研究非线性系统的现场试验地震波的智能压实设备物流调度和传播特性基于多稳态

抽象

Ťhe equipment scheduling and propagation characteristics of vibration wave from vibratory roller ⟶ filling material nonlinear systems with multistability are the core problems of subgrade intelligent construction technology, and the logistics scheduling of the equipment is directly related to the construction efficiency. Aiming at the shortages, one typical subgrade located at the Gu’an station of Beijing-Xiong’an city railway is selected to research and finish the field tests; some findings are shown as follows: first, some valuable suggestions about the logistics scheduling of intelligent equipment are proposed, which can break the barriers between the organizations and improve construction efficiency; second, when the vibration wave propagates from the vibratory roller ⟶ surface of filling material ⟶ different buried depths of filling material, the peak acceleration of vibration wave gradually decreases and is hyperbolic distribution approximately. At the same time, the sensitive of attenuation is shown as follows: Z[R²而不同振幅的谐波之间的具体函数关系可以概括为y = Ae^−BX;第四,振动能量主要集中在10 - 30 Hz振动压路机,但当振动压路机的振动波传播⟶填充材料,振动能量逐渐随深度的增加,边际谱逐渐变化从一个高峰两座山峰,也就是说,30 - 50 Hz和50 - 100赫兹;第五,振动轮振动能量平均分布在压实过程中,有效压实时间是2秒,这将有利于揭示振动波的传播特性,优化压实质量控制模型和提供一些支持智能铁路路基压实理论的发展。

1.介绍

中国建成了世界上最大的高速铁路网，运行里程达到2.2万公里，预计到2030年将达到3.8万公里，形成以“八纵八横”为主通道的高速铁路网。高速铁路路基长度与总里程之比达到30%以上，已成为铁路基础设施的重要组成部分和承载轨道结构和列车的基础。近年来，智能压实技术[1-3]在实际的项目，如竞雄高速铁路被越来越广泛地使用。

显著工程成果在智能压实方面已经取得，但其对基础理论研究才刚刚起步;在压实过程中振动波的传播特性仍然不够清晰，很多调查研究主要集中在数值模拟，理论分析和实验室试验[4-11] [12]。

同时，最近的研究主要集中在时域和频域两个方面，而对联合时频域的研究较少。然而，振动波是一个复杂的非线性信号;振动的幅值和频率随时间逐渐变化，如果仅从时域或频域进行分析，将会影响分析结果的合理性。因此，需要通过一些新的信号分析技术，从时域、频域和联合时频域三个方面研究振动波的传播特性。

在此基础上，选取北京-雄安铁路固安站某典型路基段进行现场试验，并简要介绍了该典型路基段设备的智能压实及物流调度。然后,一些有价值的试验数据用于研究传播特性在不同深度土壤层在振动压实过程中从时域,频域,和简要地联合时频域变换,这将有利于优化压实质量控制模型和提供一些支持智能铁路路基压实理论的发展。

2.智能压实设备部署技术

路基智能压实技术主要集成自动监测和控制，卫星定位，和信息管理，如图1。

2.1。智能压实技术

在施工过程中，压实机械和压缩填充材料的振动特性由控制系统实时采集，和振动辊的主要参数连续地调节基于可以为了反映压实质量来优化所收集的信息压实和满足所要求的条件，如振动幅度，频率，激振力，和行走速度。与此同时，所述卫星定位系统可精确地确定振动压路机和反馈参数，如模量，硬度和电阻，这直接关系到填充材料到实时控制系统的压实质量的位置，所以为查明路基压实的薄弱环节，然后有针对性地采取补救措施。

2.2。智能设备的物流调度

在实际操作中，物流相关部门调度的智能化设备还处于落后阶段。在施工中，由于缺乏现代物流管理知识，在目前建设部门的集成度低，以及管理实施较弱，使得相关部门往往有资源的利用率很低，如闲置设备的分布，智能辊操作，以及材料如机械设备调度。针对这一实际操作问题，本文提出了一种科学的物流调度管理方法。有效的调度和智能化振动压路机等设备配置的关键是建立所有各方，包括众多的供应商，不同的承包商和信息的支持者，与建设项目之间连接的默契合作。由于工程施工的特殊性，临时和高效的材料调度中心应建立，和不同组织的合作是通过跨组织的信息平台支撑，如图2。

在组织物流调度网络，协调机制是类似的供应链网络，即，“要灵活和刚性二者” [13]。首先，每个组织节点应该建立信任，和谐的组织环境。其次，每个组织的权威应适当分散;同时，渗透和不同的组织主体之间的连接应通过各种层次的通信，包括信息平台和社交网络得到加强。三，组织物流调度网络中跨组织的合同和协议应该完成。四，建立先进的人才选拔制度，并完成评估体系是非常必要的，其中两个重视实际技能和学历，而不是仅仅考虑一个。

在此基础上，打破组织间的壁垒，彻底改变“一池积水”的重要物质状态。依靠快速高效的组织物流调度网络，物流和信息流能够在节点之间快速传递和响应，成为有需求的“活水”，其他节点也能快速响应。无论是主观组织之间的矛盾，还是太多突发因素导致资源配置失败的矛盾，都可以从根本上解决。

3.测试设计

试验场地位于北京-雄安城际铁路固安站附近约200 m×100 m的路基段，如图所示3. 全高压实填土1.5 m，分为五层。路基填料为AB组粗角砾，为A组料与B组料的混合料，具体参数详见《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）。五个试验结果的颗粒级配曲线如图所示4。数字4显示测试数据有很好的一致性。

3.1。测验设备

Ťhe vibratory compaction equipment adopts Sany Heavy Industry Vibratory Roller (No. SSR260C-6), the whole machine quality is 26.7 t, and its rated power is 180 kW. The weak vibration parameters: vibration frequency is 31 Hz, and vibration amplitude is 1.03 mm; the strong vibration parameters: vibration frequency is 27 Hz, and vibration amplitude is 2.05 mm. Based on a large number of actual projects in the early stage, it is found that the weak vibration is more conducive to the subgrade compaction after its filler is loosely laid and statically pressed. Consequently, the test adopts weak vibration conditions for research. At the same time, the data acquisition adopts 64-channel Donghua dynamic data acquisition equipment DH3823 and the acceleration sensor adopts Donghua three-way acceleration sensor 1C302 with a range of ±5.0 g. In order to ensure the fit between the collected signal and the original signal, the sampling frequency of acceleration sensors was set to 2000 Hz. And all the data acquisition system and sensors were calibrated before the test.

3.2。在填充材料加速度测量点分布

传感器的正确的安装和嵌入是决定性的测试数据的精确度。传感器被埋葬之前，有些工作要完成，如图五。与此同时，为了研究在压实过程的不同深度的振动特性，所述传感器被在振动轮和其下面的五个层设置。的加速度测量点中所述填充材料的整体坐标系中的现场测试的具体分布和示于图6和7。

4.测试结果

为了系统分析振动波在垂直方向上的传播特性，本文将从时域、频域、联合时频域和能量域四个方面进行研究。

4.1。在垂直方向峰值加速度的传播特性

测振动信号的持续时间几乎是10秒，所以被选择用于分析10秒时程曲线。在压实过程每个测量点的振动波的加速度峰值在图中所示8。

数字8结果表明，振动波从振动压路机填料表面传播时，加速度峰值随埋深的增加呈双曲线形，且与埋深成反比。当振动波从框架填料表面传播时ž，ÿ,Xdirections is, respectively, attenuated by 56.7%, 83.7%, and 85.1% and, respectively, attenuated by 94.5%, 98.6%, and 98.4% at a buried depth of 0.9 m, which is basically stable after that, and then, the vibration energy is nearly zero at a buried depth of 1.50 m in which the vibrational energy is, respectively, attenuated by 96.1%, 99.3%, and 98.7%. The above phenomenon may be caused by the dissipation of energy by the damping of the filler itself, and it can be seen that the critical depth of vibration energy propagation during the vibration compaction process is about 1.0 m. At the same time, at the interface of the filler, the vibration accelerations in different directions are stepped, which is mainly caused by the differences in physical and mechanical parameters between adjacent filling material, especially the difference in wave impedance between the two sides of interface, which causes a large amount of reflection, transmission, and other scattering phenomenon at the interface, which weakens the downward propagation of vibration energy. Based on this, in order to analyze the influence of the filler interface on the vibration acceleration quantitatively, this paper assumes that the measurement point on the upper surface of each interface is used as the benchmark and uses the ratio of the acceleration amplitude of the lower surface to the benchmark as acceleration peak attenuation percentage, and the result is shown in Figure9。

数字9说明振动加速度在不同方向上的衰减特性随埋深的增加基本一致，呈现出“边钟”形状，衰减在X方向比更严重ÿ方向，并且ž方向最小。同时，由于埋深的增加，不同界面处衰减百分比先减小，在埋深为0.9 m时达到最小值，约为55%，然后逐渐增大。上述现象的原因可能是振动能量的传播深度约为1.0 m,这可能会导致二次压实1米内填充材料在压实过程中,其密度和刚度可以逐步提高,主要取决于压实部分超过1.0米的振动所产生的惯性力填料上部和上堆负载。因此,土壤埋深(0.6米- 0.9米)实现二次压实的振动和超过0.9由惯性力和堆负载压实,然后,加速度衰减是最大的,这主要是由于更大的压实程度的差异,双方和土壤的密度和刚度引起振动较大的波阻抗和反射能量,所以加速度峰值衰减很小的界面埋深1.2米范围内的土壤(0.9米- 1.2米/ 1.2米以上),这是原因,土壤密度和刚度界面两侧基本上是一致的,因此,振动波的反射很小。

4.2。加速度谱在垂直方向上的传播特性

为了研究在垂直方向上的加速度的频谱的传播特性，＃1的垂直加速度数据，＃3，＃5，＃7，＃9，＃11测量点被选择用于分析。结果示于图10。

数字10shows that the frequency of fundamental wave in the #1 measuring point is near 21 Hz. When the vibration wave propagates in the filling material, the first harmonic is near 42 Hz, the second harmonic is near 63 Hz, the third harmonic is near 84 Hz, the fourth harmonic is near 105 Hz, and the fifth harmonic is stable at 130 Hz. At the same time, the dominant frequency of first harmonic is basic consistent, but that of the other harmonics gradually increase, as shown in Figure11。

上述现象可能是其原因是，填充剂的密度和硬度逐渐增加的埋藏深度，这会导致振动波的高频分量，以逐渐增加和低频分量以适当地降低增加，从而使谐波的主频率逐渐变化到高频率，谐波对基波振幅的比也逐渐增多。

4.3。在垂直方向上振动波的能量传播特性

为了精确地描述在垂直方向上振动波能量的传播特性，如图12在监测点＃1〜＃11测得的加速度时程曲线被选择为计算在不同深度处的加速度边际谱，并且将计算结果示于图中所示13和14。

数字13和14show that the vibration wave energy is mainly concentrated near 10–30 Hz in the vibratory roller, which is basically consistent with the fundamental wave frequency. However, the peak values of marginal spectrum gradually change from one to two. The vibration wave energy is mainly concentrated near 30–50 Hz and 50–100 Hz, and the energy of signal gradually decreases with the increase in buried depth. The test phenomenon fully shows that the vibration energy in the frequency appears as large change with the increase in buried depth, and the percentage of higher harmonic energy in the total energy gradually increases. When the vibration energy is transmitted from the roller to the surface of the filler, the vibration energy is dissipated, and the transmission efficiency is low; therefore, how to improve the energy transfer efficiency is essential for energy saving and efficiency improvement.

4.4。振动波在垂直方向上的三维传播特性

为了充分描述振动波在垂直方向上的传播特性，利用Hilbert-Huang变换计算了不同埋深处的Hilbert-Huang谱。

4.4.1。介绍希尔伯特 - 黄变换

HHT变换是Norden E.Huang于1998年提出的一种用于非线性和不稳定信号处理的自适应时频分析方法，主要包括经验模态分解和Hilbert谱分析[14]。该EMD算法（式（1））可以分解的复杂振动波信号分成多个固有模式函数IMF，并且可以通过HHT获得每个IMF信号的时间 - 频率 - 能量分布规律变换（式（2）），即，Hilbert谱，并且值得注意的是，在方程中的相关参数（1）和（2)在[15]:

4.4.2。地震波的经验模式分解

所测量的加速时间的历史记录被选择以引入。首先，EMD是对原始波，和几个IMF信号和一个残余的水分进行获得。IMF4，IMF5，和IMF6被选择以示出测量的加速度时程的频率分量，如图15-17。

在上述IMF成分中，IMF6的峰值最大。其波形和主导频率与原始信号一致;IMF5主频率最接近一阶谐波。IMF4幅值最大的频率与原振动信号的第二、三次谐波基本一致，其余为高频或低频干扰信号。因此，车轮的波形由IMF6、IMF5和IMF4组成。EMD能在一定程度上识别振动信号的基波分量和谐波分量，消除机械噪声和环境噪声的干扰。

4.4.3。振动波的波希尔伯特 - 黄谱

为了系统地分析在不同埋深Hilbert谱的传播特性，本文选择的＃1的希尔伯特 - 黄光谱，＃3，＃5，＃7，＃9，＃11的测量点，如图数字18。

数字18shows that the vibration energy in the vibratory roller is distributed averagely in the compaction process, and the corresponding frequency is between 10 Hz and 30 Hz. The vibration energy in the subgrade filling mainly concentrates betweenŤ = 2.0 s和Ť = 4.0 s, and the corresponding frequency is between 30 Hz and 100 Hz. Therefore, the effective compaction time is two seconds. Consequently, the Hilbert spectrum of vibration wave signal can comprehensively and systematically reflect the spectral characteristics and time-domain characteristics of the signal at any time.

4.5。在垂直方向上振动谐波的传播特性

为了全面研究振动谐波在垂直方向上的传播特性，选取垂直方向上的一、二、三、四、五次谐波的频率和幅值，如图所示19和20。

数字19结果表明，随着埋深的增加，各次谐波的幅值逐渐减小。同时，基波、一次谐波、二次谐波、直到五次谐波的振幅随谐波（R）的阶数呈指数衰减²> 0.9），和衰减模型示于图20。Ťhe concrete functional relationship among different amplitudes of harmonics can be summarized, as shown in y = Ae^−BX;在公式,一个和乙代表系数，X表示高次谐波的顺序，以及ÿ表示的谐波幅值时，其顺序是X。

五，结论

针对这一不足，选取北京-雄安城铁固安站一典型路基进行研究并完成了现场试验，研究结果如下:

首先,当振动压路机的振动波传播⟶填充物表面⟶不同埋深处的填充材料,振动波的峰值加速度逐渐减少,大约是双曲线分布。同时衰减灵敏度为:Z

其次，在传播过程中，随着增加埋深，基本，伯，仲的幅度，直到第五谐波呈指数下降（R²而不同振幅的谐波之间的具体函数关系可以概括为y = Ae^−BX。

Ťhird, the vibration energy is mainly concentrated near 10–30 Hz in the vibratory roller, but when the vibration wave propagates from vibratory roller ⟶ filling material, the vibration energy gradually decreases with the increase in depth, and the marginal spectrum gradually changes from one peak to two peaks that 30–50 Hz and 50–100 Hz; fourth, the waveform of vibratory roller is composed of IMF6, IMF5, and IMF4. At the same time, EMD can identify the fundamental and harmonic components of vibration signals and remove the mechanical and environmental noise interference. The vibration energy in the vibrational wheel is distributed averagely in the compaction process, and the effective compaction time is two seconds, which will be helpful for optimizing the compaction quality control models of railway subgrade.

数据可用性

用来支持这项研究的结果的数据是可用的，请相应的作者。

利益冲突

作者声明，这篇文章的发表没有任何利益冲突。

致谢

这项研究部分由国家重点研究发展计划（编号2018YFE0207100），中国的自然科学基金项目（合同编号41731288），四川省科技支撑项目（编号18MZGC0186，18MZGC0247 2018JY0549和）的支持，中国国家铁路集团有限公司科研项目（编号SY2016G003，N2019G002和P2019T001），中国铁道科学股份有限公司研究发展基金，中国美术学院（无。2019YJ026），二〇一七年至2019年优秀青年科学家赞助方案科协2019年中国十大青年高级人才推荐计划千人计划（​​编号2019YJ300），2018四川省万人计划，南昌铁路局科研项目（编号20171106）和中国中铁二院工程集团有限责任公司科研项目（没有。KYY2019145（19-20））。

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