CN112267357A - 路基沉降抬升控制设备和方法 - Google Patents

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魏少伟
闫宏业
陈锋
姚建平
楼梁伟
闫鑫
吕宋
石越峰
耿琳
李竹庆
庞帅
李斯
李宣
李吉亮
叶晓宇
张也
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Abstract

针对现有高速铁路路基连续压实检测指标的不足，本文通过分析路基压实过程中振动轮与填料间能量的传递特性，提出基于振动信号能量的高速铁路路基连续压实控制指标，并与传统的CMV指标进行对比验证其有效性，主要研究结论有：随压实遍数的增加，填料的密度、刚度呈现出先增大后稳定的趋势，在填料由松散状态变为密实状态过程中，振动信号所携带的能量同样呈现出先增大后稳定的趋势；结合能量守恒定律，以振动轮振动信号所携带能量的变化特性来反映整个压实过程中的能量交换，利用振动信号能量谱的形式对其进行表征，并以此作为连续压实控制指标，判定填料的压实程度。建立CEV指标和动态变形模量Evd间的相关关系，其相关系数均大于CMV指标，表明本文所提出的CEV能量指标在路基连续压实控制中是可行的。

Description

路基沉降抬升控制设备和方法
技术领域
本发明涉及高速铁路路基压实技术领域，具体涉及高速铁路路基沉降抬升控制设备和方法。
背景技术
路基结构作为高速铁路基础设施重要的组成部分，线路总长度占高铁总里程的比例超过30％，直接关系线路工程的质量和列车的运行安全。为保证路基结构具有较好的稳定性和坚固性，需要在填筑过程中对路基的压实质量进行严格的控制。随着高速铁路的快速发展，路基的压实质量检测也从传统检测方法(如地基系数K30、动态变形模量Evd)发展至连续压实控制(CCC)，实现了由常规点的结果控制到实时的全过程控制的转变，极大提高了路基填筑效率及填筑质量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种高速铁路路基沉降抬升控制设备和方法。
本发明采用如下的技术方案实现：
一种高速铁路路基沉降抬升控制设备，其特征在于，包括加速度传感、采集器、数据线、处理器与显示器，其中加速度传感器采用压路机前轮的振动响应，由数据线传输至采集与计算分析器，然后将计算的结构传输至显示器进行显示，给智能压路机，为其做压实策略提供支撑。
进一步的，针对路基压实过程中含水率测试实时测试中存在的具体问题，通过在碾轮上布置电极及标定电阻率、含水率及压实度之间的耦合关系，进而实现路基压实过程中实时自动检测路基填料含水率，并通过无线数据采集装置实现填料含水率的在线传输。
进一步的，通过在路基施工摊铺平整环节的摊铺机前端布置含水率传感器，传感器利用电阻率检查60cm以内层厚的含水率当前值，并通过无线网络装置传输至摊铺机后端自动喷洒设备模块，进而进一步控制含水率喷洒。
进一步的，含水率模块中依据实验室出具的最佳含水率数据进行设置，比如最佳含水率5％，那么根据含水率根据检测的数据范围小于最佳含水率3％时，含水率检测系统进行报警提示，并且控制摊铺机后端喷洒水传感器根据含水率检测的数据进行计算洒水量。如含水率检测系统数据＞7％时，摊铺机后端犁自动根据施工填筑厚度进行调整深度翻土晾晒。
与现有技术相比，本发明有如下有益的技术效果：
(一)、振动压路在工作过程中，压路机的行驶速度越快则填料的加速度峰值就越小，振动轮的加速度峰值就越大。且随着振动压路机行驶速度的增加，由振动轮到填料传播过程中的加速度衰减率逐渐增加，振动波在填料中沿水平方向传播的加速度峰值衰减率随着压实遍数的增加而逐渐降低。
(二)、基于傅里叶变换，振动波在振动轮和填料中随着振动压路机的行驶速度增加呈现相同的规律，即随着压路机的行驶速度加快，振动轮和填料所对应的基波的幅值降低。振动压路机在不同速度行驶下，振动轮和填料振动波的基波和一次谐波到五次谐波幅值呈指数分布，且有严格的指数函数相关性。
附图说明
图1是本发明的压实能量传递过程示意图。
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。
连续压实控制是指通过分析振动轮在压实过程中的加速度响应特征来获得填料的压实状态。目前，我国高速铁路路基的连续压实控制指标主要采用CMV指标和VCV指标两类。其中，CMV指标主要是通过对振动轮竖向加速度信号进行傅里叶变换，以其频率谱中的一次谐波与基波的幅值比来评定被压填料的压实质量，其计算公式如式(1)所示：
Figure BDA0002735896670000031
式中：A0为振动信号基波的傅里叶幅值；A1为振动信号一次谐波的傅里叶幅值；C为常数，一般取300。
CMV指标认为振动压路机与填料之间发生线性振动，输出线性振动信号，故利用傅里叶变换分析振动信号的频谱特性。随着填料逐渐密实振动信号的畸变程度增大，同时一次谐波幅值逐渐增大，由式(1)可知CMV值也随之增大，以此反映填料压实状态的变化情况。但在实际压实过程中，振动轮受到来自填料的反作用力，其振动状态为非线性振动并不是线性振动。而傅里叶变换要求被分析的系统必须是线性的，信号必须是严格周期或广义平稳的，而且非线性振动信号的频谱成分较为复杂，使得只考虑一次谐波幅值影响的CMV指标不能正确的评定填料的压实效果。
路基的压实过程实际上是一个能量交换的过程，振动轮振动产生的压实能量以波的形式向填料中传播，一部分能量被填料吸收，另一部则返回给振动轮。根据能量守恒定律，建立如式(2)所示的能量平衡式：
Eeff＝Ea-Eb (2)
式中：Eeff为振动轮有效传递的压实能量；Ea为振动轮振动产生的压实能量；Eb为填料返回给振动轮的能量。
在一定的压实工艺下，振动压路机输出的能量是一定的。因此，Eeff大小直接反映了填料的压实程度。当填料处于松散状态时，振动轮有效传递的压实能量较大。由于能量的输入使得填料中的空隙不断减小，其密实度和刚度逐渐增大，振动轮有效传递的压实能量逐渐减小，填料返回给振动轮的能量逐渐增大；当填料达到稳定的密实状态，其物理力学参数保持稳定，振动轮有效传递的压实能量也逐渐稳定，此时填料基本压实完成。由于压实过程中的能量传递难以用精确的理论公式进行计算，而振动轮振动信号所携带能量的变化主要是由填料返回给振动轮能量的改变造成的，因此可以通过振动轮振动信号所携带能量反映整个压实过程中的能量交换，从而得到填料的压实程度。
综上所述，本发明提供了一种高速铁路路基综合试验系统和方法，其特征在于，所述系统包括：压路机与填料耦合模拟试验设备、振动轮控制设备、高速列车荷载模拟加载设备和路基动力响应和压实状态检测设备；所述压路机与填料耦合模拟试验设备用于模拟压路机振动压实过程；所述振动轮控制设备用于调整多个碾压参数；所述高速列车荷载模拟加载设备用于模拟高速列车施加于路基结构上的荷载；所述路基动力响应和填料压实状态检测设备用于采集路基结构表面动力响应特性参数，并测试振动轮碾压过程中填料的压实状态。本发明能够模拟高铁路压路机碾压过程，测试不同填料的碾压过程振动压实响应特性，为构建系统的填料最优碾压参数提供支持；测试新型高铁路基基床结构的动力响应特性，并能够系统测试填料的动力参数为建立高速铁路路基基床动力学设计提供支撑。
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 (4)

1.一种高速铁路路基沉降抬升控制设备，其特征在于，包括加速度传感、采集器、数据线、处理器与显示器，其中加速度传感器采用压路机前轮的振动响应，由数据线传输至采集与计算分析器，然后将计算的结构传输至显示器进行显示，给智能压路机，为其做压实策略提供支撑。
2.根据权利要求1所述的高速铁路路基沉降抬升控制设备，其特征在于，针对路基压实过程中含水率测试实时测试中存在的具体问题，通过在碾轮上布置电极及标定电阻率、含水率及压实度之间的耦合关系，进而实现路基压实过程中实时自动检测路基填料含水率，并通过无线数据采集装置实现填料含水率的在线传输。
3.根据权利要求2所述的高速铁路路基沉降抬升控制设备，其特征在于，通过在路基施工摊铺平整环节的摊铺机前端布置含水率传感器，传感器利用电阻率检查60cm以内层厚的含水率当前值，并通过无线网络装置传输至摊铺机后端自动喷洒设备模块，进而进一步控制含水率喷洒。
4.根据权利要求3所述的高速铁路路基沉降抬升控制设备，其特征在于，含水率模块中依据实验室出具的最佳含水率数据进行设置，比如最佳含水率5％，那么根据含水率根据检测的数据范围小于最佳含水率3％时，含水率检测系统进行报警提示，并且控制摊铺机后端喷洒水传感器根据含水率检测的数据进行计算洒水量。如含水率检测系统数据＞7％时，摊铺机后端犁自动根据施工填筑厚度进行调整深度翻土晾晒。
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