本发明属于土石方填筑压实质量检测技术领域，可用于土石方填筑质量快速无损检测，特别涉及一种填筑连续压实声波检测系统与方法。
背景技术：
随着全球高速公路、铁路、机场、建筑物、桥、水库和大坝等的修建，越来越多的土石方工程的路基、坝基或坝体等填筑形式为土、沥青混合料、土石混合料或其他材料，而填筑材料的压实度是控制土石方工程填筑质量的一个重要指标，它直接影响填筑体的强度和稳定性，影响填筑体的使用性能和使用寿命，因此国内外的研究者提出并研发了许多针对土石方工程路基、坝基或坝体填筑质量的检测装备与技术。
检测装备与技术按照检测方式的不同，大致可以分为直接法、间接法。直接法包含灌砂法、环刀法、核子密度湿度仪法、灌水法等，间接法包含机载压实度检测仪法、探地雷达法、瑞利波法、电磁法、电阻率测试法和冲击响应频谱法等。直接法为抽样检测法，只能反映某些点的压实状况，不能反映整个工作面的压实质量，且属于有损检测，对原路基或填筑体的扰动较大，此外，该方法的检测装备繁杂且笨重，检测流程多而繁复，导致直接法检测效率低、人力及经济费用高，无法满足工程机械化快速施工的要求，因此会严重制约施工进度、降低公路、铁路、机场和大坝等施工效率和工程经济性；间接法属于间接反映土石方工程填筑质量的检测方法，检测精度低且检测装备昂贵，无法满足填筑质量(如土石坝填筑质量)的高标准要求，昂贵的检测设备且会大幅降低工程经济性，目前在土石坝填筑质量检测领域还没有检测精度高、高效且适用于土石坝填筑材料如砂砾石料的间接检测方法可用。综上所述，实际工程中需要一种检测精度高、实时高效、非接触的无损检测装备与技术。
目前，国内外对于填筑质量检测方面的研究，主要集中在路基填筑质量方面，相应的检测装备与技术已经在公路建造领域得到几十年的应用实践。在国外，相关研究主要集中于如何将ricm/ic技术应用于公路建造和选取ricm/ic参数作为机械路面设计标准值。目前，可用来表征土石方填筑体压实度的指标主要有cmv、mdp、ks、evib和thd等。基于压实度指标cmv、mdp、ks、evib和thd等的机载压实度检测技术通常被称为压路机集成压实监控技术(ricm)，由瑞典公路委员会的thurner在1974年基于辊的振动与土壤压实特性的相互关系提出ricm的概念。ricm是将检测装备安装在某种压实机械上，通过采集加速度、力/位移、机器净驱动功率、温度等信号，对采集到的信号进行分析处理，提出相应压实度指标，利用这些指标值来间接反映路面、路基或其他填筑体的压实程度的一种技术。随着技术的发展，如果基于ricm技术的填筑质量监控系统提供振动幅度、振动频率、压路机速度的自动反馈控制，则它通常被称为智能压实(intelligentcompaction,ic)。mooney和rinehart研究了现场振动加载过程中土的响应，并与利用ricm技术测量土刚度的关系进行了分析。white等对ricm技术的现场评估和规范的研究做了一个回顾综述，重点对cmv和mdp的应用做了概述，对现场评估做了全面综述并对相关规范做了一个简要回顾。heersink和furrer利用ricm技术对测得的现场土压实碾压测量值进行了空间分析。gallivan等利用ic方法对于改善道路施工建造进行了研究。mark和robert利用土压实预测模型对mdp的测量进行了校准，为ricm技术应用到实践中进行了有意义的探索研究。jiao等利用ricm技术对高速铁路路基施工过程中压实作业进行了稳定控制研究。cacciola等利用ricm系统对堤身施工过程中受碾压土的qa/qc进行了选择压实规范方法的探索研究。nie等对ricm技术测得压实度值与现场压实测试方法测得的压实度值进行了相关验证测试的孤立点分析。correia和parente利用ic技术对岩土材料的压实进行了研究，与常规压实方法进行了对比分析，结果表明ic技术性能优越且与常规方法比具有很多优点。sangiorgi等对于施工和建筑垃圾在公路建造中的回收利用进行了研究，在路堤施工阶段采用了ricm技术。barman等利用ic技术对于稳定路基的压实进行了实时监控分析研究。tan等基于ricm技术，利用谐波平衡识别方法(hbim)对土压实刚度的连续识别进行了研究。xu和chang利用ic技术对公路施工过程中的路面材料密度的质量控制和验收进行了研究，提出了一个原创的材料-机器-信息和人-决策集成系统，对压实特性如材料刚度进行了自适应的实时的覆盖100％压实区域的监控，通过监控压实过程和碾压机-地面相互作用，系统可以确定压实目标值并及时反馈给ic系统以优化压实作业和改善施工质量。除了ricm/ic技术之外，其他技术也得到了一定的发展和应用。如anbazhagan等尝试采用探地雷达技术对土的压实均匀性进行调查研究。shangguan等提出了一个原创的利用gpr技术对沥青路面压实进行监测的方法。beaucamp等利用一种步进频率雷达(sfr)技术对hma的压实度进行了无损检测和评估。karray等利用masw法对péribonka坝基的深层压实进行了评估研究。donohue等利用地震面波法对土压实情况进行了检测。fauchard等利用基于波传播的高频电磁法(em)对hma的压实度进行了确定。chiang等利用调查应力波传播速度检测回填土的压实度并评估其压实质量。islam等利用电阻率测试法对土的压实度情况进行了检测。moallemi-oreh等利用声学方法，对作物种植时土的压实度进行了估算研究。cui对受夯锤重量影响的动态孔隙压力和动态土压力进行了分析，提出了一个实时诊断路基压实状态的方法。
在国内，相关研究主要集中在表征压实效果的碾压机压实质量装置的开发和应用上。河北工业大学张润利等通过监测垂直方向的振动加速度来表征土层密实度，开发了振动压实度计量仪，可以替代传统的随机抽样检测路基压实度的方法。居彩梅在国外压实计工作原理的基础上，分析了用于碾压机检测土壤压实度的车载式压实度检测仪的测量方法，并提出了采用小波变换检测振动信号中的奇异成分，设计出了一种碾压机的连续压实度检测仪。宗文等开展了瑞雷面波在填海造地强夯检测工程中的应用研究，并对检测结果进行了分析。邓学欣等提出通过检测振动轮振动加速度间接反映土壤压实状况的压实度自动检测原理，并开发了响应检测系统。杨人凤等从土体粘弹塑性理论出发，以冲击+振动+静碾复合压实装置及被作用介质-土壤为整体，分析了土体在冲击+振动+静碾复合压实作用下的变形特点，建立了冲击+振动+静碾复合压实滚轮与土壤系统的动力学模型，采用理论分析与试验相结合的研究方法，在前期理论研究的基础上，利用自制的冲击振动复合压实装置通过大量试验，对土的压实机理进行了试验研究。缪林昌和邱钰针对南京地铁珠江路段的掘进施工过程中出现大量的渗水的情况，利用面波及面波的频谱分析(sasw)技术对地基土性进行了研究分析。李小勇和许金凯提出了用新型水囊式容积测定仪路基压实密度的检测方法。范云和汪英珍开展了填土压实质量检测及机载压实集成系统应用研究。黄声享等针对混凝土面板堆石坝施工特点，开发了面板堆石坝填筑质量的全球定位实时监控系统，实现了对碾压遍数、行车速度、压实厚度的监控。刘丽萍和王东耀开展了土石混合料压实质量控制方法研究。徐光辉等提出了以连续测试路基结构抗力变化信息为特色的动力学监控方法，开发了路基压实质量连续动态监控技术。李少波等提出了应用剪切波速评价土石混填路基孔隙率的新方法，提出以孔隙率为压实质量指标的控制标准。为了实现刚性路面面板脱空和路基压实质量的快速无损检测，刘会勋等提出了以瞬态锤击为特色的动态检测技术。沙爱民等采用自行研制的振动成型压实机，研究了大粒径碎石沥青混合料的振动压实方法。长安大学武雅丽、马学良、孙祖望等研究了基于能量平衡的振荡压路机压实自动控制技术。李斌等研制开发了南水北调中线一期工程高填方段碾压施工质量实时监控系统，并在工程实践中得到应用。于子忠和黄增刚开展了智能压实过程控制系统在水利水电工程中的试验性应用研究。吴斌平等提出了基于gps和实时动态差分技术rtk的大坝浇筑碾压施工质量实时监控理论，并基于此理论开发了龙开口碾压混凝土坝浇筑碾压施工质量实时监控系统并在该工程中得到应用。刘东海等以反映碾压机做功的坝料单位体积压实功(e)和碾轮振动加速度谐波失真量(thd0)作为堆石坝压实质量的实时监测指标，研制开发了堆石坝压实质量实时监测系统，并对堆石坝压实质量进行了实时监测与快速评估。此外，钟登华等基于碾压机集成压实监控技术(ricm)技术开发了土石坝实时碾压质量监控系统和碾压混凝土坝实时施工质量监控系统，应用碾压遍数、基于加速度谐波信号计算得到的压实度指标值表征压实质量，并通过多元回归模型，预测整个坝面或碾压施工区域的压实度情况。
以上国内外最新的研究成果表明，国外的土石方填筑质量装备与技术主要集中应用在高速公路、机场和铁路等路基的填筑质量检测上。其中，ricm技术的研究及应用最为广泛。国外的填筑质量检测装备与技术主要缺点是在土石坝填筑质量领域没有相应研究与工程应用经验且装备比较昂贵，无法在工程中进行大范围普及应用。而国内的最新技术仅仅发展到土石料或混凝土料的实时碾压施工质量监控，这种监控仅仅是针对碾压遍数、行车速度、碾压层厚度、碾压机振动状态等的监控，对土石料、混凝土料碾压质量的监控基本上还是通过碾压作业过程中多碾压几遍、碾压作业完成后建立多元回归模型预测整个施工区域碾压层的压实质量，这种方法表面上实现了实时碾压质量监控，但并非真正的实现了对现场大面积土石料、混凝土料压实度的实时快速有效的检测，很容易在材料碾压过程中产生过失压的情况、出现材料碾压的非均匀性，各种技术的集成也是建立在人为操作为主体的基础上，碾压质量并不能得到有效保证，碾压精确性、材料均匀性、现场碾压施工高效性更得不到保障，此外，这种实时碾压施工质量监控系统结构复杂，硬件设备繁多，配套软件要求高且繁多，直接导致整个系统价格昂贵，大幅降低了工程经济性。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种填筑连续压实声波检测系统与方法，可以用于路基或坝基填筑质量的检测与控制，尤其是土石坝坝体填筑过程中砂砾石料的压实质量检测与控制，作为土石坝施工过程中坝基及坝体填筑质量检测和控制的一种有效工具，本发明在不破坏土石坝坝基或坝体的前提下，可以简单、高效且精确地检测土石坝坝基或坝体填筑质量，以便于控制其填筑质量。本发明基于声学方法对土石料的压实度进行快速无损检测，通过声音信号采集装置实现对碾压机振动压实过程中土石料中发出的声信号的采集，然后利用机载计算机对采集到的有效声信号进行频谱分析处理，得到声音压实指标值，该指标与土石料压实度具有强相关性，能有效表征土石料的压实效果，数据实时传输至远程监控装置上，便于数据存取和数据的在线监测分析，这样就可以有效解决现有土石方工程填筑质量检测方面，尤其是土石坝填筑质量检测方面存在的精度低、低效、检测装备或系统结构复杂、价格昂贵、非全区域实时测量等问题，实现对土石料压实度的快速、无损、精确高效测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种填筑连续压实声波检测系统，设置于加载设备上，包括检测设备，所述加载设备为碾压机，实施现场碾压施工作业，所述检测设备实时采集碾压机碾压填筑层时，碾压层附近形成的声波场时域信号及碾压机的当前位置坐标信息，并对这些信号进行信号调理处理，通过进一步分析处理得出实时压实度指标值，并将其与空间位置信息在显示器上显示为碾压区域时空压实度分布图。
所述检测设备包括：
声场拾音器，用于获取碾压机碾压填筑层时，碾压层附近形成的声波场时域信号，该声波场时域信号包含碾压机振动马达发出的声信号、振动轮与土相互作用发出的声信号、环境噪音；
gps接收机，用于提供与碾压位置相关的空间信号；
信号调理模块，用于对声场拾音器提供的声波场时域信号及gps接收机提供的碾压位置相关的空间信号进行信号调理处理，以便于信号传输；
数据采集模块，用于同步采集由信号调理模块传输的声波场时域信号及与碾压位置相关的空间信号，并将采集到的信号实时传输；
分析处理模块，用于对声波场时域信号进行滤波、频谱分析及对数化处理，得到有效声信号二次谐波幅值，依据二次谐波幅值与土石料压实度的强相关性，建立起来连续压实度指标值，实时计算出当前填筑碾压区域压实度值；并依据差分算法对与碾压位置相关的空间信号进行差分处理，以计算得到振动碾压机的当前位置坐标值，该坐标值精确度达到厘米级；
显示器，用于实时显示现场填筑碾压作业时的碾压区域时空压实度分布图。
gps接收机与rtk-gps基准站、现场流动站、卫星共同实现加载设备位置有关的空间信息的提供，其中rtk-gps接收机、卫星、gps基站通过差分算法计算共同实现碾压机的精确位置定位(定位精度为厘米级)。
声场拾音器与信号调理模块之间通过有线通讯实现信息传输与供电支持；所述信号调理模块进行的信号调理处理包括放大、滤波，以将信号转换成数据采集模块能够识别的标准信号；所述数据采集模块将声波场时域信号与碾压机位置空间信号通过有线通讯方式传输到分析处理模块。
所述分析处理模块对声波场时域信号的分析和处理步骤如下：
首先将采集到的原始声音信号进行滤波处理，消除异常值，并去掉碾压机启动及停止所需时间的声音信号数据；然后按照设定值将声信号均分成n等份；对均分的声信号进行fft变换，得到均方根频谱；接着将每一等份的声信号频谱数据中2次谐波幅值(sha)进行以10为底的对数化处理，并将处理后的2次谐波幅值数据存储在机载计算机指定位置，便于数据实时存取和数据的在线监测分析；最终，根据得到的2次谐波幅值，分别建立2次谐波幅值与碾压遍数、2次谐波幅值与土石料压实度关系模型，根据sha值或该模型，连续地计算土石坝当前碾压层的实时压实度。
所述显示器还显示包括车速、碾压层概况、碾压遍数在内的现场信息。
所述声场拾音器通过拾音器安装装置实现固定安装，所述拾音器安装装置分为支架部分和拾音器固定部分，所述支架部分为双l型，分别固定于碾压机辊的外机架靠近驾驶室一侧下侧位置处(该位置在辊振动时不会发生振动)，双l型支架靠近辊的部分用一根厚约1cm长铁片进行连接，铁片正中间下方为拾音器固定部分，拾音器固定部分直接接触并固定声场拾音器。
所述声场拾音器与支架部分，以及与碾压机外机架接触部分均利用软橡胶等部件进行隔振处理。
通过反馈控制模块实现对现场碾压填筑作业的反馈控制，所述反馈控制模块给碾压机作业员及现场监理人员提供压实作业情况的反馈信息，以便相关人员采取有效措施，提高填筑层的压实质量。
所述加载设备上设置有为连续压实控制声波检测系统提供电源支持的机载蓄电池。
本发明还提供了一种填筑连续压实声波检测方法，通过实时采集碾压机碾压填筑层时，碾压层附近形成的声波场时域信号及碾压机的当前位置坐标信息，并对这些信号进行信号调理处理，通过进一步分析处理得出实时压实度指标值，并将其与空间位置信息显示为碾压区域时空压实度分布图。
和现有土石方工程填筑质量检测技术相比，本发明具有非接触、连续、实时等特点，非常适合填筑工程连续压实质量控制，尤其是土石坝填筑质量(如砂砾石料)进行精确有效且快速无损的检测，并可实时对碾压层压实度进行全坝面施工区域检测，通过反馈控制压路机振动轮的振动频率与振动幅值也容易实现智能连续压实功能，不仅可以提高施工效率，也使工程建造经济性和工程建设精细化管理得到保障。
附图说明
图1为本发明原理示意图。
图2为本发明的声场拾音器安装位置示意图。
图3为本发明的一个实施例的现场碾压施工区示意图。
具体实施方式
下面结合该检测系统与方法原理和实施例，对本发明的装备与方法做进一步详细描述。以下实施例和附图用于说明本发明所提填筑质量机载声波检测设备与方法具体现场检测实施过程，但不是用来限定本发明的范围。
图1所示，本发明一种填筑连续压实声波检测系统，设置于加载设备1上，包括检测设备2，加载设备1为碾压机，实施现场碾压施工作业，加载设备1上设置有为连续压实控制声波检测系统提供电源支持的机载蓄电池11。检测设备2实时采集碾压机碾压填筑层时，碾压层附近形成的声波场时域信号及碾压机的当前位置坐标信息，并对这些信号进行信号调理处理，通过进一步分析处理得出实时压实度指标值，并将其与空间位置信息在显示器7上显示为碾压区域时空压实度分布图。
检测设备2包括：
声场拾音器3，用于获取碾压机碾压填筑层时，碾压层附近形成的声波场时域信号，该声波场时域信号包含碾压机振动马达发出的声信号、振动轮与土相互作用发出的声信号、环境噪音；
gps接收机9，用于提供与碾压位置相关的空间信号；rtk-gps接收机、卫星、gps基站通过差分算法计算共同实现碾压机的精确位置定位；
信号调理模块4，与声场拾音器3之间通过有线通讯实现信息传输与供电支持，对声场拾音器3提供的声波场时域信号及gps接收机9提供的碾压位置相关的空间信号进行放大、滤波等信号调理处理，将信号转换成数据采集模块5能够识别的标准信号；
数据采集模块5，用于同步采集由信号调理模块4传输的声波场时域信号及与碾压位置相关的空间信号，并将采集到的信号通过有线通讯方式实时传输到分析处理模块6；
分析处理模块6，用于对声波场时域信号进行滤波、频谱分析及对数化处理，得到有效声信号二次谐波幅值，依据二次谐波幅值与土石料压实度的强相关性，建立起来连续压实度指标值，实时计算出当前填筑碾压区域压实度值；并依据差分算法对与碾压位置相关的空间信号进行差分处理，以计算得到振动碾压机的当前位置坐标值；
显示器7，用于实时显示现场填筑碾压作业时的碾压区域时空压实度分布图，以及车速、碾压层概况、碾压遍数等现场相关信息。
本发明还可通过反馈控制模块8实现对现场碾压填筑作业的反馈控制，反馈控制模块8给碾压机作业员及现场监理人员提供压实作业情况的反馈信息，以便相关人员采取有效措施，提高填筑层的压实质量。
本发明基于声学进行土石方工程填筑质量检测，依据新设计的声信号采集及处理系统实现其功能，按如下步骤对土石方工程填筑质量，尤其是土石坝填筑质量(如砂砾石料)进行检测：
1)图2所示为本发明的声场拾音器3安装位置示意图，101表示振动轮，102表示内机架，103表示外机架，104表示支架部分，105表示拾音器固定部分。声场拾音器3通过拾音器安装装置10实现固定安装，拾音器安装装置10分为支架部分105和拾音器固定部分104，支架部分105为双l型，分别固定于碾压机辊的外机架103靠近驾驶室一侧下侧位置处，双l型支架靠近辊的部分用一厚约1cm的铁片进行连接，铁片正中间下方为拾音器固定部分104，拾音器固定部分104直接接触并固定声场拾音器3。声场拾音器3与支架部分105，以及与碾压机外机架103的接触部分均利用软橡胶等进行隔振处理。
2)图3所示为实施例的现场碾压施工区示意图，在碾压施工区域r内规划n条碾压施工条带(s1，s2，s3，…，sn-2，sn-1，sn)。碾压机从start区域开始碾压，在stop处停止碾压，中间有效碾压区域的长度为l，首先将碾压施工条带l均分成m份(b1，b2，b3，b4，…，bm)。
2)利用声场拾音器3接收碾压机从start至stop碾压施工作业过程中的声波场时域信号。先通过信号调理模块4对采集到的声波场时域信号和与碾压机有关的位置空间信号，然后由数据数据采集模块5对数据进行同步采集，数据采集模块5硬件采用具备较高采集速率的采集卡，其内置软件系统具有可视化特点。采集到的信号通过数据线实时传输到分析处理模块6进行进一步处理，分析处理模块6软件部分首先对采集到的声波场时域信号及与碾压机有关的位置空间信号进行滤波处理，接着利用差分算法对位置空间信号进行差分计算，得到碾压机实时位置信息，并对采集到的声波场时域信号数据进行掐头去尾处理，即剔除掉start与stop部分的声信号，然后将剩余的声波场时域信号m等分，分别对每一等份声信号进行fft变换，得到相应频谱，紧接着对频率数据的纵坐标数据对数化处理(log10)，分别得到每一等份声信号的2次谐波幅值(sha)，依据之前的大量实验数据相关性分析及土-结构动力学、无限障板上活塞式辐射声场模型的理论支持，建立了sha指标与压实度的关系模型，最终可以用下式表征实时土石料的压实度指标值：
ynm＝k×shanm×100％
其中k系数为比例系数，shanm为第n条碾压施工条带第m块碾压区段，ynm值为第n条碾压施工条带第m块碾压区段压实密度值。
3)利用显示器7实时显示现场填筑碾压作业时的碾压区域时空压实度分布图，并显示现场其他相关信息，如车速、碾压层概况、碾压遍数等。然后利用反馈控制模块8给碾压机作业员及现场监理人员提供压实作业情况的反馈信息，以便相关人员采取有效措施，提高填筑层的压实质量。
上述方案能够在碾压机碾压作业过程中，实时、高效、精确地计算出各个检测单元的压实度，便于工程人员即时、准确地掌握施工情况，而且系统可扩展性较好，系统搭建安装方便，可靠性较高，便于应对土石坝建造施工现场复杂恶劣的环境。
对于上述的压实度公式(即ynm计算公式)，本发明作如下说明：经过对大量的实验数据进行回归分析后发现，压实度与各检测单元有效声信号fft变换之后得到的2次谐波幅值之间具有强相关关系；同时，该强相关关系也得到了土-结构动力学模型和声波辐射模型的理论推导结论的有效支撑，理论模型推导的结果显示声信号的fft变换之后2次谐波幅值与土石料压实度具有幂函数关系，这一推论在大量的试验数据结果中得到了有力的印证，从而基于理论及试验得到一种全新的土石料压实度检测方法。
在碾压施工作业区域进行灌水法取样，测得碾压施工区域的实际压实度，经过与新方法计算出的土石料压实度指标值对比，具有强相关性。由此可见，本发明所提出的声波检测技术具有非接触、连续、实时等特点，非常适合填筑工程连续压实质量控制，通过反馈控制压路机振动轮的振动频率与振动幅值也容易实现智能连续压实功能，便于填筑碾压施工作业员及现场监理及时发现问题，使碾压施工作业质量得到改善，最终使土石方工程填筑质量得到保证。