CN111982745A - 双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法 - Google Patents

Abstract

一种双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法，分别利用低频剪切波绕射能力好、更有利于大尺寸颗粒的测试，高频剪切波穿透力强、更有利于小尺寸颗粒的测试，通过使用高低频两种频率的激发源激发剪切波，进行剪切波波速测试，将得到的两组波速数据求均值，得到修正后的剪切波速值。根据修正后的剪切波速值，建立剪切波速与粗颗粒土路基填料密度之间的经验公式，通过测试剪切波速来评价粗颗粒土路基填料的密度。本发明考虑不同激发源频率对于剪切波速测试的影响，通过此方法修正后的剪切波速值较为准确，建立的剪切波速与粗颗粒土路基填料密度之间的关系较为可靠，能够保证检测方法的可靠性和高检测精度，实现很好的检测效果。

Description

双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法

技术领域

本发明涉及铁路路基技术领域，尤其涉及一种双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法。

背景技术

路基工程是铁路、公路线路工程中的一个重要组成部分，是承受上部结构重量和车辆荷载的基础。在公路、铁路等工程中，路基工程的压实质量一直是影响公路、铁路工程质量的一个重要因素，它直接影响到行车的安全性和稳定性，影响公路、铁路工程的使用性能和使用寿命。随着高速公路、高速铁路的不断发展，对路基工程压实质量特别是智能化压实方面提出了更高要求，为了满足这种要求，必须研发路基压实质量的无损、连续、快速检测方法。

抽样检测是粗颗粒土路基填料质量密度检测的传统方法，目前主要采用抽样的方法进行、检测指标为主，包括：含水率、密度、相对压实度、K30、Evd等。抽样检测方法具有明显缺点，包括：抽样检测方法不全面、效率低、费时耗力和带有半经验特点，特别是不能实现连续检测，迫切需要建立质量密度检测的数字化自动检测方法。目前质量密度检测方法的主要检测方法有环刀法、灌砂法、核子密度仪法等。其中灌砂法是当前最通用的方法，很多工程都把灌砂法列为现场测定密度的主要方法，可用于测试各种土或路面材料的密度。灌砂法的基本原理是利用粒径0.30～0.60mm或0.25～0.50mm清洁干净的均匀砂，从一定高度自由下落到试洞内，按其单位重不变的原理来测量试洞的容积(即用标准砂来置换试洞中的集料)，并结合集料的含水量来推算出试样的实测干密度。抽样检测方法具有明显缺点，包括：抽样检测方法不全面、效率低、费时耗力和带有半经验特点。

目前常用的检测方法中存在如下技术问题：无法实现粗颗粒土路基碾压质量快速、连续、无损检测，检测方法的可靠性和检测精度不高，因为：(1)无法精确消除振动波在不同土层中的波散效应：振动压路机产生的振动波是促使土体密实的源动力，振动波在向下传播的过程中，遇到不同分界面会产生一定的波散效应，不同土层的波散效应降低了检测结果的可靠性。(2)无法考虑振动-路基填料的动力耦合作用：在碾压过程中，振动轮与土体的相互作用实际上是振动轮与下部影响范围内填料的耦合作用。目前针对此方面的研究存在较大简化，将振动轮荷载简化为恒载或简谐力，将路基填料简化为弹簧-阻尼-集中质量系统，过分的简化导致了较大的检测误差，检测精度难于保证。

发明内容

针对目前使用剪切波速进行的粗颗粒土路基填料密度检测方法中，剪切波速测试未考虑剪切波激发源频率的影响，而造成剪切波速值测试不准确、无法建立有效的剪切波速与粗颗粒土路基填料密度的对应关系问题，本发明提供了一种双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法，分别利用低频剪切波绕射能力好、更有利于大尺寸颗粒的测试，高频剪切波穿透力强、更有利于小尺寸颗粒的测试，通过使用高低频两种频率的激发源激发剪切波，进行剪切波波速测试，将得到的两组波速数据求均值，得到修正后的剪切波速值。根据修正后的剪切波速值，建立剪切波速与粗颗粒土路基填料密度之间的经验公式，进而可通过测试剪切波速来评价粗颗粒土路基填料的密度。此方法考虑了不同激发源频率对于剪切波速测试的影响，通过此方法修正后的剪切波速值较为准确，建立的剪切波速与粗颗粒土路基填料密度之间的关系较为可靠，能够保证检测方法的可靠性和高检测精度，实现很好的检测效果。

本发明所述方法通过两种频率的激发源激发剪切波，分别利用低频剪切波绕射能力好、更有利于大尺寸颗粒的测试，高频剪切波穿透力强、更有利于小尺寸颗粒的测试，将得到的两组剪切波速求均值，得到更为准确的剪切波速值，基于上述求得准确剪切波速值的方法建立剪切波速与粗颗粒土路基填料密度之间的关系，实现通过剪切波速预测铁路粗颗粒土路基填料密度。

本发明的方法采用如下的技术方案：

一种双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法，包括如下步骤：

步骤S100，将剪切波激发装置及剪切波接收装置分别埋入待测波速的粗颗粒土路基填料中，所述剪切波激发装置和剪切波接收装置分别与检波器相连；

步骤S200，使用低频剪切波激发装置激发剪切波多次，通过所述检波器得到多个低频剪切波在土体中的传播时间(Δt1，Δt2，……ΔTn)，其中n为激发次数；

步骤S300，基于多个低频剪切波在土体中的传播时间(Δt1，Δt2，……ΔTn)以及低频剪切波在土体中传播的距离，得到多个不同的低频剪切波速数据，剔除异常数据，将其余的低频剪切波速数据求均值，得到第一剪切波速值；

步骤S400，使用高频剪切波激发装置激发剪切波多次，通过所述检波器得到多个高频剪切波在土体中的传播时间(Δt1’，Δt2’，……ΔTn’)，其中n为激发次数；

步骤S500，基于多个高频剪切波在土体中的传播时间(Δt1’，Δt2’，……ΔTn’)以及高频剪切波在土体中传播的距离，得到多个不同的高频剪切波速数据，剔除异常数据，将其余的高频剪切波速数据求均值，得到第二剪切波速值；

步骤S600，将第一剪切波速值与第二剪切波速值求均值，得到最终剪切波速值；

步骤S700，使用多种不同已知密度的粗颗粒土路基填料，重复步骤S100—步骤S600，分别计算所述每种已知密度的粗颗粒土路基填料的最终剪切波速值，从而得到粗颗粒土路基填料剪切波速与密度之间的关系式。

步骤S800，使用未知密度的粗颗粒土路基填料，进行步骤S100—步骤S600，测得所述未知密度的粗颗粒土路基填料的剪切波速值，根据步骤S700中得到的粗颗粒土路基填料剪切波速与密度之间的关系式，求得所述粗颗粒土路基填料的密度值。

进一步的，步骤S200中，记录所述检波器得到的低频剪切波激发装置激发剪切波的时间t₁及剪切波接收装置接收剪切波的时间t₂，得到多组低频剪切波在土体中的传播时间(Δt1，Δt2，……ΔTn)，Δt＝t₂-t₁。

进一步的，步骤S300中，所述低频剪切波在土体中传播的距离是低频剪切波激发装置和剪切波接收装置之间的距离；步骤S500中，所述高频剪切波在土体中传播的距离是高频剪切波激发装置和剪切波接收装置之间的距离。

进一步的，步骤S400中，记录所述检波器得到的高频剪切波激发装置激发剪切波的时间t1’及剪切波接收装置接收剪切波的时间t2’，得到多个高频剪切波在土体中的传播时间(Δt1’，Δt2’，……ΔTn’)，Δt’＝t2’-t1’。

进一步的，所述低频剪切波激发装置的激发频率是10HZ，所述高频剪切波激发装置的激发频率是50HZ。

进一步的，所述低频剪切波速的计算公式为：

其中Vs为低频剪切波速，L₀为低频剪切波传播距离，即低频剪切波激发装置与剪切波接收装置间的距离，Δt为低频剪切波在土体中的传播时间；

所述高频剪切波速的计算公式为：

其中Vs’为高频剪切波速，L₀’为高频剪切波传播距离，即高频剪切波激发装置与剪切波接收装置间的距离，Δt’为高频剪切波在土体中的传播时间。

进一步的，粗颗粒土路基填料剪切波速与密度间的关系如下式所示：

ρ＝av_s ^b+c

其中ρ为粗颗粒土路基填料的密度值，Vs为粗颗粒土路基填料的剪切波速值，a、b、c为待求常数。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)通过使用两种频率的激发源进行剪切波的激发，更有利于得到粗颗粒土路基填料的准确剪切波速值，减小了由于单一激发源频率对剪切波速测试结果造成的影响。

(2)基于准确的剪切波速测试结果，建立起有效的剪切波速与粗颗粒土路基填料密度之间的经验关系，可通过测试剪切波速来得到粗颗粒土路基填料密度。

附图说明

图1是本发明的双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法的操作流程示意图；

图2是本发明的剪切波速测试示意图；

图3是本发明的双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明提供了一种双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法，包括如下步骤：

步骤S100，将剪切波激发装置及剪切波接收装置分别埋入待测波速的粗颗粒土路基填料中，所述剪切波激发装置和剪切波接收装置分别与检波器相连。

具体的，所述检波器用于得到所述剪切波激发装置激发剪切波的时间和所述剪切波接收装置接收到剪切波的时间。

步骤S200，使用低频剪切波激发装置激发剪切波多次，通过所述检波器得到多个低频剪切波在土体中的传播时间(Δt1，Δt2，……ΔTn)，其中n为激发次数。

具体的，使用低频剪切波激发装置激发剪切波，记录所述检波器得到的低频剪切波激发装置激发剪切波的时间t₁及剪切波接收装置接收剪切波的时间t₂，低频剪切波激发装置激发剪切波重复多次，得到多组t₁数据和t₂数据，并得到多组低频剪切波在土体中的传播时间Δt，Δt＝t₂-t₁。

具体的，对于待测波速的粗颗粒土路基填料，使用10HZ频率的低频激发源进行剪切波的激发，并记录激发装置激发剪切波时间t₁及接收装置接收剪切波的时间t₂。此步重复10次，即分别得到10组t₁、t₂数据，重复测试旨在避免人为误差对测试的影响。

步骤S300，基于多个低频剪切波在土体中的传播时间(Δt1，Δt2，……ΔTn)以及低频剪切波在土体中传播的距离，得到多个不同的低频剪切波速数据，剔除异常数据，将其余的低频剪切波速数据求均值，得到第一剪切波速值。

具体的，通过步骤S200中得到的低频剪切波在土体中传播的时间以及低频剪切波传播的距离，得到低频剪切波在土体中传播的波速，多次重复试验得到多组不同的低频剪切波速数据，剔除异常数据，将其余的低频剪切波速数据求均值，即为低频剪切波激发装置激发剪切波得到的第一剪切波速值。

具体的，所述低频剪切波在土体中传播的波速的计算公式为：

其中Vs为低频剪切波速，L₀为低频剪切波传播距离，即低频剪切波激发装置与剪切波接收装置间的距离，Δt为低频剪切波在土体中的传播时间，Δt＝t₂-t₁。

具体的，10次重复试验即可得到10组不同的低频剪切波速数据，剔除异常数据，将其余的低频剪切波速数据求均值，即为10HZ频率的低频剪切波激发装置激发剪切波得到的第一剪切波速值。

步骤S400，使用高频剪切波激发装置激发剪切波多次，通过所述检波器得到多个高频剪切波在土体中的传播时间(Δt1’，Δt2’，……ΔTn’)，其中n为激发次数；

具体的，使用高频剪切波激发装置激发剪切波，记录所述检波器得到的高频剪切波激发装置激发剪切波的时间t₁’及高频剪切波接收装置接收剪切波的时间t₂’，高频剪切波激发装置激发剪切波重复多次，得到多组t₁’数据和t₂’数据，并得到多组高频剪切波在土体中的传播时间Δt’，Δt’＝t₂’-t₁’。

具体的，对于待测波速的粗颗粒土路基填料，使用50HZ频率的高频激发源进行剪切波的激发，并记录高频剪切波激发装置激发剪切波时间t₁’及剪切波接收装置接收剪切波的时间t₂’。此步重复10次，分别得到10组t₁’、t₂’数据，重复测试旨在避免人为误差对测试的影响。

步骤S500，基于多个高频剪切波在土体中的传播时间(Δt1’，Δt2’，……ΔTn’)以及高频剪切波在土体中传播的距离，得到多个不同的高频剪切波速数据，剔除异常数据，将其余的高频剪切波速数据求均值，得到第二剪切波速值；

具体的，通过步骤S400中得到的高频剪切波在土体中传播的时间Δt’以及高频剪切波传播的距离，得到高频剪切波在土体中传播的波速，多次重复试验得到多组不同的高频剪切波速数据，剔除异常数据，将其余高频剪切波速数据求均值，即为高频剪切波激发装置激发剪切波得到的第二剪切波速值。

具体的，所述高频剪切波在土体中传播的波速的计算公式为：

其中Vs’为高频剪切波速，L₀’为高频剪切波传播距离，即高频剪切波激发装置与剪切波接收装置间的距离，Δt’为高频剪切波在土体中的传播时间，Δt’＝t₂’-t₁’。

步骤S600，将第一剪切波速值与第二剪切波速值求均值，得到最终剪切波速值。

步骤S700，使用多种不同已知密度的粗颗粒土路基填料，重复步骤S100—步骤S600，分别计算所述每种已知密度的粗颗粒土路基填料的最终剪切波速值，从而得到粗颗粒土路基填料剪切波速与密度之间的关系式。

具体的，根据弹性动力学理论，粗颗粒土路基填料剪切波速与密度间存在着一定的幂函数关系，如下式所示：

ρ＝av_s ^b+c

其中ρ为粗颗粒土路基填料的密度值，Vs为粗颗粒土路基填料的剪切波速值，a、b、c为待求常数，根据步骤S100-步骤S600得到的多组粗颗粒土路基填料的密度与相应剪切波速代入式中，即可解出a、b、c的值，则可得到粗颗粒土路基填料剪切波速与密度之间的关系式。

步骤S800，使用未知密度的粗颗粒土路基填料，进行步骤S100—步骤S600，测得所述未知密度的粗颗粒土路基填料的剪切波速值，根据步骤S700中得到的粗颗粒土路基填料剪切波速与密度之间的关系式，求得所述粗颗粒土路基填料的密度值。

综上所述，本发明涉及一种双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法，包括如下步骤：将剪切波激发装置及剪切波接收装置分别埋入待测波速的粗颗粒土路基填料中，所述剪切波激发装置和剪切波接收装置分别与检波器相连；使用低频剪切波激发装置激发剪切波多次，通过所述检波器得到多个低频剪切波在土体中的传播时间(Δt1，Δt2，……ΔTn)，其中n为激发次数；基于多个低频剪切波在土体中的传播时间(Δt1，Δt2，……ΔTn)以及低频剪切波在土体中传播的距离，得到多个不同的低频剪切波速数据，剔除异常数据，将其余的低频剪切波速数据求均值，得到第一剪切波速值；使用高频剪切波激发装置激发剪切波多次，通过所述检波器得到多个高频剪切波在土体中的传播时间(Δt1’，Δt2’，……ΔTn’)，其中n为激发次数；基于多个高频剪切波在土体中的传播时间(Δt1’，Δt2’，……ΔTn’)以及高频剪切波在土体中传播的距离，得到多个不同的高频剪切波速数据，剔除异常数据，将其余的高频剪切波速数据求均值，得到第二剪切波速值；将第一剪切波速值与第二剪切波速值求均值，得到最终剪切波速值；使用多种不同已知密度的粗颗粒土路基填料，重复步骤S100—步骤S600，分别计算所述每种已知密度的粗颗粒土路基填料的最终剪切波速值，从而得到粗颗粒土路基填料剪切波速与密度之间的关系式。使用未知密度的粗颗粒土路基填料，进行步骤S100—步骤S600，测得所述未知密度的粗颗粒土路基填料的剪切波速值，根据步骤S700中得到的粗颗粒土路基填料剪切波速与密度之间的关系式，求得所述粗颗粒土路基填料的密度值。通过两种频率的激发源激发剪切波，分别利用低频剪切波绕射能力好、更有利于大尺寸颗粒的测试，高频剪切波穿透力强、更有利于小尺寸颗粒的测试，将得到的两组剪切波速求均值，得到更为准确的剪切波速值，基于上述求得准确剪切波速值的方法建立剪切波速与粗颗粒土路基填料密度之间的关系，实现通过剪切波速预测铁路粗颗粒土路基填料密度。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S100，将剪切波激发装置及剪切波接收装置分别埋入待测波速的粗颗粒土路基填料中，所述剪切波激发装置和剪切波接收装置分别与检波器相连；

步骤S200，使用低频剪切波激发装置激发剪切波多次，通过所述检波器得到多个低频剪切波在土体中的传播时间(Δt1，Δt2，……ΔTn)，其中n为激发次数；

步骤S300，基于多个低频剪切波在土体中的传播时间(Δt1，Δt2，……ΔTn)以及低频剪切波在土体中传播的距离，得到多个不同的低频剪切波速数据，剔除异常数据，将其余的低频剪切波速数据求均值，得到第一剪切波速值；

步骤S400，使用高频剪切波激发装置激发剪切波多次，通过所述检波器得到多个高频剪切波在土体中的传播时间(Δt1’，Δt2’，……ΔTn’)，其中n为激发次数；

步骤S500，基于多个高频剪切波在土体中的传播时间(Δt1’，Δt2’，……ΔTn’)以及高频剪切波在土体中传播的距离，得到多个不同的高频剪切波速数据，剔除异常数据，将其余的高频剪切波速数据求均值，得到第二剪切波速值；

步骤S600，将第一剪切波速值与第二剪切波速值求均值，得到最终剪切波速值；

步骤S700，使用多种不同已知密度的粗颗粒土路基填料，重复步骤S100—步骤S600，分别计算所述每种已知密度的粗颗粒土路基填料的最终剪切波速值，从而得到粗颗粒土路基填料剪切波速与密度之间的关系式。

步骤S800，使用未知密度的粗颗粒土路基填料，进行步骤S100—步骤S600，测得所述未知密度的粗颗粒土路基填料的剪切波速值，根据步骤S700中得到的粗颗粒土路基填料剪切波速与密度之间的关系式，求得所述粗颗粒土路基填料的密度值。

2.根据权利要求1所述的双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法，其特征在于，步骤S200中，记录所述检波器得到的低频剪切波激发装置激发剪切波的时间t₁及剪切波接收装置接收剪切波的时间t₂，得到多组低频剪切波在土体中的传播时间(Δt1，Δt2，……ΔTn)，Δt＝t₂-t₁。

3.根据权利要求2所述的双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法，其特征在于，步骤S300中，所述低频剪切波在土体中传播的距离是低频剪切波激发装置和剪切波接收装置之间的距离；步骤S500中，所述高频剪切波在土体中传播的距离是高频剪切波激发装置和剪切波接收装置之间的距离。

4.根据权利要求3所述的双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法，其特征在于，步骤S400中，记录所述检波器得到的高频剪切波激发装置激发剪切波的时间t1’及剪切波接收装置接收剪切波的时间t2’，得到多个高频剪切波在土体中的传播时间(Δt1’，Δt2’，……ΔTn’)，Δt’＝t2’-t1’。

5.根据权利要求4所述的双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法，其特征在于，所述低频剪切波激发装置的激发频率是10HZ，所述高频剪切波激发装置的激发频率是50HZ。

6.根据权利要求5所述的双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法，其特征在于，所述低频剪切波速的计算公式为：

其中Vs为低频剪切波速，L₀为低频剪切波传播距离，即低频剪切波激发装置与剪切波接收装置间的距离，Δt为低频剪切波在土体中的传播时间；

所述高频剪切波速的计算公式为：

其中Vs’为高频剪切波速，L₀’为高频剪切波传播距离，即高频剪切波激发装置与剪切波接收装置间的距离，Δt’为高频剪切波在土体中的传播时间。

7.根据权利要求6所述的双频修正的剪切波铁路粗颗粒土路基填料密度预测方法，其特征在于，粗颗粒土路基填料剪切波速与密度间的关系如下式所示：

ρ＝av_s ^b+c

其中ρ为粗颗粒土路基填料的密度值，Vs为粗颗粒土路基填料的剪切波速值，a、b、c为待求常数。

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