发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于波速理论的路基压实特性在线监测方法，该监测方法通过对压实土体横波、纵波、瑞利波三种波波速的测量，根据横波、纵波、瑞利波与压实土体特性的相关参数之间的关系，对路基压实特性进行检测，进而反映出检测路段的压实特性。本申请省去了实验室内的复杂试验过程，在现场即可完成实时监测，高效快捷，本发明能将测量结果上传数据管理系统，对路基压实特性进行在线监测。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：

一种基于波速理论的路基压实特性在线监测方法，该方法包括下述内容：

1)对待检测路段点位采用环刀法取样测量压实土体密度；

2)测量待检测路段点位的横波、纵波和瑞利波波速；

3)利用三种波速、压实土体密度与介质材料特性的相关关系，计算压实土体特性的相关参数，压实土体特性的相关参数包括泊松比、弹性模量、剪切模量，检测路基压实质量。

所述三种波速、压实土体密度与土体介质材料特性的相关关系为：

其中，V_P—纵波速度，m/s；V_S—横波速度，m/s；V_R—瑞利波速度，m/s；ρ—波传播介质的密度，kg/m³；E—弹性模量，kPa；G—剪切模量，kPa；μ—泊松比。

在横波波速和纵波波速测量过程中，需要确定压实土体密度，具体过程是：在同深度用环刀取土，环刀体积V已知，只需测量环刀质量m1，和环刀加土体质量m2，即得出压实土体密度

对于瑞利波波速的测量，采用瞬态激振的方式，让铅球从指定高度落下，在点位区域内产生震动即可；

将测量得到的横波波速和瑞利波波速带入式(3)求得压实土体泊松比，将压实土体泊松比和测得的压实土体密度、纵波波速代入式(1)求得压实土体的弹性模量，将土体密度代入式(2)求得压实土体的剪切模量G；最后将测量数据上传至数据管理系统，完成压实后路基材料特性的可视化处理，进而反映出施工全断面的压实特性信息，依据施工规范监测路基压实质量是否符合要求，数据存储至大数据平台，指导施工进程，为质量追溯体系提供依据。

所述计算压实土体特性的相关参数的具体过程是：

测量横波波速和纵波波速，对于横波波速与纵波波速联立 计算出的泊松比为μ1；

测量横波波速和面波瑞利波波速，根据式(3)计算出的泊松比为μ2，

若μ1<μ2，则当前点位压实土体的泊松比为μ2，将μ2直接代入式(1)计算弹性模量E，再根据式计算剪切模量G；

若μ1>μ2，则当前点位压实土体的泊松比为μ1，将μ1带入式(1)计算弹性模量E，代入式(2)计算剪切模量G。

本发明基于波速理论的路基压实特性在线监测方法的具体过程是：

在实际压实施工过程中，在压实土体参数达到工程要求的情况下开始实时监测后续的压实特性参数；取样时将整个路基工程等距离分成多段，并由GPS系统确定每段的位置，每段记为一个点位，每段距离设置为15m-20m，每段每一次压实进行一次监测，在该段区域内任意位置用环刀法取样，并取该段路段中间区域进行三种波速的测试，以该测试结果代表该段距离的压实特性；

1)根据实际工程在压路机碾压达到工程要求后，采用环刀法在点位内取样，计算当前点位的压实土体密度ρ；

2)连接测量体波和面波波速的相关设备，面波收集试验中，使用的设备包括处理终端、动态数据采集仪、多个加速度传感器、铅球，多个加速度传感器沿同一直线等距分布在待测路段内，且多个加速度传感器均位于铅球振动的作用范围内，每个加速度传感器为一个测点；所有的加速度传感器均连接动态数据采集仪，动态数据采集仪与处理终端连接，调整获得稳定波形，采集到稳定波形后，让铅球从一高度落下，产生振动，每一个加速度传感器对应一个通道，各个通道能观察到波形明显变化；

体波中横波和纵波的波速测量采用弯曲元的方式进行测量，测量的波速视为是体波测点的横波、纵波波速，在进行现场试验过程中，体波中横波和纵波的收集取面波采集时任意相邻两个加速度传感器中间位置；在路基同深度插入探针，函数发生器启动，产生正弦波电信号经电荷放大器后传递到激发元，经过土体传播，接收元接收到相关电信号，示波器显示到清晰稳定波形；根据函数发生器所产生的正弦波电信号的不同，分别测量横波和纵波；

3)对每个点位进行三次重复试验，以重复试验的均值作为当前点位的测量结果；整个工程场地沿长度方向被均分为N段，每段单道压实区域采集一次，整个工程场地进行多点采集，由于对整个工程场地进行均分使其所取采集点遍布整个工程，避免采集点过于集中于某一个区域的问题，能尽量覆盖整个工程，整体采集量为N，在按照分段方式测量完成后需进行场地的随机采集，随机采样的采集点数量不少于整体采集量的10％；

4)计算波速，对于体波中的横波和纵波，从激发元到接收元的时间差分别为t_s、t_p，激发元和接收元之间的距离为L1，二者达到同一深度，根据函数发生器改变是横波还是纵波，则波速分别为V_S＝L1/t_s、V_P＝L1/t_p(单位：m/s)；

计算面波瑞雷波波速，分别记录多个加速度传感器的加速度峰值到达时间tn，设加速度传感器的数量为n，相邻两个加速度传感器之间的直线距离为L2，则第一个加速度传感器和最后一个加速度传感器之间的距离为(n-1)L2，则波瑞利波波速

5)将步骤4)获得的三种波速、步骤1)获得的相应点位的压实土体密度带入权利要求2所述的相关关系中，获得当前点位及压实遍数下的压实土体地弹性模量、剪切模量、泊松比，

多点位不同压实遍数的测试能获得整个路基工程的压实特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明监测方法可以使用环刀法直接测量压实土体密度，用来直接计算压实特性，不需要间接计算干密度，与现有依赖干密度测定压实特性的方法相比较，不再需要大量的取样和测量，只需采用简单的环刀取土，测量压实土体密度即可，减少了取样和大量的实验室量测工作，节省了大量时间，使整个测量过程变得高速快捷。与核子密度仪法相比，利用波速理论检测路基压实特性，技术要求降低，操作较安全，适用范围更广。同时减少了取样和测量过程中开挖孔洞对压实土体的损害。

本发明联合使用三种波速，在体波测量过程中，在同深度用环刀取土，环刀体积V已知，只需测量环刀质量m1，和环刀加土体质量m2，即可得出压实土体密度对于瑞利波波速的测量，采用瞬态激振的方法，让铅球从指定高度落下，产生震动即可，仪器简便，操作简单；利用三种波速与泊松比、弹性模量、剪切模量等压实特性相关参数的关系，将测量得到的剪切波速和瑞利波波速带入式可求得压实土体泊松比，将泊松比和测得的土体密度、纵波波速代入式求得压实土体的弹性模量，将土体密度代入式可以求得压实土体的剪切模量G；最后将测量上传至数据管理系统，完成压实后路基材料特性的可视化处理，进而反映出施工全断面的压实特性信息，依据施工规范监测路基压实质量是否符合要求，数据存储至大数据平台，指导施工进程，为质量追溯体系提供依据。

本发明监测方法避免了现存技术采用剪切波速进行土体压实度的监测中，直接寻找压实度与剪切波速的函数关系，而需要配合室内压实试验测定结果，且需要制备和现场情况相同的填料，并进行压实，带来的监测过程繁琐、数据量大的不足。本专利直接利用三种波速与所用压实土体的压实特性相关参数的关系式，在已知三种波速和密度的前提下能够直接获得当前点位的压实特性相关参数，且准确性高。本发明方法在路基压实特性监测过程中，极大地减少了工作量，避免大量的挖土取样和室内试验参数的量测；降低检测难度，检测仪器尽量轻便，方便携带，操作简单，检测过程高速快捷；多种方法相结合，相互比较，选取最佳泊松比，测量横波波速和纵波波速，根据关系式联立可以求得泊松比，测量出面波瑞利波波速和横波波速根据关系式可以求得泊松比。两方法都可求出泊松比，泊松比与含水量、孔隙比明显呈正相关，而与湿密度呈负相关。含水量越高、孔隙比越大，湿密度越小，泊松比则越大。对于两种方法计算出的泊松比，选取其中的较大值，可以相对保证施工的安全。检测过程中减少对路基的损坏，保证路基的整体性；快速出检测结果，保证施工的连续性，为下一步施工打好基础，不同种类填料的施工路段都可以使用本申请方法进行监测，无需结合复杂实验室试验，所需参数可以快速得出，保证了检测结果的时效性，检测结果实时传输到数据管理系统，实现可视化处理，能够反映出施工全断面的压实特性。