采用加速度传感器来提高便携式弯沉仪H-FWD测试精度的方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200510021852.X

申请日:

2005.10.10

公开号:

CN1869341A

公开日:

2006.11.29

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效|||公开

IPC分类号:

E02D33/00(2006.01); E01C23/01(2006.01); G01N3/34(2006.01)

主分类号:

E02D33/00

申请人:

四川升拓检测技术有限责任公司;

发明人:

吴佳晔; 吴曾炜

地址:

643000四川省自贡市汇东路东段泰丰大厦2区520室

优先权:

专利代理机构:

代理人:

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内容摘要

在填土的施工和道路的铺修中,检测地基材料和铺装的变形特性(刚性)是重要的测定项目。传统的平板载荷实验,CBR试验等不仅需要反力设备,且耗时长,费用高。近年来,以便携式弯沉仪(H-FWD)为代表的动载荷方法备受关注。本发明是一种采用加速度传感器来提高H-FWD测试精度的方法(改良型便携式弯沉仪,简称EH-FWD),用于测试地基,铺装的质量和刚性。摘要附图所示的是EH-FWD的结构图,它对现有的便携式H-FWD做了较大的改进,可大大提高测试精度。通过详细的阐述可以说明:在检测地基材料和铺装的变形特性(刚性)时,它能够快速、准确的测试。针对现有动载荷设备的缺陷,本发明通过对垫板惯性力的修正,提高了其测试精度。

权利要求书

权利要求书

本发明是一种采用加速度传感器来提高H-FWD(便携式弯沉仪)测试精度的方法。其特征是:在H-FWD的垫板上,安装加速度传感器来代替现有的传感器和量力环。通过解析冲击力及垫板的沉降量,修正以前方法下垫板产生的惯性力,从而提高了H-FWD的测试精度。

说明书

采用加速度传感器来提高便携式弯沉仪(H-FWD)测试精度的方法
在填土的施工和道路的铺修中,其刚性(变形特性)是重要的测定项目。传统的平板载荷实验,CBR试验等方法不仅需要反力设备,且耗时长,费用高。近年来,以便携式弯沉仪(H-FWD)为代表的动载荷方法备受关注(图2所示的是便携式H-FWD的概念)。H-FWD通过人力或载体运送,由人力或简易的装置举起重锤,产生冲击荷重。通过测定发生的冲击负荷和载荷点正下面的弯曲量(沉降量),可以推定地基和铺修的刚性。
本发明是一种采用加速度传感器来提高H-FWD测试精度的方法(改良型便携式弯沉仪,简称EH-FWD),用于测试地基,铺装的质量和刚性。它对现有的便携式H-FWD在结构上做了较大的改进,可大大提高测试精度。
                现有便携式H-FWD的试验过程
(1)清除地基表面松散的材料,使其表面尽可能的平滑。
(2)设置便携式H-FWD在地基的测试位置上。
(3)球从设定的高度自由落下,这时记录最大荷重Pi和载荷中央的最大沉降量δi
(4)对每个测点设置3个或3个以上的下落高度。
(5)从低到高的顺序进行测试。
(6)在相同的高度自由下落5次或5次以上。
上述过程可以得到同一高度下,最大载荷和沉降量的平均值,由载荷压强P和沉降量δ求得地基系数KFWD
【式1】 K FWD = P δ ]]>
                         发明解决的问题
在现有的便携式弯沉仪的测试过程中,存在着较大的缺陷。下述分析表明,用量力环测试的冲击力P与对地基实际的冲击力PS之间,存在着一定的误差,并对测试精度产生较大的影响。
1.重锤、垫板和地基之间力的关系见图3(与冲击力相比,自重被忽略)。由垫板对地基的冲击力为FPS,可得:
【式2】FPS(t)=FHP(t)-M2a2(t)
【式3】FHP(t):球和垫板之间的冲击力。
【式4】M2a2(t):垫板的惯性力。M2和a2(t)分别是垫板的质量和加速度
2.在静载荷试验中,垫板的加速度a2(t)的值趋于零,因此M2a2(t)垫板的惯性力可忽略,即有:
【式5】FPS(t)=FHP(t):即量力环测试的力和对地基的压缩力相等。
而在动载荷试验中,垫板的加速度a2(t)的值不趋于零,M2a2(t)垫板的惯性力不可忽略,在这种情况下:
【式6】FPS(t)≠FHP(t):可以说,量力环测试的冲击力和实际传到地基上的冲击力之间有不可忽略的误差产生。
3.因此要准确测试地基的变形特性,必须要修正垫板的惯性力。但是,在现有H-FWD中,由于采用沉降仪来测试垫板的沉降量而没有测试垫板的加速度a2(t),所以无法修正垫板的惯性力。
                        问题解决的方法
为了解决上述的问题,本发明提供了垫板的惯性力的修正方法。其原理在于用加速度传感器来代替现有测试技术中的沉降仪和量力环。
1.垫板惯性力的修正:
(1)通过设置在垫板上的加速度传感器来测试垫板的加速度a2(t)(见图1)。
(2)将测试的加速度a2(t)乘以垫板的质量M2,即可简单地得出垫板的惯性力M2a2(t)并加以修正。
2.球和垫板之间的冲击力的计算
(1)通过在内藏在球体内的加速度传感器来测试球体的加速度a1(t)(2)根据牛顿第3定律,FHP(t)(球和垫板的冲击力)与球所受的冲击力大
小相等,方向(符号)相反,即
【式7】FHP(t)=-M1a1(t)
M1、a1(t)分别是球体(内藏加速度传感器)的质量和加速度。
3.垫板沉降量δ的计算
在此,通过对测试的加速度a2(t)进行数值积分的方法来计算垫板的沉降量δ
(1)用t时刻的加速度a2(t)和t+Δt时刻地加速度a2(t+Δt)来求得t+Δt时刻垫板的沉降量δP,t+Δt
【式8】 δ p , t + Δt = δ p , t + v t Δt + [ a 2 ( t ) 3 + a 2 ( t + Δt ) 6 ] Δ t 2 ]]>
其中,vt是t时刻垫板的速度。并可以得到:
【式9】 v t + Δt = v t + Δt 2 [ a 2 ( t ) + a 2 ( t + Δt ) ] ]]>
(2)初始时刻(t=0),垫板的沉降量和速度为零,通过式8和式9,可计算各时刻垫板的沉降量。当然当垫板刚性远远大于地基的刚性时,垫板的沉降量δP和地基的沉降量δ大体相等。
(3)需要注意的是,在实际的积分处理时,由于加速度传感器和电荷放大器的不稳定性(特别是压缩和拉伸的差异),会发生微小的摇动,偏离。因此,将测试的加速度信号积分转换成速度信号时,其基线会随时间而漂移而产生误差。其结果是在实际上震动已停止的时候,计算出的速度却仍在继续,故需要对它们进行修正。
4.解决这个问题必须对测量的加速度加以修正。
(1)令位移,速度和加速度修正值为t,其定义如下:
【式10】t=at-(β01t)
【式11】 v ^ t = v t - ( β 0 t + 1 2 β 1 t 2 ) ]]>
【式12】 δ ^ t = δ t - ( 1 2 β 0 t 2 + 1 6 β 1 t 3 ) ]]>
(2)此处,引入两个条件:
①校正了的加速度积分后速度的值在结束时为零。
②修正了的加速度积分的沉降过程,与修正前的沉降过程最相似(最小平方和为最小)。
(3)通过计算,可以得到修正系数β1和β0
【式13】 β 1 = 28 13 · 1 T 2 [ 2 v T - 15 T 5 ∫ 0 T δ t ( 3 T t 2 - 2 t 3 ) dt ] ]]>
【式14】 β 0 v T - β 1 T 2 / 2 T ]]>
(4)用这个修正系数β1和β0即可修正计算加速度和积分后的沉降量。
至此,求取地基的变形指标所需的各项指标(沉降量δ,冲击力FPS(t)=FHP(t)-M2a2(t))均可求得。
5.同时,由于省略了量力环,垫板的构造也大大简化。
6.综上所述,本发明与传统的方法相比有如下的特点:
(1)修正垫板的惯性力:对垫板受到冲击力时产生的惯性力加以修正,提高便携式FWD的测试精度。
(2)简化结构:本发明在球和垫板各安装上加速度传感器来取代量力环。
                        发明实施的形态
本发明是测试地基,铺装的刚性的方法,试验顺序如下:
(1)清除地基表面松散的材料,使其表面尽可能的平滑。
(2)设置本设备(EH-FWD)到地基的测试位置。
(3)球从所设高度自由落下,这时球和垫板各时刻的加速度被测量。
(4)测量的加速度由式10~14进行校正。
(5)用校正了的加速度,可通过式7~9,求得各时刻荷重P(t)和沉降量δ(t)。
(6)改变球的下落高度(设置3个或3个以上的不同高度),而同一高度球落下5次或以上。
虽然利用各次测试的荷重P(t)和沉降量δ(t)可以直接求出地基系数KFWD,但是为了降低测试的固有误差,最好是用各次测试的最大荷重和最大沉降量回归求得地基系数(参照图4)。
为了采集冲击过程的各种信息,我们开发了信号采取·处理系统。系统具有降低噪音的处理机能。测试、解析的流程图,如图6所示。
                         试验的例子
通过现场试验验证本发明系统:调整下落高度,记录冲击过程。图5所示是测试波形的例子。图中,Ch0是埋在球内的传感器测试加速度的信号,Ch1是固定在垫板上传感器测试加速度的信号。
1.用各次测试的最大荷重和最大沉降量来回归地基系数。如图4所示。
2.根据这些验证试验的结果及后来的分析,可知:
(1)开发的测试系统在实践中是可行的。
(2)测试的地基系数也是合理的。
                           发明的效果
通过以上详细阐述说明,在检测地基材料和铺装的变形特性(刚性)时,本发明能够快速、准确的进行测试,并对于现有动载荷设备的缺陷,通过对垫板惯性力的修正,提高了其测试精度。
附图的简要说明:
图1:由本发明采用加速度传感器来提高便携式弯沉仪(H-FWD)测试精度的方法设计的小型FWD结构概要(EH-FWD结构图)
图2:原H-FWD结构概要
图3:垫板受力情况
图4:解析图形输出的例子
图5:测试加速度信号的例子
图6:测试、解析的流程图

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在填土的施工和道路的铺修中,检测地基材料和铺装的变形特性(刚性)是重要的测定项目。传统的平板载荷实验,CBR试验等不仅需要反力设备,且耗时长,费用高。近年来,以便携式弯沉仪(HFWD)为代表的动载荷方法备受关注。本发明是一种采用加速度传感器来提高HFWD测试精度的方法(改良型便携式弯沉仪,简称EHFWD),用于测试地基,铺装的质量和刚性。摘要附图所示的是EHFWD的结构图,它对现有的便携式HFWD。

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