連續(xù)壓實控制技術(shù)中壓實計方法的諧波比指標的局限性問題研究

徐光輝，雒澤華

1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031

2. 中國工程機械工業(yè)協(xié)會路面與壓實機械分會，北京 100101

連續(xù)壓實控制技術(shù)中壓實計方法的諧波比指標的局限性問題研究

Research on Limitation of Harmonic Ratio of Compaction Meter for Continuous Compaction Control

徐光輝1，雒澤華2

1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031

2. 中國工程機械工業(yè)協(xié)會路面與壓實機械分會，北京 100101

0 引言

連續(xù)壓實控制（CCC）是一類方法和技術(shù)的統(tǒng)稱。目前國際上主要有兩種方法：其一是基于力學(xué)分析原理、以力學(xué)量為評定指標的力學(xué)方法，如德國力學(xué)方法的評定指標為振動模量，中國動力學(xué)方法的評定指標為抵抗力即反力，還有的評定指標為彈簧系數(shù)等；其二是基于信號處理原理、以無量綱量為評定指標的信號方法，主要以1976年的瑞典壓實計方法為代表，其評定指標稱作壓實計值（CMV），即諧波比，以及后來被改進的RMV和CCV等。

隨著連續(xù)壓實控制技術(shù)在中國的工程中得到應(yīng)用，國內(nèi)外連續(xù)壓實方面的各種技術(shù)也相繼進入市場。由于采用“諧波比”原理的檢測技術(shù)簡單且易于模仿，所以使這種被許多國家淘汰的方法又再一次被一些廠家重新仿制。但大部分使用者不了解“諧波比”技術(shù)的局限性，在工程中盲目應(yīng)用，給壓實質(zhì)量控制帶來嚴重的安全隱患。因此，有必要對這類方法的局限性和可用性進行分析，主要目的在于幫助使用者對該方法有一個清晰的認知并指導(dǎo)其如何使用。

1 壓實計方法的原理

1976年，瑞典的GEODYNAMIK與DYNAPAC公司聯(lián)合開發(fā)了壓實計，并初步提出了連續(xù)壓實檢測與控制思想。該方法通過判別振動壓路機振動輪響應(yīng)信號的畸變程度來評價填筑體的壓實狀態(tài)，頻譜特征如圖1所示。

為了定量分析振動輪響應(yīng)信號的畸變程度，研制者通過頻譜分析，定義了一個連續(xù)評定指標——CMV（Compaction Meter Value），即壓實計值（以CCMV表示）：

圖1 不同壓實狀態(tài)時振動輪響應(yīng)信號的頻譜特征

由圖1可知，當填筑體松軟時，振動輪響應(yīng)信號中只含有基頻信號，此時CMV為0；隨著填筑體不斷被壓密，振動輪響應(yīng)信號中出現(xiàn)了一次諧波分量，隨著碾壓遍數(shù)的增加，填筑體的壓實狀態(tài)由松散向密實過渡，此時CMV隨著壓密程度的提高逐漸增大。壓實計法就是根據(jù)CMV的大小，利用常規(guī)試驗結(jié)果得到CMV與密度、模量等指標的相關(guān)關(guān)系，而進行連續(xù)的壓實質(zhì)量控制。瑞典制定的連續(xù)壓實控制標準（1994年）也是以壓實計方法為核心，規(guī)定相關(guān)系數(shù) r ≤ 0.60（即r2≤ 0.36），比其他國家規(guī)定的r ≤ 0.70（即r2≤ 0.50）要小，根本原因就是壓實計方法的局限性所致。

根據(jù)CMV的定義，諧波比為基頻與一次諧波的比值。但是在碾壓過程中，根據(jù)振動壓路機與填筑體相互作用的動力學(xué)分析得知壓路機振動輪的響應(yīng)信號中不只是存在一次諧波。

1 各國官方試驗結(jié)果分析

壓實計方法自誕生以來，在使用上一直存在局限性。從20世紀80年代起，許多國家的官方研究部門對此進行了試驗研究和論證，得到的結(jié)論是一致的——該方法僅適用于振動壓路機響應(yīng)信號出現(xiàn)一次諧波的情況，沒有普遍應(yīng)用價值。為了更有說服力，本文完全采用第三方和使用者已經(jīng)公開的試驗數(shù)據(jù)進行分析。

1.1 美國明尼蘇達州運輸部門（2006年）

資料來源：Intelligent Compaction and In-Situ Testing at Mn/DOT TH53 MN/RC-2006-13。

該報告2006年版專門對壓實計方法進行了對比試驗研究，采用不同填料和Caterpillar壓路機進行。常規(guī)試驗主要采用GeoGauge（一種穩(wěn)態(tài)振動試驗）、LWD（類似于動態(tài)平板載荷試驗）和DCP（一種灌入式動態(tài)試驗）進行試驗，取得的模量與相應(yīng)的CMV進行對比。共11組試驗（每組有22個對比試驗數(shù)據(jù)），僅有一組（占9.09%）的相關(guān)系數(shù)r=0.63，勉強滿足瑞典規(guī)范要求，但不滿足德國、中國等國規(guī)范不小于0.70（即r2≥0.50）的要求，其余10組（占90.9%）試驗的相關(guān)系數(shù)r=0.0。

2.2 美國國家科學(xué)院交通運輸研究委員會（2010年）

資料來源：NCHRP REPORT 676，Transportation Research Board of The National Academies。

這是一份公路智能壓實研究項目報告，對目前連續(xù)壓實控制（CCC）技術(shù)以及智能壓實（IC）進行了分析；同時對各國的壓實評定指標進行了總結(jié)性分析，其中對壓實計的諧波比指標CMV分析如下。

（1）當土體剛度較小時，CMV幾乎不隨土體剛度發(fā)生變化，不能用來評定壓實效果，這是振動輪響應(yīng)信號的頻率成分未發(fā)生變化的表現(xiàn)。

（2）當土體剛度變大后，振動輪響應(yīng)信號中出現(xiàn)一次諧波分量，這時CMV可以用來評定壓實效果。

（3）當土體剛度繼續(xù)變大，則振動輪響應(yīng)出現(xiàn)各種諧波成分的分量，此時CMV出現(xiàn)異常，不能用來評定壓實效果。

（4）當土體剛度很大時，振動輪發(fā)生彈跳，CMV值為0或者很小，不能評定壓實效果。

由此可見，CMV在控制軟弱或較硬的填筑體時均不適用，而正確控制填筑體的軟弱區(qū)或合格區(qū)（較硬）是連續(xù)壓實控制的根本任務(wù)之一。至于何時壓路機振動輪響應(yīng)信號中出現(xiàn)一次諧波分量，既沒有理論上的判別依據(jù)，也無法預(yù)先確定，現(xiàn)場人員更無法判別。

1.3 日本建設(shè)省（1985年）

日本建設(shè)省土木研究所在20世紀80年代曾對壓實計方法進行過較為細致的研究[1]。分別對夾粉土礫、夾粘土礫和堆石料3種材料進行了對比試驗。試驗研究的結(jié)論為：CMV只對含有較多細顆粒的填料在某種程度上是有效的，而對于堆石料等粗粒堅硬填料沒有什么效果，這與美國的研究結(jié)論一致。

1.4 中國30余年資料

（1）中國水利水電部門。公開資料顯示，中國水利水電科學(xué)研究院曾在20世紀80年代引進瑞典壓實計方法，90年代初的產(chǎn)品YS-1型壓實計（曾被列為國家科委重大科技成果并獲獎）在國內(nèi)外的混凝土大壩和土石壩施工中用于壓實質(zhì)量的控制，但到目前為止并沒有得到廣泛地推廣應(yīng)用，其主要原因還是由于CMV與壓實質(zhì)量之間沒有較好的對應(yīng)性。

（2）沈陽至丹東高速公路。據(jù)遼寧省高等級公路建設(shè)局介紹，在沈陽至丹東高速公路建設(shè)中曾想采用壓實計方法進行壓實過程控制，但由于CMV與壓實質(zhì)量之間沒有很好的對應(yīng)性而不得不放棄。

（3）哈爾濱至大連客運專線。根據(jù)中鐵一局哈大客專項目部實驗室提供的資料，2008年11月，在哈大客運中鐵一局工地，采用“GPS+CMV”方案進行了現(xiàn)場試驗研究。試驗段的填料為石渣土，采用BOMAG壓路機進行碾壓和測試。在連續(xù)測試的同時進行了相應(yīng)的K30、Evd、Ev2等常規(guī)試驗，以便進行對比分析（圖2）。結(jié)果表明：CMV與K30、Ev2、Evd之間的相關(guān)系數(shù)均小于0.30，幾乎沒有相關(guān)性。究其原因，主要是由于路基較堅硬造成的（K30在80~170 MPa·m－1之間，Ev2在80～300 MPa之間），同樣與美國科學(xué)院的研究結(jié)論一致。

（4）蘭新鐵路。根據(jù)蘭新鐵路智能壓實視頻宣傳片提供的資料，圖3（a）是CMV與壓實系數(shù)K之間的關(guān)系，由此可知壓實土體是一種粘性細粒土。按照壓實計的使用原則，此時應(yīng)該是適用的。當壓實系數(shù)K在0.87～0.92之間時，CMV與K確實存在線性關(guān)系，但是隨著碾壓遍數(shù)增加，K提高到0.94以上（堅硬狀態(tài)）之后，CMV便不再變化，甚至有下降趨勢，此時已無規(guī)律可循。

同樣，由圖3（b）可知對于地基系數(shù)K30，當K30在90~120 MPa·m－1之間（較硬狀態(tài)）時，與CMV大致上呈線性關(guān)系；但隨著碾壓遍數(shù)增加，當K30在120～160 MPa之間（堅硬狀態(tài)）時，CMV幾乎不隨K30而發(fā)生太大的變化，沒有任何對應(yīng)性，也就無法判定壓實質(zhì)量的好壞，這與美國科學(xué)院的結(jié)論也是一致的。

從20世紀80年代起，國內(nèi)水利部門開始仿制“諧波比”原理的設(shè)備（國產(chǎn)壓實計），掀起第一次推廣熱潮；90年代公路部門也開始仿制，掀起第二次推廣熱潮；21世紀開始，國內(nèi)眾多壓路機廠商開始引進或者仿制壓實計裝配在壓路機上，屬于第三次熱潮。但所有這些仿制均以失敗而告終，沒有在工程實踐中得到普遍應(yīng)用。

自從2011年鐵路連續(xù)壓實控制行業(yè)標準（TB 0108—2011）頒布以來，出于商業(yè)目的，許多廠商又開始仿制“諧波比”原理的設(shè)備，掀起第四次仿制熱潮，并聲稱相關(guān)系數(shù)普遍可以達到0.80～0.90，但是這種說法是否具有普遍意義值得商榷。若此結(jié)論具有普遍意義，將顛覆近50年來全世界公認的研究和工程實踐結(jié)論，也與“諧波比”原理本身不符。實際上，那種只憑少量的試驗數(shù)據(jù)便得到可以普遍使用的結(jié)論是不科學(xué)的，得到正確的結(jié)論需要長期的、大量的、各種工況的成功案例予以支撐。

另外，根據(jù)2014年鐵路領(lǐng)域一些單位在西南地區(qū)采用美國壓實計設(shè)備進行的大量對比試驗，CMV與常規(guī)檢測結(jié)果之間也沒有很好的對應(yīng)性，達不到普遍應(yīng)用的程度，也再一次說明了諧波比方法存在較大的局限性。

1.5 其他資料

公開資料顯示，德國在20世紀80年代的連續(xù)控制指標也曾根據(jù)“諧波比”的原理，采用與CMV類似的指標，但在90年代以后就放棄了這種做法，不再采取CMV，轉(zhuǎn)向研究力學(xué)類指標（如振動模量）。這是因為CMV是一個相對指標，對土體壓實反應(yīng)不敏感，受限較多，適用范圍太窄，用于大部分填料時得不到正確的結(jié)論。

另外，根據(jù)美國國家科學(xué)院NCHRP REPORT 676報告，目前瑞典Dynapac壓路機沒有使用基于CMV原理的技術(shù)進行智能反饋控制。

2 壓實計方法的局限性原因分析

造成CMV與常規(guī)指標之間相關(guān)性差異的原因主要有兩方面：其一是壓路機檢測和常規(guī)檢測，二者的影響范圍存在明顯不同；其二是CMV指標定義本身存在問題。

圖2 哈大客專鐵路進行的CMV對比試驗

圖3 CMV與K和K30關(guān)系

2.1 檢測影響范圍不同引起的誤差

壓路機的測試深度與常規(guī)檢測深度的測試影響范圍相差較大。例如，在垂直方向上，15 t振動壓路機的測試深度可達1.2 m，而平板載荷試驗的測試深度為0.45 m；在水平方向上，壓路機的測試范圍為2.0 m2左右，而平板載荷試驗的測試范圍只有0.071 m2?？梢娺B續(xù)指標和常規(guī)指標所代表的是各自影響范圍內(nèi)的平均值。因此無論是水平還是垂直方向上，只要填料存在變異性，二者的相關(guān)關(guān)系的離散性就會大一些，這是采用何種指標都會面臨的實際問題。

2.2 指標定義本身引起的誤差

除了上述原因之外，CMV存在局限性的根本原因在于指標的定義問題。從CMV的定義可以看出，影響CMV的關(guān)鍵之一就是振動輪動態(tài)響應(yīng)信號中會出現(xiàn)什么樣的信號成分。根據(jù)動力學(xué)理論，壓路機響應(yīng)信號中之所以產(chǎn)生諧波，一是由于壓路機與被壓土體之間存在相互作用，二是由于填筑體可能存在非線性本構(gòu)關(guān)系，而這兩種原因又常常耦合在一起，異常復(fù)雜，難于判定。

圖4是根據(jù)實測壓路機動態(tài)響應(yīng)信號而進行的頻譜分析。圖4（a）為在砂性土上碾壓時的測試結(jié)果，可見基頻和一次諧波成分，可以采用CMV指標進行控制；圖4（b）是在二灰碎石上碾壓的測試結(jié)果，可見基頻、一次、二次、三次諧波，此外還出現(xiàn)了二分之一次諧波成分，無法采用CMV指標進行控制；圖4（c）、（d）都是在碎石土上碾壓的測試結(jié)果，圖4（c）碎石的含量更高一些，可見除了基頻外，已經(jīng)很難區(qū)分其他的諧波成分了，也無法采用CMV指標進行控制。

圖4 實測碾壓不同填料時壓路機響應(yīng)信號的頻譜特征

國內(nèi)外幾十年的大量實踐表明，振動壓路機響應(yīng)信號的頻譜結(jié)構(gòu)大部分都比較復(fù)雜，并非只有基頻和一次諧波成分；而CMV只適用于壓路機與填筑體之間能夠產(chǎn)生一次諧波的簡單線性振動情況。如何判定壓路機與填筑體之間的相互作用為簡單線性振動，目前還沒有理論上的依據(jù)可循，并非現(xiàn)場技術(shù)人員所能完成的，更達不到普遍應(yīng)用的程度。實際上，“諧波比”原理的方法就是一種經(jīng)驗法而已。

3 結(jié)語

大量的國內(nèi)外官方以及工程部門的實例表明，采用一次諧波與基波相比（諧波比）原理為代表的壓實控制技術(shù)和設(shè)備，其評定指標CMV與常規(guī)檢驗指標（壓實度、各種模量、地基系數(shù)等）之間除了采用某種壓路機碾壓某類填料有效之外，其余情況下均沒有較好的效果，不能正確反映壓實質(zhì)量信息。若盲目采用，會造成對壓實質(zhì)量的嚴重誤判，使填筑碾壓存在質(zhì)量隱患，甚至引起后期安全事故。

關(guān)于以“諧波比”為原理的壓實技術(shù)與設(shè)備的使用局限性已分別在2011年頒布國家行業(yè)標準《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程》（TB10108—2011）和2015年轉(zhuǎn)換的中鐵總企業(yè)標準（Q/CR9210—2015）的條文中進行了說明。此類經(jīng)驗法技術(shù)不具備普遍應(yīng)用的價值，若在填筑碾壓控制中普遍使用，不僅會給壓實質(zhì)量控制帶來極其混亂的局面，也會影響連續(xù)壓實控制技術(shù)在中國工程市場的健康發(fā)展。

[1]日本土質(zhì)工學(xué)會.粗粒料的現(xiàn)場壓實[M].郭熙靈,文丹譯.北京:中國水利水電出版社,1999.

國家自然科學(xué)基金項目（51178405）