[发明专利]基于土体刚度的堆石坝料压实质量检测方法

权利要求书

1.一种基于土体刚度的堆石坝料压实质量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立土体参数与振动系统加速度的关系

结合堆石坝料的碾压特性，将振动碾压机的机架和振动轮分别简化为集中质量m₁和m₂，碾压机的减震装置用刚度k₁、阻尼c₁来描述，并将随振土体简化为一个集中质量m₃、具有一定刚度k_s和线性阻尼c_s的弹性体，忽略土体滞回变形特性和时间的影响，建立能够在堆石坝料上应用的“碾压机-土体”振动系统三自由度动力学分析模型；

参数含义：m₁—机架质量；m₂—振动轮质量；m₃—随振土体质量；k₁—减震器刚度；c₁—减震器阻尼；k_s—土体刚度；c_s—土体阻尼；x₁—机架垂直向位移；x₂—振动轮垂直向位移；x₃—土体垂直向位移；—机架垂直向振动速度；—振动轮垂直向振动速度；—土体垂直向振动速度；—机架垂直向振动加速度；—振动轮垂直向振动加速度；—土体垂直向振动加速度；F—振动轮瞬时激振力；F₀—振动轮激振力幅值；ω—振动轮的工作角频率；F_s—振动轮与土体间的动态作用力；

根据建立的动力学分析模型各部分的接触和受力情况，按照力的平衡关系，以模型中各集中质量的静平衡位置为坐标原点，得到各层之间的受力方程如下：

式中，F₀＝M_eω²，M_e为偏心块的静偏心力矩,M_e＝m_fr,m_f为偏心力，r为偏心块的偏心距，ω为振动轮的工作角频率；

在振动轮接地时，振动轮m₂和土体m₃一直保持接触状态，则x₂＝x₃，动力学方程(1)表示为：

对方程(2)进行变换运算，得到机架和振动轮的垂直振动加速度a₁、a₂的幅值a_1m、a_2m分别为：

式中A₁＝k₁；A₂＝k₁-m₁ω²；B₁＝c₁ω；

C＝(m₂+m₃)m₁ω⁴-(m₁k₁+m₁k_s+m₂k₁+m₃k₁+c₁c_s)ω²+k₁k_s；

D＝(k₁c_s+k_sc₁)ω-(m₁c₁+m₁c_s+m₂c₁+m₃c₁)ω³；

式(3)和(4)均为包含振动系统各项参数的复杂函数关系式：f(F₀,w,m₁,m₂,m₃k,₁c,₁k_s,c_s,)，其中，在不同坝料上的F₀,ω,m₁,m₂,m₃,k₁,c₁参数均通过选择碾压设备参数确定，则式(3)和(4)实际为只有两个变量的函数关系式f(k_s,c_s)，即得到土体参数k_s和c_s与振动系统加速度a₁、a₂的关系；

步骤2：计算土体刚度k_s

将测得的振动轮加速度a₂信号输出到Matlab软件中，对a₂信号中的加速度数据取绝对值，并进行峰值挑选，得到加速度信号的幅值随时间的波动曲线，对波动曲线运用窗函数进行滑动平均，得到整个碾压条带上的振动轮加速度a₂的平均幅值a_2m；

假定土体阻尼c_s始终为碾压初始状态的阻尼值，并根据得到的振动轮加速度a₂的平均幅值a_2m，运用式(4)进行计算得到土体刚度k_s，从而反映振动压实过程中土体的压实状况；

步骤3：土体参数的验算

将计算得到土体刚度k_s代入式(4)中，运用Matlab软件对振动轮加速度a₂信号进行时域动态仿真，将模拟出的信号与实测信号进行对比，观察其符合程度，以验证计算得到的土体参数的正确性；

步骤4：建立土体刚度k_s与土体密度相关关系

对计算得到的土体刚度k_s与现场碾压之后通过试坑检测得到的相应碾压遍数的土体干密度ρ_d数据，采用最小二乘法进行统计回归分析，建立相应的线性相关关系式，以表征相应坝料的ρ_d～k_s关系；通过回归的关系式和坝料填筑碾压的干密度控制值ρ_dc计算得到土体刚度的控制值k_c，并应用于现场压实质量控制。