CN114693024A - 高速铁路路基连续压实评价方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速铁路路基的连续压实评价方法及装置，从压实能量角度对路基进行连续控制，并借助非线性数字信号处理技术对振动轮竖向加速度信号进行处理，估算出振动信号所携带的压实能量。本发明提供的连续压实评价方法，能够有效的避免粗粒土等在压实过程中振动频谱成分复杂以及傅里叶变换在分析非线性振动中的局限性，并能够有效克服传统压实计指标中适应性较差、精度不足以及受车速影响大等问题，可应用于高速铁路路基的连续压实控制。
Description
技术领域
本发明涉及铁路施工工程技术领域，尤其涉及一种高速铁路路基连续压实评价方法及装置。
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。
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基于压实计原理(以下简称压实计指标)，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，该方法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，以此反映填料压实状态的变化情况，该指标主要存在两个问题：
(1)适应性较差。当高速铁路路基填料为含细粒土较多的夹粉土砾时，其振动轮竖向加速度信号频谱成分只有基波和一次谐波，该指标是有效的。而在含粗颗粒较多的夹粘土砾和堆石料在细粒土中，其振动轮竖向加速度信号频谱成分发生改变，出现多次谐波，使得只考虑一次谐波幅值影响的压实计指标不能正确的评定填料的压实效果。
(2)精度不足。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，造成压实计指标评定填料的压实效果精度不足。
(3)受车速影响大。传统的压实计指标受驾驶压路机车速影响较大，当车速较快时，压实计指标值往往偏大；车速较小时，压实计指标值往往偏小。从而导致传统压实计指标不能准确的评价路基填料的压实程度。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的主要目的在于针对现有技术中对于铁路路基连续压实评价指标存在的适应性较差和精度不足等问题，提供一种高速铁路路基的连续压实评价方法以及装置，以采用适应性更强以及精度更高的评价指标对于铁路路基的连续压实进行评价。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种高速铁路路基的连续压实评价方法，包括步骤：
每隔预定压路机压实距离，实时获取压实过程中振动轮的竖向加速度振动信号和获取时间，以获得所述竖向加速度振动信号的时间-加速度曲线；
对所述时间-加速度曲线进行经验模态分解，获取一系列固有模态函数分量；
根据所述固有模态函数分量得到所述振动信号的频率-能量曲线；
利用积分原理对所述频率-能量曲线求和，获得该段距离振动信号所携带的振动能量；
将上述的振动能量除以压路机压过预定压路机压实距离的时间，得到消除压路机车速影响后的振动能量；
重复上述各步骤，以获取整个所述压实过程中的振动信号能量曲线；
基于所述振动信号能量曲线，对该路基的连续压实进行评价。
进一步的，根据所述固有模态函数分量得到所述振动信号的频率-能量曲线，包括：
对该固有模态函数分量进行变换，以得到振动信号的时间-频率-能量曲线。
进一步的，对所述时间-频率-能量曲线进行时间积分，以得到所述振动信号的频率-能量曲线。
进一步的，根据下述公式对固有模态函数分量进行变换：
式中：ai(t)为IMF幅值随时间的函数；ωi(t)为IMF频率随时间的函数；Re表示取实部；n为IMF的数量。
进一步的，对所述时间-频率-能量曲线进行时间积分的积分公式为：
式中：H(ω,t)为Hilbert谱函数；e(ω,t)为Hilbert边际谱函数。
进一步的，所述经验模态分解，包括：
对所述振动信号的所有极大值点和极小值点分别进行插值运算；
利用时间序列上下包络的平均值确定包络线的平均值；
提取一系列具有不同特征尺寸的固有模态函数分量。
进一步的，通过在振动轮布设的加速度传感器，实时获取所述压实过程中振动轮的竖向加速度振动信号。
进一步的，通过对比多次压实后所述振动能量曲线的变换情况，对该路基的连续压实进行评价。
根据本发明的另一个方面，提供了一种高速铁路路基的连续压实评价装置，所述连续压实评价装置包括信号获取和预处理模块、经验模态分解模块、频率-能量曲线获取模块、振动能量计算模块、以及评价模块，所述各个模块依次连接，其中，
信号获取和预处理模块：每隔预定压路机压实距离，实时获取压实过程中振动轮的竖向加速度振动信号，并对所述竖向加速度振动信号进行预处理，以得到时间-加速度曲线；
经验模态分解模块：接收所述信号获取和预处理模块输出的时间-加速度曲线，对其进行经验模态分解，获取一系列固有模态函数分量；
频率-能量曲线获取模块：接收所述经验模态分解模块输出的固有模态函数分量，根据所述固有模态函数分量得到所述振动信号的频率-能量曲线；
振动能量计算模块：接收所述频率-能量曲线获取模块输出的频率-能量曲线，利用积分原理对所述频率-能量曲线求和，获得该预定距离振动信号所携带的振动能量，将上述能量除以压路机压过预定压路机压实距离的时间，得到消除压路机车速影响后的振动能量；
评价模块：接收所述振动能量计算模块输出的振动能量，根据每个预定距离的所述振动能量，得到整个所述压实过程中的振动信号能量曲线，基于所述振动信号能量曲线，对该路基的连续压实进行评价。
综上所述，本发明提供了一种高速铁路路基的连续压实评价方法及装置，从压实能量角度对路基进行连续控制，并借助非线性数字信号处理技术对振动轮竖向加速度信号进行处理，估算出振动信号所携带的压实能量指标。本发明提供的连续压实评价方法，能够有效的避免粗粒土等在压实过程中振动频谱成分复杂以及傅里叶变换在分析分线性振动中的局限性，并能够有效克服传统压实统计指标中适应性较差和精度不足等问题，可应用于高速铁路路基的连续压实控制。
附图说明
图1是铁路路基压实过程中的压实能量传递示意图；
图2是本发明高速铁路路基的连续压实评价方法的流程图；
图3是本发明高速铁路路基的连续压实评价装置的构成示意图；
图4是压实过程中振动信号的时间-加速度曲线；
图5是压实过程中振动信号的时间-频率-能量曲线；
图6是压实过程中振动信号的频率-能量曲线；
图7是压实过程中振动信号的能量指标曲线。
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。
为了针对现有技术中对于铁路路基连续压实评价指标存在的适应性较差和精度不足等问题，本发明提供了一种高速铁路路基的连续压实评价方法以及装置。路基的压实过程实际上是一个能量交换的过程，图1中示出了铁路路基压实过程中的压实能量传递示意图，如图1所示，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，建立能量平衡式：
Eeff＝Ea-Eb (1)
上式(1)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。根据上述压路机压实的原理，本发明所提供的技术方案，基于能量守恒定律，通过压实过程中振动轮竖向加速度信号的能量变化特性进行路基的连续压实控制。借助非线性数字信号处理技术对振动轮竖向加速度信号进行处理，估算出振动信号所携带的压实能量指标。当填料达到密实状态，振动信号所携带能量逐渐稳定，以此对路基进行连续压实控制。
下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种高速铁路路基的连续压实评价方法，该评价方法的流程图如图2所示，包括步骤：
每隔预定距离，实时获取压实过程中振动轮的竖向加速度振动信号，以获得所述竖向加速度振动信号的时间-加速度曲线。在实际操作的过程中，可以通过在振动轮布设的加速度传感器，实时获取所述压实过程中振动轮的竖向加速度振动信号。所述预定时间间隔可以任意设置，以有规律并且不间断地对整个压实过程的竖向加速度振动信号进行获取，可以获得较为可靠的评价结果。
对所述时间-加速度曲线进行经验模态分解，获取一系列固有模态函数分量。为量化非线性振动信号所携带的能量大小，对采集到的振动轮加速度信号F(t)进行经验模态分解，首先找出振动信号全部的极大值和极小值点，对所有极大值点和极小值点分别进行插值运算，利用时间序列上下包络的平均值确定“瞬时平衡位置”，“瞬时平衡位置”是指即包络线的平均值，进而提取一系列具有不同特征尺寸的固有模态函数分量。
随后，对分解出来的固有模态函数分量作按下式(2)进行变换,得到振动信号在时间-频率-能量尺度上的分布规律，即得到该振动信号的时间-频率-能量曲线。
继续在该式中对时间进行积分，则可得到振动信号在频率-能量尺度上的分布规律，即该振动信号的频率-能量曲线：
通过上式(3)可以得到振动信号各频带上的能量分布。其频率表征了振动信号每个频率点的累积幅值分布，而傅里叶频谱的某一点频率上的幅值表示在整个信号里有一个含有此频率的三角函数组分，因而上式(3)更能准确地反映信号的实际频率成分。
同时，由于其物理含义为信号中瞬时频率的总能量大小，故利用积分原理对上式曲线进行求和，得到该段距离的振动信号所携带的总能量，将上述能量除以压路机经过预定距离的时间，消除车速的影响，并以此作为连续压实控制指标。
重复上述各步骤，得到振动压路机在整个碾压过程中的振动信号能量曲线，对比多次碾压后振动信号能量曲线变化情况，以此评价路基的压实效果。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种高速铁路路基的连续压实评价装置，该装置的构成示意图如图3所示，该装置包括：信号获取和预处理模块、经验模态分解模块、频率-能量曲线获取模块、振动能量计算模块、以及评价模块，所述各个模块依次连接。下面对各个模块的功能进行说明。
信号获取和预处理模块：每隔预定压路机压实距离，实时获取压实过程中振动轮的竖向加速度振动信号，并对所述竖向加速度振动信号进行预处理，以得到时间-加速度曲线。
经验模态分解模块：接收所述信号获取和预处理模块输出的时间-加速度曲线，对其进行经验模态分解，获取一系列固有模态函数分量。
频率-能量曲线获取模块：接收所述经验模态分解模块输出的固有模态函数分量，根据所述固有模态函数分量得到所述振动信号的频率-能量曲线。
振动能量计算模块：接收所述频率-能量曲线获取模块输出的频率-能量曲线，利用积分原理对所述频率-能量曲线求和，获得该预定距离振动信号所携带的振动能量，将上述能量除以压路机压过预定压路机压实距离的时间，得到消除压路机车速影响后的振动能量。
评价模块：接收所述振动能量计算模块输出的振动能量，根据每个预定时间间隔的所述振动能量，得到整个所述压实过程中的振动信号能量曲线，基于所述振动信号能量曲线，对该路基的连续压实进行评价。
上述各模块功能的实现原理以及具体实现过程均与上文本发明第一实施例的实现原理以及过程相同，在此不再赘述。
下面以京雄城际铁路固安段路基压实工程为例，说明本发明所提供的连续压实评价方法在实际工程中的应用。
在振动压路机压实过程中，通过在振动轮布置加速度传感器，实时获取压实过程中振动轮的竖向加速度振动信号。
以2m为距离，选取振动轮的竖向加速度振动信号，做出时间-加速度曲线，该时间-加速度曲线如图4所示，从图4中可以看出，该振动压路机在压实过程中的竖向加速度在-4g至4g之间。
对该时间-加速度曲线进行经验模态分解，得到一系列具有不同特征尺寸的固有模态函数分量。
对得到的各固有模态函数分量按上文中的公式(2)进行变换，得到振动信号的时间-频率-能量曲线，该时间-频率-能量曲线如图5所示，从图5中可以直观地看到振动信号在时间-频率-能量尺度上的分布规律。
对时间-频率-能量曲线按上文中的公式(3)进行时间积分，得到振动信号的频率-能量曲线，该振动信号的频率-能量曲线如图6所示，图6中示出了振动信号在频率-能量尺度上的分布规律。
然后，利用积分原理对上述获得的频率-能量曲线进行求和，得到该2m距离的振动信号所携带的振动能量。
将上述能量除以压路机经过这2m距离的时间，得到消除车速的影响后的振动能量指标。
按照上述所述方法，重复进行上述各个步骤，从而得到振动压路机在整个碾压过程中的振动信号能量指标曲线，该振动信号的能量指标曲线如图7所示，通过对图7中多次碾压后振动信号能量曲线变化情况进行对比，以此评价路基的压实效果。
综上所述，本发明提供了一种高速铁路路基的连续压实评价方法及装置，从压实能量角度对路基进行连续控制，并借助非线性数字信号处理技术对振动轮竖向加速度信号进行处理，估算出振动信号所携带的压实能量指标。本发明提供的连续压实评价方法，能够有效的避免粗粒土等在压实过程中振动频谱成分复杂以及傅里叶变换在分析分线性振动中的局限性，并能够有效克服传统压实计指标中适应性较差、精度不足以及受车速影响较大等问题，可应用于高速铁路路基的连续压实控制。并且以京雄城际铁路固安段路基压实工程为例，进一步说明了本发明所提供的连续压实评价方法在实际工程中的应用，通过其中提供的图标曲线以及数据可以看到，本发明提供的高速铁路路基的连续压实评价方法的实际工程应用中取得了良好的效果。
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 (9)
1.一种高速铁路路基的连续压实评价方法，其特征在于，包括步骤：
每隔预定压路机压实距离，实时获取压实过程中振动轮的竖向加速度振动信号和获取时间，以获得所述竖向加速度振动信号的时间-加速度曲线；
对所述时间-加速度曲线进行经验模态分解，获取一系列固有模态函数分量；
根据所述固有模态函数分量得到所述振动信号的频率-能量曲线；
利用积分原理对所述频率-能量曲线求和，获得该段距离振动信号所携带的振动能量；
将上述的振动能量除以压路机压过预定压路机压实距离的时间，得到消除压路机车速影响后的振动能量；
重复上述各步骤，以获取整个所述压实过程中的振动信号能量曲线；
基于所述振动信号能量曲线，对该路基的连续压实进行评价。
2.根据权利要求1所述的连续压实评价方法，其特征在于，根据所述固有模态函数分量得到所述振动信号的频率-能量曲线，包括：
对该固有模态函数分量进行变换，以得到振动信号的时间-频率-能量曲线。
3.根据权利要求2所述的连续压实评价方法，其特征在于，对所述时间-频率-能量曲线进行时间积分，以得到所述振动信号的频率-能量曲线。
4.根据权利要求3所述的连续压实评价方法，其特征在于，根据下述公式对固有模态函数分量进行变换：
式中：ai(t)为IMF幅值随时间的函数；ωi(t)为IMF频率随时间的函数；Re表示取实部；n为IMF的数量。
5.根据权利要求4所述的连续压实评价方法，其特征在于，对所述时间-频率-能量曲线进行时间积分的积分公式为：
式中：H(ω,t)为Hilbert谱函数；e(ω,t)为Hilbert边际谱函数。
6.根据权利要求1所述的连续压实评价方法，其特征在于，所述经验模态分解，包括：
对所述振动信号的所有极大值点和极小值点分别进行插值运算；
利用时间序列上下包络的平均值确定包络线的平均值；
提取一系列具有不同特征尺寸的固有模态函数分量。
7.根据权利要求1所述的连续压实评价方法，其特征在于，通过在振动轮布设的加速度传感器，实时获取所述压实过程中振动轮的竖向加速度振动信号。
8.根据权利要求1所述的连续压实评价方法，其特征在于，通过对比多次压实后所述振动能量曲线的变换情况，对该路基的连续压实进行评价。
9.一种高速铁路路基的连续压实评价装置，其特征在于，所述连续压实评价装置包括信号获取和预处理模块、经验模态分解模块、频率-能量曲线获取模块、振动能量计算模块、以及评价模块，所述各个模块依次连接，其中，
信号获取和预处理模块：每隔预定压路机压实距离，实时获取压实过程中振动轮的竖向加速度振动信号，并对所述竖向加速度振动信号进行预处理，以得到时间-加速度曲线；
经验模态分解模块：接收所述信号获取和预处理模块输出的时间-加速度曲线，对其进行经验模态分解，获取一系列固有模态函数分量；
频率-能量曲线获取模块：接收所述经验模态分解模块输出的固有模态函数分量，根据所述固有模态函数分量得到所述振动信号的频率-能量曲线；
振动能量计算模块：接收所述频率-能量曲线获取模块输出的频率-能量曲线，利用积分原理对所述频率-能量曲线求和，获得该预定距离振动信号所携带的振动能量，将上述能量除以压路机压过预定压路机压实距离的时间，得到消除压路机车速影响后的振动能量；
评价模块：接收所述振动能量计算模块输出的振动能量，根据每个预定距离的所述振动能量，得到整个所述压实过程中的振动信号能量曲线，基于所述振动信号能量曲线，对该路基的连续压实进行评价。
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2020
- 2020-12-29 CN CN202011587111.9A patent/CN114693024A/zh active Pending
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