大的区别，故相关指标不能直接作为大坝堆石料连续质量控制的表征指标。国内天津大学研究出的土石坝填筑碾压实时监控系统可对行车速度、碾压遍数、激振力状态、压实厚度等碾压参数进行实时监控，已在国内多个土石坝工程上进行应用，但由于其检测的为碾压参数，并没有对土体实际的压实质量进行检测，因此在堆石料压实质量实时检测方面仍需进行进一步研究。现有的堆石坝坝料压实质量检测指标主要为Geodynamik公司提出的CMV，以及国内天津大学提出的CV，此方法均为用加速度二次谐波分量幅值与基频幅值的比值(谐波比)作为反应坝料压实质量情况的监测指标，又称谐波比值法。表1是Geodynamik公司通过实际应用提出的在不同典型土壤压实状态下CMV的统计值。表1不同典型土壤压实状态下的统计值土体形态CMV块石类60～100砾石类30～80沙土类20～50粘土类5～30总的来说，现有技术主要存在以下不足：1、检测指标本身的物理意义不够明确，在堆石坝压实质量检测中振动轮的加速度信号并不只是存在二次谐波，未考虑高次谐波的影响；2、对不同碾压区域的适应性不好，特别是在堆石料等粗粒料上表现不佳；3、检测指标反映的为振动轮和土体碾压系统的振动状态，未能单纯反映土体的振动和压实状况。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法，通过分析碾压过程中土体共振信号，对堆石坝粗粒料的压实质量进行全仓面自动实时检测，不再需要在碾压区域抽样选取检测点，解决传统方法的抽样不均匀、处理不及时、检测过程繁杂的问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法，包括以下步骤：步骤1：采用加速度传感器接收反射的P波传播回振动轮所产生的土体共振信号，所述反射的P波经未压实的松软土层和压实的密实土层交界面反射；步骤2：对接收到的土体共振信号进行滤波，消除干扰信号，包括噪声信号和振动轮激振信号；步骤3：对滤波后的频率区间进行快速傅里叶变换，得到加速度时程信号的频谱图，此频谱图的基频即为土体共振频率fp；步骤4：运用公式Vp＝4H·fp计算反射的P波波速Vp，式中，Vp为土体内反射的P波波速度，m/s；fp为土体共振频率，Hz；H为土体铺层厚度，m；步骤5：将得到的土体共振频率fp和反射的P波波速Vp，与现场碾压后通过试坑检测得到的土体干密度ρd建立回归关系f(Vp)～ρd，根据各土体达到压实标准所要求的干密度ρdc，计算得到Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc，将控制值Vpc和Nc应用于现场控制。进一步的，所述步骤2中，采用FIR滤波器进行滤波。进一步的，所述步骤2中，在滤波之后，还包括以下步骤：在振碾开始之前，基于土体类型、初始密度和铺层厚度，估算反射的P波波速Vp和土体共振频率fp所在区间；并根据碾压试验时得到的f(Vp)～ρd回归关系，计算反射的P波波速Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc；进行第一次静碾，识别土体共振频率fp，观察土体共振频率fp是否与噪声区间重叠；如果没有，则滤波后的区间没有受到噪声信号的干扰，土体共振频率fp识别正确，直接进行Nc遍振动碾压；如果有重叠，则进行以下步骤；进行前半程振碾，然后进行第二次静碾，根据静碾的振动信号确认噪声所在区间，进而去除前半程的振动信号中的噪声干扰，准确识别土体共振频率fp；进行后半程振碾，观察反射的P波波速Vp是否达到Vpc值，达到之后，补充进行第三次静碾，根据静碾的信号识别土体共振频率fp并计算反射的P波波速Vp，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用加速度传感器接收反射的P波传播回振动轮所产生的土体共振信号，所述反射的P波经未压实的松软土层和压实的密实土层交界面反射；步骤2：对接收到的土体共振信号进行滤波，消除干扰信号，包括噪声信号和振动轮激振信号；步骤3：对滤波后的频率区间进行快速傅里叶变换，得到加速度时程信号的频谱图，此频谱图的基频即为土体共振频率fp；步骤4：运用公式Vp＝4H·fp计算反射的P波波速Vp，式中，Vp为土体内反射的P波波速度，m/s；fp为土体共振频率，Hz；H为土体铺层厚度，m；步骤5：将得到的土体共振频率fp和反射的P波波速Vp，与现场碾压后通过试坑检测得到的土体干密度ρd建立回归关系f(Vp)～ρd，根据各土体达到压实标准所要求的干密度ρdc，计算得到Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc，将控制值Vpc和Nc应用于现场控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用加速度传感器接收反射的P波传播回振动轮所产生的土体共振信号，所述反射的P波经未压实的松软土层和压实的密实土层交界面反射；步骤2：对接收到的土体共振信号进行滤波，消除干扰信号，包括噪声信号和振动轮激振信号；步骤3：对滤波后的频率区间进行快速傅里叶变换，得到加速度时程信号的频谱图，此频谱图的基频即为土体共振频率fp；步骤4：运用公式Vp＝4H·fp计算反射的P波波速Vp，式中，Vp为土体内反射的P波波速度，m/s；fp为土体共振频率，Hz；H为土体铺层厚度，m；步骤5：将得到的土体共振频率fp和反射的P波波速Vp，与现场碾压后通过试坑检测得到的土体干密度ρd建立回归关系f(Vp)～ρd，根据各土体达到压实标准所要求的干密度ρdc，计算得到Vp和振碾遍数N的控制值Vpc和Nc，将控制值Vpc和Nc应用于现场控制。2.如权利要求1所述的基于土体共振频率的堆石坝压实质量控制方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：华天波，李洪涛，杨朝晖，杨兴国，姚强，黄鹤程，吴高见，樊鹏，肖雨莲，关富僳，罗登泽，
申请(专利权)人：四川大学，中国水利水电第五工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51