高铁支承层稳定性检测方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高速铁路领域，具体涉及一种高铁支承层的检测方法。
【背景技术】
[0002]高速铁路无砟轨道系统中，支承层是在路基上浇筑的具有一定强度的混凝土板，一般宽度3250mm、厚度约300mm，轨道板就安装在支承层上。由于该层位于路基最上层，它将直接承受高速列车的动、静荷载。支承层的稳定性关系着高速列车运行的平稳性和安全性。从目前高铁系统运行情况看，影响支承层稳定性的因素有两方面:一是填土路基的沉降形成支承层和路基间的脱空；二是路基土的软化使得其刚度降低，解决这一工程问题的方法就是进行注浆处理。
[0003]近几年来许多城市道路和公路上出现沉陷或坍塌，许多工程场地也需要进行地下空洞勘测，有效的方法是探地雷达和瞬态面波等方法，但道路和高铁路基结构的差异性，如高铁支承层上安装有轨道板和铁轨，且空间环境和一般道路也大不相同，就使得有效用于道路病害检测的一些方法不适用于高铁路基检测。其中，探地雷达方法是探测铁磁性和导电性物质和空洞的有效方法，但在高铁支承层稳定性检测中，支承层上的轨道板和铁轨会对雷达形成干扰。脱空检测时，雷达方法难以发现较小的脱空，如只有几毫米，在一般道路可能不算大问题，但在高铁路基上就是严重问题了。瞬态面波(瑞雷波、瑞利波或表面波)法探测需要一定面积的场地，检测高铁路基尚可，但高铁支承层上安装有轨道板，且4-5米就有一切割缝，影响了该方法的应用，二是该方法难以探测小于埋深十分之一大小的空洞，也就是说精度满足不了高铁支承层稳定性检测的要求。
[0004]因此提供一种能快速检测出支承层不稳定的区域的方法和系统成为业界急需解决的问题。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于提供一种能快速有效的检测高铁支承层的稳定性的检测系统及方法。
[0006]作为本发明的一个方面，提供一种高铁支承层稳定性检测方法，包括:(I)、在待检测的高铁支承层的表面上设定若干个测点；(2)、将用于锤击高铁支承层表面的振源布置于以第一个测点为中心且半径为8?15厘米的圆周上，并且振源与信号采集器的第一通道通信连接以采集振源锤击高铁支承层表面的力信号；(3)、将用于感测由振源的锤击所引起的振动信号的振动速度传感器布置于第一个测点上，并且振动速度传感器与信号采集器的第二通道通信连接以采集振动速度传感器所感测的振动信号；(4)、启动振源对高铁支承层表面进行锤击；以及(5)、将振源和振动速度传感器移至下一个测点进行检测，直至依次完成所有测点的检测，并且信号采集器将每个测点所采集到的力信号和振动信号传输至数据处理中心进行存储和/或运算以用于确定待检测的高铁支承层是否稳定。
[0007]其中，数据处理中心可以只存储数据，由本领域技术人员通过对这些数据进行运算来确定待检测的高铁支承层是否稳定；或者数据处理中心可以对数据进行存储和部分运算，本领域技术人员通过对运算结果进行分析来确定待检测的高铁支承层是否稳定；或者数据处理中心可以对数据进行存储和运算，数据处理中心通过对这些数据运算后直接确定待检测的高铁支承层是否稳定。
[0008]其中，振源、振动速度传感器、信号采集器、数据处理中心之间可以通过数据线连接，或者还可以选择无线网络连接或者通过移动通信网络连接。
[0009]可选择地，数据处理中心的运算包括:对采集得到的力信号数据及振动信号数据进行运算，以得到归一化的振动速度及动刚度，并根据得到的归一化的振动速度及动刚度分别绘制振动速度-长度曲线及动刚度-长度曲线，其中长度等于测点之间的点距乘以测点数；以及对振动速度-长度曲线及动刚度-长度曲线进行判断，其中当曲线图上振动速度数值高的区段与动刚度数值低区段吻合时，则表明该区段可确定为支承层不稳定的区段。
[0010]具体地，数据处理中心对采集得到的力信号数据及振动信号数据先进行傅里叶变换运算以得到力信号振幅谱和振动信号振幅谱，再通过运算获得归一化的振动速度及动刚度。
[0011]更具体地，在振动信号振幅谱中O-1OOHz范围内算出振动信号振幅最大峰值，并在力信号振幅谱中算出与振动信号振幅最大峰值频率相同的力信号振幅最大峰值，将振动信号振幅最大峰值除以振动速度传感器的灵敏度获得振动速度，将力信号振幅最大峰值除以振源的灵敏度获得振动力，最后通过将振动速度除以振动力获得归一化的振动速度。在0-40HZ范围内振动信号振幅谱除以力信号振幅谱，得到一组无量纲数据，无量纲数据的拟合直线的斜率的倒数除以振动速度传感器的灵敏度、振源的灵敏度以获得动刚度。
[0012]优选地，可以将若干个测点设置成沿着与高铁轨道延伸方向平行的纵向直线等间隔分布。
[0013]更优选地，可以将若干个测点之间的间距设为I?2米，比如1.5米左右。
[0014]可选择地，数据处理中心可选用便携式计算机或远程台式计算机。
[0015]可选择地，振源可选用力锤或激振器。
[0016]优选地，可以将振源布置于以每个测点为中心且半径为1cm左右的圆周上。其中，振源可以布置于该圆周上的任意点，优选的位置是与每个测点质地一致的位置。
[0017]根据本发明的另一方面，提供一种高铁支承层稳定性检测系统，包括:用于锤击待检测的高铁支承层的表面的振源、用于感测锤击引起的振动信号的振动速度传感器、用于采集振源锤击的力信号和振动速度传感器感测的振动信号的信号采集器、以及用于对采集得到的力信号数据及振动信号数据进行存储和运算以确定待检测的高铁支承层是否稳定的数据处理中心，其中，振源通过数据线与信号采集器的第一通道通信连接，振动速度传感器通过数据线与信号采集器的第二通道通信连接，信号采集器通过数据线与数据处理中心通信连接。
[0018]可替代地，本发明所提供的一种高铁支承层稳定性检测系统，包括:振源、振动速度传感器、信号采集器及数据处理中心，所述振源通过数据线与信号采集器的第一通道通信连接，所述振动速度传感器通过数据线与信号采集器的第二通道通信连接，所述信号采集器还通过数据线与数据处理中心通信连接，所述振动速度传感器安置于测点上，所述测点顺着列车行驶的方向且靠近待检测铁路布置；所述振源用于锤击待检测支承层的表面，所述振动速度传感器用于感测振动信号，所述信号采集器用于采集振源锤击的力信号及振动信号，并将其传输至数据处理中心，所述数据处理中心用于对采集得到的力信号数据及振动信号数据进行运算，以得到归一化的振动速度及动刚度，所述数据处理中心还用于根据得到的归一化的振动速度及动刚度分别绘制振动速度-长度曲线及动刚度-长度曲线，其中长度等于测点之间的点距乘以测点数，当曲线图上振动速度数值高的区段与动刚度数值低区段吻合时，则表明该区段可确定为支承层不稳定的区段。
[0019]其中，振源可以为力锤或激振器，数据处理中心可以包括:振幅谱运算单元，用于对力信号数据F(t)及振动信号数据V(t)分别进行傅里叶变换，以得到力信号数据F(t)及振动信号数据V(t)的振幅谱，分别记为F(f)及V(f);振动信号最大峰值运算单元，用于在振动信号数据V(t)的振幅谱V(f)中O-1OOHz的范围内找到最大峰值所对应的振幅V(f0);力信号振幅谱对应单元，用于在力信号数据F(t)的振幅谱F(f)中找到与所述振幅V(f0)的频率相同的振幅F(f0);振动速度转换单元，用于将由上述振动信号最大峰值运算单元所得到的振幅V(f0)以及由上述力信号振幅谱对应单元所得到的振幅F(f0)分别转换为振动速度C(mm/s)及力N(N)，其中振动速度C(mm/s) = V (f0)/ β , β为振动速度传感器的灵敏度，力N(N) =F(fO)/a, a为力锤的灵敏度；归一化处理单元用于将上述振动速度C(mm/s)及力N(N)进行归一化处理，以得到归一化的振动速度C(mm/s.N) = C(mm/s)/N(N);无量纲数据运算单元，用于将振幅谱V(f)在0-40HZ的范围除以F(f)，以得到一组无量纲数据K(f);动刚度运算单元，用于得到上述无量纲数据K(f)与f的曲线，并将K(f)-f曲线的拟合直线的斜率的倒数k除以β之后再除以α，以得到动刚度K;以及曲线绘制单元，用于根据上述得到的归一化处理后的振动速度C(mm/s.N)及动刚度K分别绘制振动速度-长度曲线及动刚度-长度曲线，其中长度L=点距乘以测点数，上述曲线分别记为C (mm/s.N) -L 曲线以及 K (kN/m) -L 曲线。
[0020]可替代地，本发明还提供了一种高铁支承层稳定性检测方法，包括:利用振源锤击待检测支承层的表面；通过信号采集器采集所述振源锤击的力信号；通过安置于测点上的振动速度传感器感测振动信号，并将所述振动信号传输至信号采集器进行采集；将采集到的力信号数据及振动信号数据传输至便携式计算机进行存储；对采集得到的力信号数据及振动信号数据进行运算，以得到归一化的振动速度及动刚度，并根据得到的归一化的振动速度及动刚度分别绘制振动速度-长度曲线及动刚