CN114134784A

CN114134784A - 基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统与方法

Info

Publication number: CN114134784A
Application number: CN202210023846.1A
Authority: CN
Inventors: 叶阳升; 蔡德钩; 姚建平; 魏少伟; 闫宏业; 马明正; 安再展; 朱宏伟; 陈锋; 张千里; 尧俊凯; 李斯; 石越峰; 吕宋; 毕宗琦; 耿琳; 杨轶科
Original assignee: China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS; Railway Engineering Research Institute of CARS; Beijing Tieke Special Engineering Technology Co Ltd
Current assignee: China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS; Railway Engineering Research Institute of CARS; Beijing Tieke Special Engineering Technology Co Ltd
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2022-03-04

Abstract

本发明涉及一种基于振动轮实际振幅的铁路路基压实质量连续检测系统与方法，属于土木工程建设领域。本发明通过检测振动轮竖向振动加速度信号，通过加速度频域二次积分得到振动轮实际振幅，通过建立实际振幅与土体常规质量检测指标的关系确定振幅控制值。振动压实过程中通过卫星定位装备实时定位压路机三维空间位置，形成全碾压面的实际振幅分布图，通过与振幅控制值比较，判断碾压面压实程度合格率是否达标，指导压路机碾压施工。本发明提出的基于振动轮实际振幅的压实质量连续检测方法，适用于各类土体振动压实过程的压实质量连续检测与评估。

Description

基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统与方法

技术领域

本发明涉及一种连续检测系统与方法，尤其是涉及一种基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统与方法。

背景技术

路基是铁路工程的重要组成部分，对线路安全运营至关重要，在路基填筑施工过程中需要对填料压实质量严格控制。传统的压实质量控制手段主要采用人工抽样方法检测压实后填料的压实系数K、地基系数K ₃₀或动态变形模量E _vd，无法对整个工作面的压实质量进行全面评估，且检测效率较低。

上世纪70年代，Thuner等发现振动轮振动加速度的频谱成分与被压填料的压实状态有关，提出压实质量连续检测指标压实计值（Compaction Meter Value，CMV）用于压实质量评价，实现压实质量的连续检测，此后学者基于谐波原理提出或改进了不同的压实质量连续检测指标，如总谐波失真量（Total Harmonic Distortion，THD）、压实控制值（Compaction Control Value，CCV）、共振计值（Resonance Meter Value，RMV）、压实值（Compaction Value, CV）等，如中国专利申请,其申请号：CN202011327720，公开号：CN112613092 A公开一种基于CMV的路基压实度空间分布的预测方法，所述方法主要包括：提取所述振动压路机在振动过程中采集的所述竖向加速度信号，利用公式

计算所述振动轮的竖向加速度信号CMV，利用约束随机场模型预测路基土体压实度的空间分布特征。以上指标在公路细粒土应用效果较好，但铁路路基采用A/B组粗粒土填料，实际碾压过程中发现，振动轮加速度频域成分复杂，可能出现半次谐波，频域类指标效果较差。一些学者提出采用加速度时域信号进行压实质量连续检测，如中国专利，其申请号：CN201711480418，公开号：CN108197382 A公开了一种评估路基压实度的方法及装置，该方法主要包括：确定碾压轮在碾压设定路段时碾压地面的平均加速度值；根据所述平均加速度值和所述设定路段的碾压遍数评估所述设定路段的压实度。但加速度幅值受高频噪声影响较大，因此该方法检测精度较低。此外，还有学者提出基于MDP、VCV、SCV等指标的压实质量连续检测技术；申请号：CN2019111056253，公开号：CN110939043 A公开一种土石混填路基压实质量快速检测方法，包括：在进行土石混填路基连续压实工作的同时，对压实路径上的路基碾压质量进行连续检测并收集检测信息；根据所述检测信息计算每次碾压遍数的振动压实值VCV的平均值；比较最后两遍碾压测得的VCV平均值的差值，当差值满足预设值要求，则压实质量满足要求。但该类方法需要的检测设备较为昂贵，指标计算方法较复杂，且属于间接指标反映土体压实状态，检测精度较低。

基于此，有必要提出一种适用于铁路路基填料、高精度、实时、方便易测量的压实质量连续检测新指标，并建立相应检测方法与检测系统。

发明内容

振幅是反映动力系统特性的重要参数，是振动强度和能量水平的标志，在振动压路机-土动力系统中，振动轮振幅随土体刚度增大而增大，基于此，针对现有技术的上述不足，本发明提出了一种铁路路基压实质量连续检测新指标—振动轮实际振幅，并建立了压实质量连续检测系统与方法。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统，包括振动轮振动检测子系统、车载数据处理器和卫星定位子系统，其特征为：所述振动轮振动检测系统实时检测振动轮的竖向振动加速度，其竖向振动加速度信号传输到车载数据处理器中；所述车载数据处理器通过加速度频域二次积分，进而计算土体压实质量连续检测指标实际振幅A；所述卫星定位子系统实时检测压路机位置信息并传输到车载数据处理器，所述车载数据处理器将采集的位置信息与对应的存储位置信息匹配，确定碾压面上每个检测单元的实际振幅，并与常规质量控制值确定的振幅控制值[A]相比较，当检测实际振幅A小于[A]时，认为路基压实质量符合要求，当碾压面的压实质量合格率大于等于95%时，停止碾压作业。

本发明还公开一种基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测方法，包括上述的于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统，其特征为：所述的振幅控制值[A]，为判断土体压实质量是否合格的阈值，其值可以通过现场碾压试验，建立实际振幅与土体常规质量检测指标的相关关系，根据常规质量检测指标控制值确定，在碾压过程中，确定全碾压面上每个检测单元内的平均检测实际振幅A，并对比检测实际振幅A与振幅控制值[A]，当

时，检测单元的压实质量不满足要求，当

时，检测单元的压实质量满足要求。

本发明还公开一种将上述的基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测方法应用于各类土体振动压实过程的压实质量连续检测与评估中。

有益效果：

本发明公开的基于振动压路机实际振幅的路基压实质量连续检测方法，指标计算直接、简便，物理意义明确，检测方法便捷，可避免加速度频域中的高频成分以及时域高频噪声干扰，检测精度更高，可用于各类填料路基压实质量连续检测，全面掌握路基压实状态，保障路基压实质量。

附图说明

图1 基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统组成示意图；

图2 振动加速度频域二次积分为振动位移。

具体实施方式

下面结合检测原理与系统，对本发明的具体实施方法进行进一步描述。需要指出的是，本发明不限于下述的具体实施方式，只要在权利要求限定和本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种基于振动轮实际振幅的铁路路基压实质量连续检测系统，如图1所示，包括振动轮振动检测子系统101、车载数据处理器102和卫星定位子系统103。振动轮振动检测系统101实时检测振动轮的竖向振动加速度，振动加速度传输到车载数据处理器102，车载数据处理器102通过加速度频域二次积分，进而计算土体压实质量连续检测指标实际振幅A。卫星定位系统103实时检测压路机位置信息并传输到车载数据处理器，车载数据处理器102将位置信息与对应的进行匹配，确定碾压面上每个位置的实际振幅，并与根据常规质量控制值确定振幅控制值[A]相比较，当检测实际振幅A小于[A]时，认为路基压实质量符合要求，当碾压面的压实质量合格率大于等于95%时，可以停止碾压作业。

振动轮振动检测子系统可采用加速度传感器采集竖向振动加速度信号，加速度传感器放置在振动轮上，实时采集振动轮的竖向加速度信号，并将加速度信号传输到车载数据处理器中。加速度传感器量程宜为10~20g，采样频率宜大于1000Hz。振动轮振动检测子系统也可直接采用位移传感器检测振动轮竖向振动位移。

车载数据处理器中，加速度向上为正，向下为负进行存储。同时车载处理对加速度信号进行傅里叶变，将其换转换到频域，然后在频域中进行二次积分，再通过傅里叶逆变换转换到时域，得到振动轮的振动位移。与时域直接积分相比，采用的频域二次积分可以有效避免基线漂移现象，得到的加速度幅值更加准确。

加速度频域积分数值公式如下式：

其中：

式中：

为振动位移；

为频率分辨率；N为数据点数；

为加速度的傅里叶变换；

为截止频率下限；

为截止频率上限。

加速度低频成分对振动轮振幅计算影响较大，而振动压路机的激振频率一般在10~50Hz范围，频率成分中可能会出现二次谐波、三次谐波和四次谐波，因此设定加速度频域积分的频率范围为5~200Hz。

如图2所示，通过加速度时域积分得到的加速度振幅曲线为正弦曲线，提取每个振动周期内的正向幅值最大值。

检测单元是进行压实质量连续检测的最小单元，在碾压施工区域内规划多条碾压施工条带，每个碾压施工条带按照压路机形式方向划分为检测单元，检测单元的宽度为振动轮的宽度B，检测单元的长度为L已设置为0.5m。一个检测单元中包含n个振动周期加速度信号，即A ₁，A ₂,···，A _n，按照下式对一个检测单元内所有正向幅值最大值取平均值作为该检测单元的实际振幅A：

式中：A为该检测单元实际振幅；n为该检测单元内的完整振动个周期数；A _i为第i个振动周期的正向幅值最大值。

振幅控制值[A]是判断土体压实质量是否合格的阈值，实际振幅随着土体被压实不断增大，当检测实际振幅大于[A]时认为压实质量满足要求，其值可以通过现场碾压试验获取，具体步骤为：

（1）铺设试验条带，将试验条带沿压路机前进方向，按固定距离（如0.5m）划分为若干检测单元；

（2）压路机进入试验段起始线之前应达到正常振动状态，试验段内匀速行驶，频率波动范围不超过规定值±0.5Hz；

（3）每遍碾压过程中，对于第i个检测单元，量测并输出一个实际振幅A _i；

（4）每遍碾压过后，对于第i个检测单元，测量其压实质量常规检测指标（如干密度、压实度、动态变形模量、地基系数等），每隔检测单元中至少布置3个测点，取其平均值作为该检测单元的常规检测指标值K _i；

（5）通过线性回归方程建立实际振幅与土体压实质量常规检测指标的相关关系：

式中：a,b为常数项，A为实际振幅，K为土体压实质量常规检测指标；

（6）根据土体压实质量常规检测指标合格值确定实际振幅控制值[A]。

式中：a,b为常数项，[A]为实际振幅控制值，[K]为土体压实质量常规检测指标合格值。

车载数据处理器放置在驾驶室内，能够接收、存储、处理卫星定位子系统、振动轮振动检测子系统和采集的振动压路机三维位置信息、振动轮加速度信息等各类信息，通过加速度频域二次积分，进而计算实际振幅，通过与压路机位置匹配，确定全碾压面上每个检测单元内的平均检测实际振幅A，并对比检测实际振幅A与振幅控制值[A]，当

时，检测单元的压实质量不满足要求，当

时，检测单元的压实质量满足要求。

压实程度合格率R _a是判断碾压面是否合格的标准。碾压面由多个检测单元组成，碾压过程中判断每个单元的压实质量是否满足要求，并进行统计。某遍碾压后，碾压面上的检测单元总数为N，满足质量要求的检测单元数为M，则压实程度合格率计算方法如下式：

若压实程度合格率R _a不小于95%，则自动结束碾压。若压实程度合格率R _a小于95%，则对压实振动连续检测不合格的区域进行补压。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统，包括振动轮振动检测子系统、车载数据处理器和卫星定位子系统，其特征为：所述振动轮振动检测系统实时检测振动轮的竖向振动加速度，其竖向振动加速度信号传输到车载数据处理器中；所述车载数据处理器通过加速度频域二次积分，进而计算土体压实质量连续检测指标实际振幅A；所述卫星定位子系统实时检测压路机位置信息并传输到车载数据处理器，所述车载数据处理器将采集的位置信息与对应的存储位置信息匹配，确定碾压面上每个检测单元的实际振幅，并与常规质量控制值确定的振幅控制值[A]相比较，当检测实际振幅A小于[A]时，认为路基压实质量符合要求，当碾压面的压实质量合格率大于等于95%时，停止碾压作业。

2.根据权利要求1所述的基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统，其特征为：采用加速度传感器采集竖向振动加速度信号，所述加速度传感器设置在压路机振动轮上，实时采集振动轮的竖向加速度信号，并将加速度信号传输到车载数据处理器中，振动轮振动检测子系统也可直接采用位移传感器检测振动轮竖向振动位移。

3.根据权利要求1所述的基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统，其特征为：所述的车载数据处理器设置在压路机驾驶室内，用于接收、存储、处理振动轮振动检测子系统和卫星定位子系统采集的振动轮振动加速度信号和振动压路机三维位置信息，形成全碾压面的实际振幅分布图，判断检测单元压实质量是否合格，计算碾压面压实程度合格率R _a。

4.根据权利要求3所述的基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统，其特征为：所述的车载数据处理器中，振动轮加速度以向上为正，向下为负进行存储，同时车载数据处理对加速度信号进行傅里叶变，将其换转换到频域，然后在频域中进行二次积分，再通过傅里叶逆变换转换到时域，得到振动轮的振动位移，为考虑加速度中的多次谐波影响，加速度频域积分的频率范围为5~200Hz；加速度频域积分数值公式如下式：

其中：

式中：

为振动位移；

为频率分辨率；N为数据点数；

为加速度的傅里叶变换；

为截止频率下限；

为截止频率上限；通过加速度时域积分得到的加速度振幅曲线为正弦曲线，提取每个振动周期内的正向幅值最大值最为加速度幅值。

5.根据权利要求4所述的基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统，其特征为：还包括检测单元，所述的检测单元是进行压实质量连续检测的最小单元，振动轮宽度为W，每行驶L距离输出一个实际振幅A，检测单元即为这一过程中振动轮碾压过的区域，面积为

，实际振幅A反映该检测单元的平均压实质量；一个检测单元内所有振动周期的正向幅值最大值的平均值作为该检测单元的实际振幅A。

6.根据权利要求3所述的基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统，其特征为：所述的碾压面压实程度合格率R _a是判断碾压面是否合格的标准，碾压面由多个检测单元组成，碾压过程中判断每个单元的压实质量是否满足要求，并进行统计，某遍碾压后，碾压面上的检测单元总数为N，满足质量要求的检测单元数为M，则压实程度合格率计算方法如下式：

若压实程度合格率R _a不小于95%，则自动结束碾压；若压实程度合格率R _a小于95%，则对压实振动连续检测不合格的区域进行补压。

7.一种基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测方法，包括权利要求1-6任一所述的于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测系统，其特征为：所述的振幅控制值[A]，为判断土体压实质量是否合格的阈值，其值可以通过现场碾压试验，建立实际振幅与土体常规质量检测指标的相关关系，根据常规质量检测指标控制值确定，在碾压过程中，确定全碾压面上每个检测单元内的平均检测实际振幅A，并对比检测实际振幅A与振幅控制值[A]，当

时，检测单元的压实质量不满足要求，当

时，检测单元的压实质量满足要求。

8.将权利要求7所述的基于振动轮实际振幅的路基压实质量连续检测方法应用于各类土体振动压实过程的压实质量连续检测与评估中。