CN114673051A - 适用于压实的路基压实质量连续检测系统、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于压实的路基压实质量连续检测系统、方法及应用，在振动压路机上安装了路基压实质量连续检测系统，实时集采振动压路机位置信息、车速、振动频率、振幅和振动轮竖向振动信号，在试验段第一层已压实填料上采用不同振动频率、振幅和车速进行压实质量连续检测，建立标准压实质量连续检测指标模型，在试验段第二层虚铺填料上采用不同振动频率、振幅和车速进行碾压，并检测路基常规质量验收指标，建立考虑底层路基填筑质量、振动频率、振幅和车速的路基压实质量连续检测模型并提出压实质量连续检测控制值计算方法，为智能压实过程中的压实质量连续检测提供一种新方法。

Description

适用于压实的路基压实质量连续检测系统、方法及应用

技术领域

本发明涉及一种检测系统、方法及其应用，尤其是涉及一种适用于压实的路基压实质量连续检测系统、方法及应用，属于路基填筑建造领域。

背景技术

填料压实是路基建设过程中的主要环节，通过提高填料的密实度增强其力学性能和稳定性。填料压实质量和压实效率一直是高铁路基建设的重点关注问题，压实质量直接关系铁路线路运营安全，压实效率直接影响建设周期与工程投资。目前铁路路基工程采用填筑工艺试验确定振动压实参数，按照设定的振动压实参数进行碾压作业，碾压完毕后采用人工点抽样检测的方法进行质量检测，无法全面反映碾压面压实状况。

20世纪70年代，Thuner基于振动轮振动加速度的频谱成分提出压实计值（CMV）用于土石填料压实质量评价，此后学者对振动压路机-土系统动力特性进行深入研究，提出了不同连续检测指标。目前压实质量连续检测指标主要包括加速度类、力学类和能量类三类。加速度类指标一般通过对振动加速度信号进行快速傅里叶变换（FFT）得到频域图，分析加速度谐波在振动压实过程的变化情况计算得到，如Gorman考虑加速度高次整数倍谐波，提出总谐波失真量THD；Scherocman考虑整数倍和分数倍谐波，提出压实控制值CCV；刘东海针对堆石料等粗粒土填料，提出压实值CV。填料压实状态不同，振动轮与填料的相互作用力以及填料变形特性也不同，基于此一些学者提出力学类指标，如徐光辉基于地基反力概念，提出振动压实值VCV；Bomag基于圆柱体在弹性半无限地基上的力学分析，提出振动模量E _vib；Mooney基于二自由度振动压路机-土动力学模型，提出土体刚度k _s。振动压实过程中，振动压路机产生的激振能量传入到填料中，一部分被填料吸收，一部分反馈给振动轮，能量的传递特性也能反映填料压实状况，基于此一些学者提出能量类指标，如White计算了压路机碾压行驶消耗能量，提出机器驱动功率（MDP）；Bomag根据填料受力-变形形成的滞回圈面积大小，提出Omega；叶阳升分析了高铁路基填料振动压实过程中振动能量的传递特性，提出了基于振动信号能量的压实质量连续检测指标—能量压实值（CEV）。除以上三类指标外，近年来也有一些新型连续检测指标提出，如张庆龙分析了振动轮与填料相互作用声波产生机理，基于声压原理提出了声学压实值SCV。

现有技术，如中国专利申请,其申请号：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。中国专利申请,其申请号：CN2019109113135，公开号：CN111024922 A公开一种高速铁路路基压实质量连续检测系统和方法，该系统包括采集装置、数据处理装置、显示装置、管理装置和中央控制装置，该采集装置包括振动采集单元、级配识别单元、含水率检测单元和定位单元；该方法包括采集装置采集信息并将所采集的信息传送到数字处理装置，数字处理装置对所采集的信息进行处理和分析,得到处理和分析后的数据，基于所述处理和分析后的数据，控制压路机压实参数调整，从而提高路基压实质量。中国专利申请,其申请号：CN2020113277200，公开号：CN112613092 A公开一种路基压实度空间分布的预测方法和预测装置，所述方法包括：S1：确定路基土方上的碾压研究区域，并将研究区域进行网格划分，获取各个网格对应的压实参数；S2：当振动压路机沿着碾压带进行压实质量连续检测时，保持振动压路机正向行驶且振动频率稳定，并采集振动压路机上振动轮的竖向加速度信号，利用半变异函数法对竖向加速度信号进行处理以获取约束随机场参数；S3：利用协方差矩阵分解法建立各个压实参数对应的完全随机场模型，基于克里金插值法对完全随机场模型进行数学变换形成约束随机场模型；S4：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。

从以上研究可以看出，目前的压实质量连续检测方法只基于单一的连续检测指标评价路基压实质量，但是压实质量连续检测指标大小不仅与土石料压实状态有关，也受振幅、频率、车速和行驶方向等振动压实参数影响。如刘东海通过现场试验分析了车速和振动模式对堆石料压实质量连续检测指标CV的影响，结果表明慢车速、低频高幅振动模式下的CV值更大。范娟开展正交试验研究振动参数对高铁路基CMV的影响，方差分析结果表明振幅、频率、车速和行驶方向对CMV均有影响。Mooney总结了各振动压实参数对k _s、E _vib 、CMV、CCV等压实质量连续检测指标的影响。同时振动压路机的有效影响深度约为1m，铁路路基每层填料厚度为30~40cm，因此压实质量连续检测指标也受底层填料压实质量的影响。

由于已有检测方法没有考虑底层填料对压实质量连续检测值的影响，同时压实质量连续评估模型中也没有定量考虑振动压实参数的影响，因此连续检测精度较低。在智能压实过程中，每一遍的振幅、频率和车速等参数都根据填料当前的压实质量进行优化调整，是不断变化的，这导致目前压实质量连续检测方法不适用于智能压实，有必要提出一种考虑底层填料压实质量的，考虑振动频率、振幅、车速等振动压实参数改变的，适用于智能压实的路基压实质量连续检测方法。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明设计一种适用于压实的路基压实质量连续检测系统，其技术方案如下：

路基压实质量连续检测系统，其特征在于，包括振动压路机、卫星定位接收模块、加速度传感器、振幅检测模块、车载信号分析处理模块、车载显示模块；其特征在于：

所述卫星定位接收模块提供振动压路机的三维空间位置信息和行驶速度信息；

所述加速度传感器安装在振动轮上，采集振动轮竖向加速度信号；

所述振幅检测模块检测振动压路机偏心块夹角角度；

所述振动压路机的三维位置信息、车速信息、加速度信号、振幅信息均传输至车载信息分析处理模块，该车载信息分析处理模块通过对加速度信号进行希尔伯特-黄变换变换，检测振动压路机的瞬时振动频率，并通过对边际谱进行积分，计算压实质量连续检测指标—能量压实值CEV，判断路基压实质量是否合格；

所述车载显示模块实时展示当前压路机位置、振动压实参数、压实质量合格区域与不合格区域。

本发明还公开一种适用于智能压实的路基压实质量连续检测方法，包括上述的路基压实质量连续检测系统。

本发明还公开一种将上述适用于智能压实的路基压实质量连续检测方法应用于基建设过程中。

有益效果

由于考虑了底层填料对压实质量连续检测值的影响，同时在压实质量连续评估模型中也定量考虑振动压实参数的影响，因此连续检测精度较高。

建立考虑底层路基填筑质量、振动频率、振幅和车速的路基压实质量连续检测模型并提出压实质量连续检测控制值计算方法，为智能压实过程中的压实质量连续检测提供一种新方法。

附图说明

图1为路基压实质量连续检测系统组成示意图。

图2为路基压实质量连续检测模型建立流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明：

如图1所示，路基压实质量连续检测系统由卫星定位模块101、加速度传感器102、偏心块夹角检测模块103、车载信息分析模块104、车载显示模块组成105。卫星定位模块101的卫星接收机安装在振动压路机车顶，接受卫星定位信号，对压路机三维空间位置进行厘米级定位，并精确计算压路机行驶车速；加速度传感器102安装在振动轮上且不随振动轮滚动，实时采集振动轮竖向加速度信号，采样频率宜大于1000Hz；智能压路机一般设置双偏心块，通过调节偏心块之间的夹角实现振幅无级调节，偏心块夹角检测模块103实时检测偏心块夹角。卫星定位模块101、加速度传感器102、偏心块夹角检测模块103采集的数据均传输至车载信息分析模块104，车载信息分析模块104对各信息进行分析、处理与存储，具体以压路机行驶碾压某一固定面积为一个检测单元，对该检测单元内的加速度信号进行经验模态分解，然后将分解后的每个IMF分量进行希尔伯特-黄变换变换，得到加速度信号边际谱，根据边际谱确定振动压路机振动频率并计算压实质量连续检测指标CEV，通过与压实质量连续检测控制值相比较，判断当前单元压实质量是否达标，将该检测单元对应坐标位置、压实质量连续检测值、振动频率、振幅、车速、达标情况存储为一组数据。车载显示模块组成105的液晶显示屏安装在驾驶室前上方等显著位置，且不会阻挡驾驶员视野，屏幕实时显示路基工程三维模型、压路机当前位置（包括绝对坐标和在路基上的相对位置）、压路机振动频率、振幅、车速以及每一检测单元的压实质量连续检测值CEV，其中压实合格的检测单元显示绿色，压实不合格的检测单元显示红色，便于实时掌握路基压实状态，并对未合格区域进行补压。

通过试验段振动碾压试验建立路基压实质量连续检测模型，建立流程如图2所示，为考虑底层填料压实质量对上层填料压实质量连续检测的影响，共分为两层填料进行试验，两层填料的试验段在竖直方向上应完全重合。具体操作为：

振动压路机安装路基压实质量连续检测系统。将加速度传感器竖直安装在振动轮上，实时采集振动轮竖向振动加速度信号，并传输至车载信息分析模块，车载分析模块对加速度进行边际谱分析，计算压实质量连续检测指标CEV。

（1）铺设第一层填料，严格控制填料铺设厚度等于工程实际采用的摊铺厚度。采用振动碾压的方式对第一层填料进行充分压实，压实后的填料应符合相关质量验收标准。

（2）定义某一额定振动频率、振幅和车速（f ₀，A ₀，v ₀）作为标准振动压实参数，首先采用标准振动压实参数在以压实后的试验条带上进行压实质量连续检测，以某一固定长度（如0.5m）为单位将试验条带划分为若干检测单元p ₁，p ₂，···，p _n ，其中下标代表该检测单元在该层的编号。根据每一个检测单元范围内的加速度信号计算压实质量连续检测值CEV₀₁、CEV₀₂，···，CEV_0n ，其中下标第1个数字代表工况组数，第2个数字代表检测单元编号，以该工况的压实质量连续检测值作为标准压实质量连续检测值，记为CEV_0i ^*。在同一试验条带上采用不同的振动频率、振幅和车速组合（f _j ，A _j ，v _j ）进行压实质量连续检测，得到各检测单元的压实质量连续检测值CEV _ji 。

（3）采用多元线性回归方法建立不同振动频率、振幅、车速（f _j ，A _j ，v _j ）下得到的连续检测指标CEV与标准压实质量连续检测值CEV^*之间的关系，即

式中：CEV^*为标准压实质量连续检测指标值；CEV为实测压实质量连续检测指标值；f为振动频率；f ₀为额定振动频率；A为振幅；A ₀为额定振幅；v为车速；v ₀为额定车速；a ₀~a ₂为常数项。

（4）在试验段铺设第二层填料，第二层填料的试验条带必须在水平面上与第一层的试验条带完全对应，即第二层每一位置处的CEV _upp ，都有对应的底层填料标准CEV _und ^*。每一遍碾压过程中检测压路机振动频率、振幅、车速和压实质量连续检测值，碾压完成后检测路基常规质量验收指标K。采用多元线性回归模型，构建起考虑底层填料压实质量、振动频率、车速的路基压实质量连续评估模型。

式中：

为本层填料压实质量连续检测指标值；K为压实质量常规检测指标值；

为底层填料标准压实质量连续检测指标值；f为振动频率；A为振幅；v为车速；a ₀~a ₅为常数项。

（5）通过压实质量连续评估模型确定压实质量连续检测控制值。压实质量连续检测控制值并非定值，而是与底层填料压实质量、振动频率、振幅和行驶车速相关。将压实质量常规检测指标合格值代入下式，计算相应底层填料压实质量、振动频率、振幅和行驶车速条件下的压实质量连续检测控制值。

式中：

为压实质量连续检测控制值；

为压实质量常规检测指标合格值；

为底层填料标准压实质量连续检测指标值；f为振动频率；A为振幅；v为车速；a ₀~a ₅为常数项。

（6）碾压施工过程中，将碾压面分划分为不同的检单元，采用卫星定位模块实时监测振动压路机的三维空间位置，对于第i个检测单元：采用GPS定位技术检测压路机通过该检测单元时的车速；采用加速度传感器采集对应时段的加速度信号，通过希尔伯特-黄变换得到加速度边际谱，确定振动频率并计算CEV值；采用偏心块夹角检测模块计算振幅。对该检测单元内的振动频率、振幅和车速进行平均处理，根据振动频率、振幅和对应的底层填料压实质量连续检测指标值CEV_und，根据步骤（4）建立的路基压实质量连续评估模型，计算本层填料压实质量连续检测值CEV _upp 。

（7）将检测通过路基压实质量连续检测模型评估碾压面每一处压实质量，判断压实质量连续检测合格率是否达标。路基压实质量连续检测合格率是针对某一检测单元，根据该检测单元对应的底层填料压实质量、检测单元内的振动频率、振幅、行驶车速以及常规检测指标合格值计算，计算该检测单元的压实质量连续检测控制值

，

合格标准：

不合格标准:

路基压实质量连续检测合格率为合格区域面积与总面积之比，即合格检测单元数量与检测单元总数量之比：

。

式中：R为路基压实质量连续检测合格率；

为压实合格区域面积；

为碾压面总面积；

为压实合格检测单元数量；

为碾压面检测单元总数量。

当路基碾压面压实质量连续检测合格率大于95%，认为压实质量满足要求，自动停止碾压，否则自动对不合格区域进行补压。

本发明建立了考虑底层路基填筑质量、振动频率、振幅和车速的路基压实质量连续检测模型并提出压实质量连续检测控制值计算方法，因此较已有的路基压实质量连续检测方法检测精度更高，同时适用于智能压实过程中智能调频调幅工况下的压实质量连续检测，为路基智能压实的实现提供一种新方法。

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 (8)

1.路基压实质量连续检测系统，其特征在于，包括振动压路机、卫星定位接收模块、加速度传感器、振幅检测模块、车载信号分析处理模块、车载显示模块；其特征在于：

所述卫星定位接收模块提供振动压路机的三维空间位置信息和行驶速度信息；

所述加速度传感器安装在振动轮上，采集振动轮竖向加速度信号；

所述振幅检测模块检测振动压路机偏心块夹角角度；

所述振动压路机的三维位置信息、车速信息、加速度信号、振幅信息均传输至车载信息分析处理模块，该车载信息分析处理模块通过对加速度信号进行希尔伯特-黄变换，检测振动压路机的瞬时振动频率，并通过对边际谱进行积分，计算压实质量连续检测指标—能量压实值CEV，判断路基压实质量是否合格；

所述车载显示模块实时展示当前压路机位置、振动压实参数、压实质量合格区域与不合格区域。

2.一种适用于智能压实的路基压实质量连续检测方法，包括权利要求1所述的路基压实质量连续检测系统，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：在试验段铺设第一层路基填料，并碾压至符合规范要求的压实质量；

步骤2：在碾压好的第一层填料上，采用不同振动频率、车速和振幅进行压实振动连续检测；

步骤3：构建底层填料标准压实质量连续检测指标模型；

步骤4：在试验段铺设第二层路基填料，每一遍碾压过程中检测压路机振动频率、振幅、车速和压实质量连续检测值，碾压完成后检测路基常规质量验收指标；

步骤5：构建路基压实质量连续检测模型；

步骤6：碾压施工过程中实时检测压路机空间位置信息、车速、振动频率、振幅和连续检测指标，并通过路基压实质量连续检测模型评估碾压面每一处压实质量；

步骤7：判断路基压实质量连续检测合格率是否达标，对压实质量不合格区域，自动规划路径进行补压。

3.根据权利要求2所述的适用于智能压实的路基压实质量连续检测方法，其特征为：所述的底层填料标准压实质量连续检测指标模型构建如下：建立同一碾压面上，采用不同振动压实参数进行连续检测得到的CEV与采用标准振动压实参数进行连续检测得到的CEV^*之间的转换关系；

其建立方法为：在完全碾压好的路基填料上，首先采用额定频率、振幅和车速（f ₀，A ₀，v ₀）工况开展压实质量连续检测，以该工况条件下检测得到的CEV作为标准压实质量连续检测指标值CEV^*，然后采用不同振动频率、振幅、车速，在同一试验条带上进行压实质量连续检测试验得到对应的CEV指标，采用多元回归模型，将实测CEV转换为标准CEV^*，建立底层填料标准压实质量连续检测指标模型：

式中：CEV^*为标准压实质量连续检测指标值；CEV为实测压实质量连续检测指标值；f为振动频率；f ₀为额定振动频率；A为振幅；A ₀为额定振幅；v为车速；v ₀为额定车速；a ₀~a ₂为常数项。

4.根据权利要求2所述的适用于智能压实的路基压实质量连续检测方法，其特征为：所述的路基压实质量连续检测模型构建如下：综合考虑本层填料压实质量、底层填料压实质量、振动频率、振幅和车速对压实质量连续检测指标CEV的影响，其中底层填料压实质量采用标准CEV^*表示，通过多元回归模型建立反映本层填料压实质量的连续检测模型，并计算压实质量连续检测控制值：

式中：

为本层填料压实质量连续检测指标值；K为压实质量常规检测指标值；

为底层填料标准压实质量连续检测指标值；f为振动频率；A为振幅；v为车速；a ₀~a ₅为常数项。

5.根据权利要求4所述的适用于智能压实的路基压实质量连续检测方法，其特征为：所述的压实质量连续检测控制值并非定值，而是与底层填料压实质量、振动频率、振幅和行驶车速相关；将压实质量常规检测指标合格值代入下式，计算相应底层填料压实质量、振动频率、振幅和行驶车速条件下的压实质量连续检测控制值：

式中：

为压实质量连续检测控制值；

为压实质量常规检测指标合格值；

为底层填料标准压实质量连续检测指标值；f为振动频率；A为振幅；v为车速；a ₀~a ₅为常数项。

6.根据权利要求2所述的适用于智能压实的路基压实质量连续检测方法，其特征为：评估碾压面每一处压实质量包括如下内容：在碾压过程中，采用卫星定位模块实时监测振动压路机的三维空间位置，采用加速度传感器实时检测振动轮加速度信号，振动压路机每行驶固定距离所碾压的区域作为一个检测单元，利用该检测单元内的加速度信号、振动频率、振幅、车速以及对应底层填料标准压实质量连续检测指标值，计算一次压实质量连续检测值

。

7.根据权利要求2所述的适用于智能压实的路基压实质量连续检测方法，其特征为：所述的路基压实质量连续检测合格率是针对某一检测单元，根据该检测单元对应的底层填料压实质量、检测单元内的振动频率、振幅、行驶车速以及常规检测指标合格值计算，计算该检测单元的压实质量连续检测控制值

，若

，则判定该检测单元压实质量合格，若

，则判定该检测单元压实质量不合格；路基压实质量连续检测合格率为合格区域面积与总面积之比，即合格检测单元数量与检测单元总数量之比：

式中：R为路基压实质量连续检测合格率；

为压实合格区域面积；

为碾压面总面积；

为压实合格检测单元数量；

为碾压面检测单元总数量；当路基碾压面压实质量连续检测合格率大于95%，认为压实质量满足要求，自动停止碾压，否则自动对不合格区域进行补压。

8.将权利要求2-7任一所述适用于智能压实的路基压实质量连续检测方法应用于基建设过程中。

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