堆石料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)與碾壓參數(shù)的相關(guān)性分析

劉東海，李子龍，王愛(ài)國(guó)

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

堆石料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)與碾壓參數(shù)的相關(guān)性分析

劉東海，李子龍，王愛(ài)國(guó)

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

為給高堆石壩施工質(zhì)量的連續(xù)控制提供有效指標(biāo)，提出了以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的壓實(shí)監(jiān)測(cè)值(CV)作為堆石料壓實(shí)狀態(tài)的表征指標(biāo)．在分析CV與碾壓參數(shù)(行車(chē)速度、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度、激振力狀態(tài))之間相關(guān)性的基礎(chǔ)上，建立了CV與上述碾壓參數(shù)的多元回歸模型．實(shí)例研究表明：CV與碾壓參數(shù)的相關(guān)性顯著，且其可由碾壓參數(shù)精確表征；由于碾壓參數(shù)對(duì)于堆石料壓實(shí)質(zhì)量有著顯著影響，故間接驗(yàn)證了CV可作為堆石料壓實(shí)狀態(tài)的實(shí)時(shí)表征指標(biāo)的可能性，為進(jìn)一步研究CV表征堆石料壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)(如干密度、孔隙率等)提供基礎(chǔ)．

堆石壩；壓實(shí)質(zhì)量；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)；碾壓參數(shù)；相關(guān)性分析

按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，堆石壩填筑碾壓質(zhì)量主要通過(guò)施工過(guò)程中的碾壓參數(shù)(壓實(shí)厚度、碾壓遍數(shù)、行車(chē)速度、激振力狀態(tài)等)以及試坑檢測(cè)的干密度(孔隙率)等參數(shù)來(lái)控制，且以控制碾壓參數(shù)為主[1]．對(duì)于碾壓參數(shù)的控制，Zhong等[2-4]采用填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)行車(chē)速度、碾壓遍數(shù)、激振力狀態(tài)、壓實(shí)厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在糯扎渡、梨園、長(zhǎng)河壩、溧蓄和南水北調(diào)中線(xiàn)等工程得到成功應(yīng)用，但該技術(shù)尚不能在碾壓過(guò)程中直接地監(jiān)測(cè)壩料的壓實(shí)質(zhì)量(如干密度、孔隙率或壓實(shí)度等)．

對(duì)于土石料壓實(shí)質(zhì)量的評(píng)估，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)試坑采樣或快速檢測(cè)法(如核子密度計(jì)、落錘彎沉計(jì)等)獲取壓實(shí)度(干密度)來(lái)評(píng)估[5]．但這些方法均為事后檢測(cè)，顯然不能滿(mǎn)足碾壓過(guò)程中對(duì)土石料壓實(shí)效果的實(shí)時(shí)評(píng)估．為適應(yīng)土石料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要，Caterpillar公司采用碾壓凈功率指標(biāo)來(lái)表征土料的壓實(shí)特性變化[6]．White等[7]指出碾壓機(jī)振動(dòng)加速度頻域分析指標(biāo)CMV(二次諧波振幅與基波振幅之比值)是表征土料壓實(shí)堅(jiān)硬或松散程度的可靠指標(biāo)．AMMANN公司采用機(jī)測(cè)土體剛度KB表征土料的壓實(shí)特性[8]；Anderegg等[9]驗(yàn)證了KB與土體剛性間較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系．

然而，上述研究主要針對(duì)道路工程，由于堆石壩堆石料的壓實(shí)特性與道路工程中土料(尤其是黏土料)的壓實(shí)特性有很大的區(qū)別，故上述指標(biāo)不能直接作為大壩堆石料連續(xù)質(zhì)量控制的表征指標(biāo)．此外，需要指出的是上述指標(biāo)的監(jiān)測(cè)儀器均為國(guó)外專(zhuān)利產(chǎn)品，費(fèi)用昂貴．筆者利用課題組自主研發(fā)的土石壩壓實(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀[10]，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)堆石料碾壓過(guò)程中的壓實(shí)監(jiān)測(cè)值(compaction value，CV)．堆石壩碾壓參數(shù)(行車(chē)速度、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度、激振力狀態(tài))是影響大壩壓實(shí)質(zhì)量的重要因素．本文針對(duì)堆石料碾壓施工，首先分析CV與各碾壓參數(shù)的相關(guān)性，進(jìn)而建立CV與各碾壓參數(shù)的回歸模型，用以驗(yàn)證堆石料下CV與碾壓參數(shù)具有的表征關(guān)系，從而來(lái)間接證明CV與堆石料壓實(shí)質(zhì)量的相關(guān)性，為進(jìn)一步研究利用CV表征堆石料直接的壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)(干密度、孔隙率等)提供依據(jù)．

1 堆石料壓實(shí)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)——壓實(shí)監(jiān)測(cè)值CV

隨著碾壓遍數(shù)的增加，壩料逐漸密實(shí)，干密度逐漸增大，碾壓機(jī)振動(dòng)輪的垂直加速度信號(hào)畸變程度越嚴(yán)重，諧波分量也越多[11]，因此，可將加速度的二次諧波分量幅值與基波幅值的比值(或二次以上諧波分量幅值之和與基波幅值的比值等)作為反映壩料壓實(shí)情況的監(jiān)測(cè)指標(biāo)．利用課題組研制開(kāi)發(fā)的堆石料壓實(shí)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀[10]，可實(shí)時(shí)獲取壓實(shí)監(jiān)測(cè)值CV，其定義式為

式中：A0為頻譜分析得到的基頻對(duì)應(yīng)的幅值；A2為二次諧波頻率對(duì)應(yīng)的幅值．盡管相關(guān)研究已表明，CV值越大，表示土料越密實(shí)，剛度越大[12]，但CV是否能表征堆石料的壓實(shí)質(zhì)量尚待進(jìn)一步驗(yàn)證．考慮到碾壓參數(shù)與堆石料的壓實(shí)質(zhì)量密切相關(guān)，本文將首先驗(yàn)證CV與碾壓參數(shù)的相關(guān)性，進(jìn)而來(lái)間接驗(yàn)證其能否作為堆石料壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)表征指標(biāo)．

堆石料壓實(shí)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀在碾壓機(jī)上的安裝如圖1所示，其可實(shí)時(shí)采集碾輪的加速度信號(hào)，再利用傅里葉變換對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，獲得加速度頻域波譜圖，然后用式(1)實(shí)時(shí)計(jì)算得到碾輪所經(jīng)過(guò)位置處堆石料的CV值[10]．

圖1 土石壩壓實(shí)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀Fig.1 Real-time monitoring device of earth-rock dam compaction state

2 CV與碾壓參數(shù)的相關(guān)性分析

為驗(yàn)證CV與碾壓參數(shù)的相關(guān)性，在溧陽(yáng)抽水蓄能電站面板堆石壩工程施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，并采用相關(guān)系數(shù)R來(lái)分析CV與各碾壓參數(shù)的相關(guān)性，即

式中：xi、x分別為壓實(shí)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值CV的第i個(gè)樣本和樣本均值；yi、分別為碾壓參數(shù)的第i個(gè)樣本和樣本均值．這里碾壓參數(shù)可以是碾壓遍數(shù)n、行車(chē)速度v、壓實(shí)厚度h或激振力狀態(tài)J．

2.1 CV與碾壓遍數(shù)的相關(guān)性分析

選取料性基本均勻(以免壩料級(jí)配、含水率相差太大而影響分析結(jié)果)的碾壓條帶1條．填筑料為下水庫(kù)庫(kù)盆開(kāi)挖的弱風(fēng)化、新鮮的石料，最大粒徑≤800,mm，小于5,mm的顆粒含量≤20%．整個(gè)條帶選取10個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用Dynapac 27,t振動(dòng)碾壓機(jī)以4,km/h速度勻速振碾8遍，記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)每遍碾壓后的壓實(shí)監(jiān)測(cè)值CV，得到80組觀(guān)測(cè)值．圖2所示為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況．

圖3所示為10個(gè)測(cè)點(diǎn)位置處的碾壓遍數(shù)和CV的關(guān)系．可見(jiàn)，在同一位置處，隨著碾壓遍數(shù)的增加，CV明顯增大；但在不同位置處，由于壓實(shí)厚度與行車(chē)速度的差異，使得同一遍數(shù)下各點(diǎn)的CV有較大的不同．

為消除鋪料厚度與行車(chē)速度不同帶來(lái)的影響，針對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)，用式(2)分析每個(gè)測(cè)點(diǎn)處碾壓遍數(shù)與CV的相關(guān)系數(shù)，如表1所示．由表1可知，同一位置處碾壓遍數(shù)與CV顯著相關(guān)，平均相關(guān)系數(shù)達(dá)0.987，說(shuō)明碾壓遍數(shù)對(duì)CV值影響顯著．

圖3 不同位置處CV與碾壓遍數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between CV and rolling passes at different positions

表1 不同測(cè)點(diǎn)處碾壓遍數(shù)與CV的相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficients of CV and rolling passes at different positions

2.2 CV與行車(chē)速度的相關(guān)性分析

行車(chē)速度對(duì)堆石料壓實(shí)效果有著較顯著的影響，較低的行車(chē)速度能使壩料在壓實(shí)力的作用下有足夠的時(shí)間產(chǎn)生不可逆變形，使得壩料更加密實(shí)．

為研究行車(chē)速度與CV之間的關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)選取料性基本均勻的3個(gè)條帶，每個(gè)條帶各選取8個(gè)測(cè)點(diǎn)．試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)碾壓機(jī)以同一個(gè)振動(dòng)狀態(tài)在第1個(gè)條帶上低速碾壓(平均速度約2.0,km/h)，在第2個(gè)條帶上以設(shè)計(jì)速度碾壓(平均速度約4.0,km/h)，在第3個(gè)條帶上超速碾壓(平均速度約6.0,km/h)，獲取各個(gè)測(cè)點(diǎn)在碾壓機(jī)第2遍經(jīng)過(guò)時(shí)的CV值．圖4為第2遍下各測(cè)點(diǎn)處的CV值．由圖2可知，隨著碾壓行車(chē)速度的增加，各點(diǎn)處的CV值均變小，兩者存在著明顯的負(fù)相關(guān)性．

圖4 不同行車(chē)速度下各測(cè)點(diǎn)處CV值Fig.4 CV with different roller speeds at different positions

2.3 CV與壓實(shí)厚度的相關(guān)性分析

壓實(shí)厚度也是影響堆石料壓實(shí)質(zhì)量的一個(gè)重要控制參數(shù)．若壩料鋪層太厚，由于振動(dòng)碾壓機(jī)的影響深度有限，在設(shè)定的碾壓遍數(shù)下底層壩料因作用的能量不夠，出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象．

為了分析CV與壓實(shí)厚度的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)．取料性基本均勻的3個(gè)碾壓條帶，鋪層厚度分別控制在約50,cm、80,cm和100,cm(誤差±20%左右)，共標(biāo)記10個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示．對(duì)每個(gè)條帶，碾壓機(jī)在同一振動(dòng)狀態(tài)下勻速碾壓8遍，獲得各測(cè)點(diǎn)處每遍碾壓后的CV值．各測(cè)點(diǎn)處的壓實(shí)厚度可利用堆石壩碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)獲得[2-4]．

圖5 CV與壓實(shí)厚度相關(guān)性試驗(yàn)Fig.5 Correlation test of CV and compacted thickness

圖6 所示為各碾壓遍數(shù)下CV與壓實(shí)厚度的關(guān)系．由圖6可知，相同碾壓遍數(shù)下隨著壓實(shí)厚度的增加，CV均有下降的趨勢(shì)．CV與壓實(shí)厚度的相關(guān)系數(shù)R如表2所示．由表2可知，不同遍數(shù)下相關(guān)系數(shù)的均值為-0.884，說(shuō)明CV與壓實(shí)厚度具有顯著的負(fù)相關(guān)性．

圖6 各碾壓遍數(shù)下CV與壓實(shí)厚度的關(guān)系Fig.6 Relationship between CV and compacted thickness under different rolling passes

表2 不同遍數(shù)下CV與壓實(shí)厚度的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficients of CV and compacted thickness under different rolling passes

2.4 CV與激振力狀態(tài)的相關(guān)性分析

在堆石料密實(shí)度較低時(shí)，可采用小頻率、大振幅進(jìn)行碾壓，使振動(dòng)輪對(duì)地面作用能量向更深層傳播，有利于深層壩料的碾壓；在堆石料密實(shí)度較高時(shí)，應(yīng)提高頻率、減小振幅，使作用能量集中在淺層，有利于表層壩料的壓實(shí)[13]．

為了分析CV與激振力狀態(tài)的關(guān)系，進(jìn)行如下試驗(yàn)：選取料性基本均勻的2個(gè)條帶，每個(gè)條帶各選取10個(gè)測(cè)點(diǎn)；對(duì)第1個(gè)條帶在低頻高振下碾壓8遍，對(duì)第2個(gè)條帶在高頻低振下碾壓8遍，獲得每個(gè)測(cè)點(diǎn)不同遍數(shù)下的CV值．

圖7為不同遍數(shù)下、不同測(cè)點(diǎn)處、不同激振力狀態(tài)時(shí)的CV值．由圖7可知，相同遍數(shù)下，各位置點(diǎn)處低頻高振下的CV值均要大于高頻低振下的CV值，說(shuō)明激振力狀態(tài)與CV存在著顯著的相關(guān)性．

圖7 不同遍數(shù)下不同測(cè)點(diǎn)處各振動(dòng)狀態(tài)時(shí)的CV值Fig.7 CV with different exciting-force and rolling passes at different positions

3 碾壓參數(shù)對(duì)CV的表征模型

碾壓參數(shù)(行車(chē)速度v、碾壓遍數(shù)n、壓實(shí)厚度h、激振力狀態(tài)J)與壩料的壓實(shí)質(zhì)量密切相關(guān)，現(xiàn)有規(guī)范也將對(duì)碾壓參數(shù)的控制作為堆石壩壓實(shí)質(zhì)量控制的主要手段[1]．但不同碾壓參數(shù)對(duì)于壓實(shí)質(zhì)量的影響各不相同，可通過(guò)建立CV與各碾壓參數(shù)的回歸模型，即可用CV值來(lái)反映上述4個(gè)碾壓參數(shù)對(duì)壩料壓實(shí)質(zhì)量影響的綜合作用．

3.1 碾壓遍數(shù)對(duì)CV的表征模型

由上文分析可知，碾壓遍數(shù)與CV的關(guān)系最為密切．為了分析碾壓遍數(shù)對(duì)CV的定量影響，使堆石料的料性、含水率、級(jí)配以及其他碾壓參數(shù)保持一致，故本文針對(duì)同一測(cè)點(diǎn)，建立碾壓遍數(shù)與CV的回歸模型．用第2.1節(jié)試驗(yàn)得到的10個(gè)測(cè)點(diǎn)的80組碾壓遍數(shù)與CV的觀(guān)測(cè)樣本，分別建立了10個(gè)測(cè)點(diǎn)處碾壓遍數(shù)與CV的回歸模型，如表3所示．

經(jīng)F檢驗(yàn)，上述10個(gè)模型在α=0.05置信度下的顯著性水平均小于0.05，模型均通過(guò)檢驗(yàn)．模型的決定系數(shù)R2均很大，平均相對(duì)誤差均較小，說(shuō)明模型的擬合度很好．由表3可知，CV與碾壓遍數(shù)存在明顯的線(xiàn)性正相關(guān)，故若在同種壩料及其他碾壓參數(shù)相同的情況下，可用碾壓遍數(shù)直接表征CV．

表3 10個(gè)測(cè)點(diǎn)處碾壓遍數(shù)與CV的回歸模型Tab.3 Regression models of rolling passes and CV at ten observed positions

3.2 多個(gè)碾壓參數(shù)對(duì)CV的綜合表征模型

實(shí)際施工中，由于行車(chē)速度、壓實(shí)厚度及激振力狀態(tài)存在差異，單純只受碾壓遍數(shù)影響的CV表征模型存在局限性，故需研究多個(gè)碾壓參數(shù)共同作用下，其對(duì)CV的綜合表征關(guān)系．

由于實(shí)際應(yīng)用中碾壓機(jī)激振力輸出只有兩種狀態(tài)，且施工中設(shè)定某種激振力標(biāo)準(zhǔn)后，激振力基本無(wú)變化，故在建立碾壓參數(shù)與CV的回歸模型時(shí)，不考慮激振力狀態(tài)．針對(duì)第2.3節(jié)中10個(gè)測(cè)點(diǎn)在同一種激振力狀態(tài)下，碾壓9遍共得到的90組(n，v，h，CV)樣本，選取其中80組樣本建立回歸模型，另有10組樣本作為所建模型的驗(yàn)證．利用SPSS軟件進(jìn)行多元回歸分析，建立CV表征模型如下：

經(jīng)F檢驗(yàn)，在α=0.05置信度下顯著性水平小于0.05，模型的決定系數(shù)R2為0.969,3．圖8所示為CV實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較．90組樣本中CV計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的最大誤差為5.71，誤差均值為1.95，最大相對(duì)誤差為10%，平均相對(duì)誤差為4.85%(含回歸樣本和驗(yàn)證樣本)，誤差基本符合工程要求．故可利用式(3)來(lái)反映碾壓參數(shù)對(duì)壓實(shí)質(zhì)量的綜合影響，為進(jìn)一步利用CV值表征干密度、孔隙率提供理論依據(jù)．

圖8 CV實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較Fig.8 Comparison between the observed value and the calculated value of CV

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了以壓實(shí)監(jiān)測(cè)值CV作為堆石料壓實(shí)狀態(tài)的實(shí)時(shí)表征指標(biāo)；在深入分析CV與碾壓參數(shù)(行車(chē)速度、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度、激振力狀態(tài))之間相關(guān)性基礎(chǔ)上，建立了CV與上述碾壓參數(shù)之間的回歸模型．經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，CV與碾壓參數(shù)具有顯著的相關(guān)性，且CV可由碾壓參數(shù)精確表征．由于碾壓參數(shù)對(duì)于堆石料壓實(shí)質(zhì)量有著顯著影響，從而也驗(yàn)證了將CV作為堆石料壓實(shí)狀態(tài)的實(shí)時(shí)表征指標(biāo)是可行的．本文的研究不僅可為堆石料壓實(shí)質(zhì)量的“過(guò)程控制”提供新的可能途徑，更為進(jìn)一步研究利用CV來(lái)表征堆石料的直接壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)(如干密度、孔隙率等)提供了基礎(chǔ)．

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Correlation Analysis of Rolling Parameters and Real-Time Monitoring Index for Rockfill Dam Compaction Quality Evaluation

Liu Donghai，Li Zilong，Wang Aiguo
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

To provide an effective index for the continuous quality control of high rockfill dam construction，the compaction value(CV)was put forward as the real-time monitoring index of compaction state of rockfill materials . A multiple regression model was established based on the thorough analysis of correlation between CV and rolling parameters(roller speed，rolling passes，compacted thickness，and exciting-force state). The case study shows a significant relationship between rolling parameters and CV which can be characterized by the parameters accurately. Because the obvious relationship exists between compaction quality and rolling parameters，the feasibility of regarding CV as a real-time index for compaction quality evaluation of rockfill materials is proved indirectly. It provides a basis for the further study on the relationship between direct compaction quality index(such as dry density and porosity)and CV which can eventually be used to evaluate the compaction quality of an entire work area in real time.

rockfill dam；compaction quality；real-time monitoring index；rolling parameters；correlation analysis

TV5

A

0493-2137(2013)04-0361-06

DOI 10.11784/tdxb20130412

2012-11-27；

2012-12-20．

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB035904)；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51021004)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51079096)．

劉東海（1974— ），男，博士，教授.

劉東海，liudh@tju.edu.cn．