一种变参数智能调节高铁路基填料振动压实方法及系统与流程

1.本发明涉及振动压实技术领域，特别涉及路基填料智能压实、智能建造技术领域。具体是一种变参数智能调节高铁路基填料振动压实方法及其系统。


背景技术：

2.路基长期承担轨道与列车荷载，是极为重要的基础结构，高速铁路、高等级公路、机场场坪等都对填料的填筑质量和填筑效率提出了严格的要求。路基压实质量检测的物理指标—压实度，是由现场实测干密度与室内击实试验所得最大干密度所得。然而“重锤击实”法机理与现场振动碾压机理区别较大，锤击易造成填料颗粒破碎、击实不均匀，易造成部分填料的室内试验干密度小于现场干密度，出现压实度大于1的不正常现象，其原因在于目前现场振动压路机与室内重锤击实测试方法不匹配造成。
[0003]“工欲善其事必先利其器”。然而，目前国内外室内振动压实设备种类繁多，参照标准不一，限制了室内振动压实方法的推广应用。现阶段市场上振动压实设备存在以下问题（1）室内振动压实试验均是基于固定振动参数压实工艺，但发现填料干密度并不是随着外部能量增大而增大，多余的能量会导致颗粒破碎、设备损耗严重。即振动参数固定调节，缺少实时调节振动参数的方法；（2）补充：目前测试方法设置多组不同频率、振幅试验，确定最大干密度。
[0004]
现有技术，中国专利申请：申请号；cn2020109406478，公开号：cn112067500a，公开一种铁路粗粒土填料振动压实实验装置及实验方法，重点在于振动反馈加速度与密度的关系分析方法。
[0005]
根据施工现场的填料类型制备粗粒土填料试样；进行振动实验，记录填料干密度随振动时间的变化情况，采集振动压实过程中加速度随振动时间的变化情况；获取试样加速度幅值以及频谱特性，建立填料干密度的变化与加速度频谱谐波之间的对应关系；在实际压路机施工过程中，根据对应关系，由测量获得的加速度频谱变化获得填料压实度变化。本发明采用连续测距的方式，分析振动压实参数下填料的密度连续变化；采用振动加速度采集的方式，分析振动压实参数下填料的加速度幅值、频谱分析，为填料最优压实参数提供依据；联合密度变化、加速度变化的数据快速实时分析，为现场施工提供依据。
[0006]
申请号；cn2020102104458，公开号：cn111089698a，公开一种铁路路基填料振动压实试验方法，制备覆盖各典型含水率的土样；测试针对当前土样压实最快的最优振动频率；重点在于基于室内试验与现场振动压路机振动参数关系，分析不同含水率填料的最大干密度。
[0007]
测试针对当前土样压实最快的最佳静重质量和偏心块质量组合；以最优振动频率、最佳静重质量和偏心块质量组合设置振动压实仪器，分析土样的振动压实参数，与现场压实参数进行比对，选定振动参数，对所有含水率的土样进行压实试验，测试干密度，获取土样干密度最大的土样对应的含水率为最优含水率；输出最优振动参数，最佳静重质量和偏心块质量组合，最优含水率以及最大干密度。本发明所提出的振动压实方法可匹配现场
振动压实参数，对填料振动与现场一致压实参数下的干密度，指导现场施工。
[0008]
申请号；cn2013100477938，公开号：cn103061236a，公开一种铁路路基连续压实质量监测与控制系统，其组成包括：单片机，其特征是：所述的单片机分别与铁电存储器、a/d转换器、彩色液晶显示电路、gps模块、gprs模块、时钟芯片、电可擦可编程只读存储器、sd卡、usb接口电路、键盘电路、方波转换电路连接，所述的a/d转换器与电压转换电路、信号调理电路连接，所述的方波转换电路与所述的信号调理电路连接。
[0009]
申请号；cn201910247572，公开号：cn109918843a，公开一种种基于离散元方法获取无粘性路基土振动压实值的方法。本发明的方法包括：(1)实地调研及试样采集分析；(2)无粘性路基土离散元模型构建；(3)压轮离散元模型构建；(4)压轮竖向位移-时间曲线获取；(5)压轮竖向加速度-时间曲线计算；(6)cmv值计算。
[0010]
然而，上述现有技术无法实时监测干密度，且工作量大，花费大量人力，易受人为因素的干扰，存在较大的误差、试验效率较低等问题。其原因在于压实过程无法对压实参数进行实时调节，因此现阶段需要对振动压实设备的设计思路进行一个整体性的改变，以提高试验效率、增加压实性能评估，匹配“智能建造”大背景。


技术实现要素：

[0011]
有鉴于此，为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种变参数智能调节路基填料振动压实方法，该方法能实时调节振动参数、实时监测干密度并形成压密曲线，可有效提高压实质量和压实效率及压实智能化水平，其技术方案如下：一种变参数智能调节路基填料振动压实方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：在获取沉降数据的基础上，实时测试填料干密度；步骤2：基于填料测试的变形、振动反馈，计算最优振动参数；步骤3：通过变频器控制系统中的plc模块，采用modbus通信方式，实现对变频器工作参数的远程设定和调整，实现智能调节参数；步骤4：高铁填料振动压实智能联机系统建立。
[0012]
优选为：所述步骤1中的实时测试填料干密度包括以下步骤：在振动压实仪上布设位移传感器，实时采集沉降数据；在获取沉降数据的基础上，实现沉降和干密度的实时转换；基于压实时间与所对应的干密度，形成压密曲线；基于压密曲线，开展压实性能分析。
[0013]
优选为：所述位移传感器采用丝孔安装方式，布设在振动压实设备框架位置，出线方式为电缆侧出，实时采集激振头的沉降数据。
[0014]
优选为：沉降和干密度实时转换方法具体计算如下：计算初始密度 (1)式中，—填料总质量，—填料初始总体积，—压实筒面积；—填料初始厚度；计算次振动压实后的密度
(2)式中：——次振动压实后体积；——次压实筒面积；——次振动压实后填料的厚度；——沉降率，即沉降量与填料厚度的比值，；设填料的总质量不变，且因压实而引起面积的增减可忽略不计，则(3)由上式结合（2）、（3）可得（4）根据上述公式，如果初密度已知，只要测定沉降量，就可以立即算出次振动压实后的。对次振动压实后的密度；设为压实结束后的密度，利用沉降量与沉降率的关系，按式（4）可得：（5）式中，se为振动结束的总沉降；由式5可得，将其代入式4可得：（6）根据上式，只要测试出初始阶段干密度，其他情况下只要测出沉降量即可计算出对应的密度。该智能压实设备中可通过位移计实时采集土体沉降，自动输出全压实过程干密度值，取压实后的干密度作为极值干密度。
[0015]
优选为：所述压密曲线，开展压实性能分析依靠密实能量cei和“工后沉降能量”tdi这两个指标来量化填料的在压实阶段的压实性能，具体计算公式如下：以压实次数为横坐标，压实度为纵坐标绘制压密曲线，压密曲线符合为指数曲线，其方程为：式中，a,b为拟合参数，n表示振动次数，y表示压实度。
[0016]
(7)(8)式中，为密实能量,为工后沉降能量。
[0017]
ndes为96%压实度所对应的振动次数；nmax为98%压实度做对应振动次数。
[0018]
优选为：计算所述最优振动参数方法包括以下步骤：采用振动压实仪针对来源于现场的特定级配的填料生成不同压实度的试样；
基于频谱曲线的模态分析法，获得不同压实度试样所对应的固有频率；量化压实度与固有频率关系；实际应用参数设置。
[0019]
基于所获得的压密曲线，采用压密曲线的密实能量指标来反映级配碎石的密实内在信息。以振动压实次数为横坐标，密实度为纵坐标绘制压实曲线，如图8所示。该密实曲线符合对数曲线生长趋势，即在压实初期增长迅速，但随后进展就越发困难，最后保持稳定。
[0020]
为了研究级配碎石在振动压实过程中的压实特性，根据现有研究成果，提出密实能量cei和“工后沉降能量”tdi这两个指标来表征级配碎石的在压实阶段的压实性能。碾压期的密实能量指数cei 表示级配碎石在填筑中，压实到一定的密实度时，压实设备所做的功。由于级配碎石要求压实到95%是满足要求填筑标准。故将级配碎石从松散状态到95%密实曲线下的面积表示振动设备在填筑期所施加的能量。如果填筑期所施加的能量越小，则表示密实性能越好。如果级配碎石压实度接近100%，级配碎石会产生塑性破坏，导致线路过大沉降。故将级配碎石压实度从95%到98%围成的曲线面积定义为tdi。tdi之越高，则意味着级配碎石达到破坏时，需要更大的列车荷载，基床越稳定。
[0021]
优选为：计算所述最优振动参数方法包括以下步骤：采用振动压实仪针对来源于现场的特定级配的填料生成不同压实度的试样；基于频谱曲线的模态分析法，获得不同压实度试样所对应的固有频率。所述基于模态分析法，采用动态信号测试分析系统进行看不同压实度填料的固有频率测试，建立填料土料的固有频率与填料干密度的量化关系，参见图11所示；量化压实度与固有频率关系；实际应用参数设置。
[0022]
优选为：所述量化压实度与固有频率关系采用如下（9）的函数关系，并采用拟合优度来定量评估其拟合程度，公式如（10）：（9）式中，为参数，为固有频率，为压实度；（10）式中，为拟合优度，其值越大，拟合精度越高；为实测固有频率值，为拟合曲线计算出来的固有频率值。
[0023]
优选为：所述高铁填料振动压实智能联机系统分为仪器硬件端、数据采集端、变频控制端、数据传输端和电脑端；在测试中只需要测量出初始的干密度，在输入端进行输入，最终可在界面上输出压密曲线并进行实时的压实性能分析，且支持不同振动参数的设置。
[0024]
优选为：变频控制端以电脑为主机，变频器是从机，采用modbus通讯协议实现对变频器启停控制、工作状态的实时监控。
[0025]
优选为：所述数据传输端以电脑与变频器和电脑与位移传感器之间的数据传输，均采用modbus通信方式，实现对变频器工作参数的远程设定和调整,并对变频器工作状态
进行实时监控，实现对位移传感器数据的实时采集。
[0026]
本发明还公开一种路基填料振动压实系统，其特征为：该系统采用上述的变参数智能调节高铁路基填料振动压实方法实现对路基填料振动压实检测。
[0027]
有益效果本方法解决了传统的振动压实过程中振动参数固定调节，缺少实时调节振动参数的方法；以及传统室内振动压实试验中，无法实时监测干密度，且工作量大，花费大量人力，易受人为因素的干扰，存在较大的误差、试验效率较低等问题。在智能化的时代，研发一种高铁路基填料振动压实方法与相应的智能联机软件系统，对振动压实设备的设计思路进行一个整体性的改变，以提高试验效率、增加压实性能评估，匹配“智能建造”大背景。基于高铁路基填料振动压实试验结果表明，在该高铁路基填料振动压实方法与相应的智能联机软件系统的作用下，实现了实时干密度的测试，且动态生成压密曲线，并实现了实时的压实性能分析；在测试过程中实现了实时调节振动参数，有效提升压实效率，减小对仪器的磨耗。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]
图1为一种变参数智能调节路基填料振动压实方法流程图；图2为干密度实时测试方法流程图；图3为基于填料固有频率振动参数设置方法流程图；图4为智能联机软件系统流程图；图5为密实能量指标和服役能量指标示意图；图6为96%压实度试样振动测试相应波形及频谱图；其中（1）为波形；（2）为幅值谱；图7为智能联机软件系统通讯端口设置及填料击实桶参数设置图；图8为智能联机软件系统界面数据输入端振动参数动态设置图；图9为重锤击实模态分析法；图10为不同压实度填料固有频率；图11a为填料级配；图11b为不同级配填料的固有频率。
具体实施方式
[0030]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
本发明的技术方案包括以下步骤（如图1所示）：步骤1：在获取沉降数据的基础上，通过干密度测试理论，实时测试填料干密度（如图2所示）；
所述实时测试填料干密度的方法，主要分为四步：1.在振动压实仪的框架位置上布设1个型号为法兰形夹紧、丝孔安装，主尺寸为38mm，出线方式为电缆侧出，轴直径为6mm的位移传感器，实时采集沉降数据；所述沉降数据采集频次为每0.01秒测试一个沉降值，采用振动稳定时间200s为振动总时间，即采样20000个沉降点；2.在获取沉降数据的基础上，基于表面沉降理论进行沉降和干密度的实时转换，该方法具体计算如下：
①
计算初始密度
‑‑‑‑‑‑
(1)式中，—填料总质量，—填料初始总体积，—压实筒面积；—填料初始厚度。
[0032]
②
计算次振动压实后的密度次振动压实后的密度
‑‑‑‑
(2)式中：——次振动压实后体积；——次压实筒面积；——次振动压实后填料的厚度；——沉降率，即沉降量与填料厚度的比值，。
[0033]
设填料的总质量不变，且因压实而引起面积的增减可忽略不计，则
‑‑‑
(3)由上式结合（2）、（3）可得
‑‑‑
(4)根据上述公式，如果初密度已知，只要测定沉降量，就可以立即算出次振动压实后的。对次振动压实后的密度。
[0034]
设为压实结束后的密度，可利用沉降量与沉降率的关系，按式（4）可得：(5)式中，se为振动结束的总沉降；由式5可得，将其代入式4可得：(6)根据上式，只要测试出初始阶段干密度，其他情况下只要测出沉降量即可计算出对应的密度。该智能压实设备中可通过位移计实时采集土体沉降，自动输出全压实过程干密度值，取压实后的干密度作为极值干密度。
[0035]
3.基于换算后的干密度与对应的压实时间，形成压密曲线；
4.基于压密曲线，开展压实性能分析。以压实次数为横坐标，压实度为纵坐标绘制压密曲线，压密曲线符合为指数曲线，其方程为：式中，a,b为拟合参数，n表示振动次数，y表示压实度。
[0036]
利用密实能量cei和“工后沉降能量”tdi这两个指标来量化填料的在压实阶段的压实性能。所述cei表示填料在压实中，压实到一定的密实度时，压实设备所做的功。将填料从松散状态到95%密实曲线下的面积表示振动设备在填筑期所施加的能量（如图5所示）。密实能量cei越小，表示密实性能越好。所述tdi表示填料压实度从95%到98%围成的曲线面积，tdi越高，则意味着级配碎石达到破坏时，需要更大的荷载，所形成的路基越稳定。
[0037]
具体计算公式如下：(7)(8)式中，cei为密实能量,tdi为工后沉降能量。
[0038]
ndes为96%压实度所对应的振动次数；nmax为98%压实度做对应振动次数。
[0039]
步骤2：了解被压实路基填料的固有频率范围内，分析填料的固有频率与填料密实度的定量关系，基于填料的固有频率，设置振动参数（如图3所示）；所述基于填料固有频率振动参数设置方法分为五步：1.利用振动压实仪针对来源于现场的特定级配的填料生成8组不同压实度的试样。
[0040]
所述振动压实仪为自主研发的大型振动压实设备，分为上车部分和下车部分，包括外机架、升降装置、振动单元、偏心力矩调整机构、振动设备、底座试模等部件。
[0041]
所述填料均来源于现场、级配跟现场类似。
[0042]
所述8组不同压实度的试样，为在总体振动200s中，分了8份，得到8个不同压实度的试样。
[0043]
2.利用具有试验简单、速度快等特点的单点激励锤击法生成不同压实度试样的频谱曲线；所述单点激励锤击法试验过程为：利用力锤敲击具有类似弹簧支撑（试样下垫类似海绵状软泡沫塑料）的圆柱形，以激起圆柱试样的振动，注意应在试样上表面远离传感器位置激振。
[0044]
3.基于频谱曲线的模态分析，获得不同压实度试样所对应的固有频率；4.采用拟合函数量化压实度与固有频率关系，尽可能保证拟合曲线的拟合度高；所述量化压实度与固有频率关系采用如下（9）的函数关系，并采用拟合优度来定量评估其拟合程度，公式如（10）：（9）式中，为参数，为固有频率，为压实度；
（10）式中，为拟合优度，其值越大，拟合精度越高；为实测固有频率值，为拟合曲线计算出来的固有频率值。
[0045]
采用朱俊高提出的连续级配土体的级配方程，量化填料颗粒级配，如公式11所示（11）式中，和为级配参数。
[0046]
然而该级配方程中存在两个级配参数，填料的物理力学性质随着单个参数和的变化是无序的，无法定量描述填料的性质。为了得到级配参数与粗粒料物理力学性质之间对应关系，基于级配方程提出了级配曲线特征参数，如公式12所示：（12）进一步可将级配方程用一个参数表示，使得级配参数与土体结构一一对应。土体结构类型主要包括悬浮密实、骨架密实以及骨架孔隙3种，故有必要在级配碎石上下限内量化各类型所对应粒径控制值，以保证试验土样典型性。采用陈坚提出的“分界粒径-体积填充原理”的级配碎石土体结构类型的评价方法，确定《高速铁路设计规范》（tb10621-2014）的级配上下限内3种土体类型粒径级配控制值，并计算出了3种土体类型对应上下限的级配特征参数，如图11ab所示。
[0047]
采用锤击模态法确定不同的填料的振动压实共振频率，结果如图11（b）所示，根据试验数据拟合出与共振频率的关系，如式（13）所示：（13）式中，、和是常数项，分别取值为：44.66、-64.40和-0.086。
[0048]
式（13）的相关系数为0.99，可见拟合结果可靠。实际应用中，根据填料级配方程得出级配特征参数，根据式（13）的“级配-固有频率公式”确定振动频率。
[0049]
实际应用参数设置。
[0050]
步骤3：通过变频器控制系统中的plc模块，采用modbus通信方式，实现对变频器工作参数的远程设定和调整，实现智能调节参数；（具体流程如图4所示）；所述高铁填料振动压实智能联机系统主要分为仪器硬件端（振动压实仪）、数据采集端、变频控制端、数据传输端和电脑端五部分。在测试中只需要测量出初始的干密度，在输入端进行输入，最终可在界面上输出压密曲线并进行实时的压实性能分析，且支持不同振动参数的设置。
[0051]
所述的变频控制端，电脑是主机，变频器是从机，采用modbus通讯协议实现对变频器启停控制、工作状态的实时监控。在变频调速控制系统中,电脑与变频器间采用modbus通信方式,实现对变频器工作参数的远程设定和调整,并对变频器工作状态进行实时监控。
[0052]
所述的数据传输端，主要为电脑与变频器和电脑与位移传感器之间的数据传输，均采用modbus通信方式，可快速高效的实现对变频器工作参数的远程设定和调整,并对变频器工作状态进行实时监控，同时实现对位移传感器数据的有效、高精度的实时采集。
[0053]
所述的电脑端，主要包括数据输入端、数据展示端、后台数据分析处理端三部分，类别简单、方便；数据输入端针对使用者非常友好，只需要输入少量数据即可开始后续操作使用；后台数据分析处理端采用多线程运行方式，计算速度快捷高效；数据展示端美观、直接，支持通过曲线图、数据值等多种方式的数据展示。
[0054]
步骤4：高铁填料振动压实智能联机系统建立。
实施例
[0055]
按照本发明的发明内容完整方法实施的实施例及其实施过程如下：连接振动压实设备与电脑软件系统，通电；设置变频器通讯端口、编码器通讯端口分别为com4和com3；设置击实简内壁直径15.00cm,击实筒底板厚度11.90cm，击实筒物料质量4000.00g，如图8所示。
[0056]
利用振动压实仪采用频率32hz，振幅0.8mm，配重600kg的振动参数针对来源于现场的特定级配的填料生成8组不同压实度的试样。
[0057]
利用单点激励锤击法生成不同压实度试样的频谱曲线，结果如图6所示；并基于频谱曲线的模态分析，获得不同压实度试样所对应的固有频率，，得到拟合曲线如图7所示，拟合度为0.9，拟合度高；各拟合参数分别为：—35.7、—12634.7、—12.1，得到压实度与固有频率满足如下关系式子：（14）通过公式（14）计算固有频率，确定的不同压实度的最佳振动频率，总体振动时间为200s，可以分为三个时段加载，第一时段为初始的固有频率（10s），第二时段为中间固有频率（40s），第三时间为稳定之后的固有频率（150s），使得系统基本稳定在共振频率范围内设置，然后在智能联机软件界面输入动态的振动参数，如图9所示；运行振动压实仪和智能联机软件，开始振动压实测试，在界面上输出压密曲线并进行实时的压实性能分析，如图10所示。
[0058]
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。