一种填筑连续压实声波检测系统与方法技术方案

一种填筑连续压实声波检测系统，基于碾压机，检测设备包括声场拾音器、分析处理模块、显示器以及GPS接收机等，碾压填筑层时，碾压层附近形成的声波场时域信号被安装在压路机振动轮外机架上的声场拾音器接收，采样形成声波场数字信号；同时GPS接收机提供与碾压位置相关的空间信号，对采样的声波信号进行滤波、频谱分析，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相关性，建立连续压实度指标值，结合GPS空间位置信息在机载显示器上呈现碾压区域时空压实度分布图，本发明专利技术具有非接触、连续、实时等特点，适合填筑工程连续压实质量控制，通过压实度反馈控制压路机振动轮的振动频率与振动幅值也很容易实现智能连续压实功能。

A system and method for continuous compaction sound wave detection

A continuous filling compaction acoustic detection system based on roller, acoustic pickup, analysis and processing module, display and GPS receiver includes testing equipment, rolling and filling layer, acoustic field time domain signal is formed near the compacted layer is mounted on the vibratory wheel machine frame of the sound pick-up, the formation of acoustic field sampling digital signal; GPS receiver provides space signals related to rolling position analysis, filtering, signal sampling frequency, effective acoustic signal two harmonic amplitude, based on the correlation of the two harmonic amplitude and debris material compaction, compaction degree continuous index, combined with GPS spatial location information showing spatial and temporal rolling the compaction degree distribution in airborne display, the invention has the advantages of non-contact, continuous, real-time characteristics, suitable for continuous filling engineering It is easy to realize the function of intelligent continuous compaction by compacting quality control and controlling the vibration frequency and amplitude of the roller by the compactness feedback.

【技术实现步骤摘要】
一种填筑连续压实声波检测系统与方法
本专利技术属于土石方填筑压实质量检测
，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。
技术介绍
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、本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)，所述加载设备(1)为碾压机，实施现场碾压施工作业，其特征在于，所述检测设备(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。

【技术特征摘要】
1.一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)，所述加载设备(1)为碾压机，实施现场碾压施工作业，其特征在于，所述检测设备(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。2.根据权利要求1所述填筑连续压实声波检测系统，其特征在于，所述检测设备(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；信号调理模块(4)，用于对声场拾音器(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信号调理处理，以便于信号传输；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，并将采集到的信号实时传输；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。3.根据权利要求2所述填筑连续压实声波检测系统，其特征在于，所述GPS接收机(9)与RTK-GPS基准站、现场流动站、卫星共同实现加载设备(1)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。4.根据权利要求2所述填筑连续压实声波检测系统，其特征在于，所述声场拾音器(3)与信号调理模块(4)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(4)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(5)能够识别的标准信号；所述数据采集模块(5)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(6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李庆斌，张兆省，皇甫泽华，刘天云，张耀中，历从实，王新民，张庆龙，朱翠民，李陆明，
申请(专利权)人：清华大学，河南省前坪水库建设管理局，
类型：发明
国别省市：北京,11