適用于土石混填路基的智能壓實技術應用研究

周毅恒 趙國強 張宏杰

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804； 2.上海城建市政工程(集團)有限公司 上海 200065)

在山嶺、丘陵等地區(qū)修筑公路時，為遵循經濟原則，往往就地取材，采用隧道、邊坡開挖時得到的土石混合料填筑路基的方法得到了廣泛的應用。土石混填路基壓實過程中，由于粒徑變化較大、含水狀態(tài)不穩(wěn)定等特點[1]，如果仍采用適用于細粒土的傳統(tǒng)壓實質量檢測方法和評價標準，易產生壓實不均勻、壓實度不足等問題，而路基強度不足又是造成路面早期破壞(開裂、沉陷)的重要原因，往往引發(fā)工后不均勻沉降，路面結構損壞等病害；同時，傳統(tǒng)檢測方法還具有取樣少、代表性差、滯后等缺點。

而隨著我國智能化與信息技術的不斷發(fā)展，一種在路基壓實施工過程中，旨在通過分析壓路機振動輪運動特性，實現對路基壓實質量實時、全面檢測的智能壓實技術開始出現[2-3]。智能壓實技術本質上是根據分析的振動響應獲得智能壓實測量值，識別連續(xù)分布的物理或力學量，進而直接指導施工，以得到更好的壓實質量[4]。智能壓實技術相對于傳統(tǒng)的質量監(jiān)測方法具有實時、全面的優(yōu)勢，但需要進行相關性校驗，通過建立與常規(guī)質量驗收指標之間的相關關系，得到回歸公式，計算出目標控制值后，才能對路基壓實質量進行評價與控制。目前，在我國的鐵路路基與大壩施工中，智能壓實技術應用廣泛[5]。但適用于道路路基的智能壓實技術研究還不夠成熟，仍處于發(fā)展進程中。

土石混填路基填筑施工時，由于土石混填料的離散性大，容易造成壓實質量控制難度大。本文依托某高速公路路段路基填筑工程，研究適用于土石混填路基的智能壓實技術的應用，甄選與壓實控制質量相關性較高的智能壓實指標，與常規(guī)驗收方法得到的回彈模量指標建立相關關系，計算得到目標控制值，實現實時監(jiān)控和反饋施工控制[6-7]。

1 智能壓實技術優(yōu)化

1.1 技術原理

智能壓實技術是指在填筑體填筑碾壓過程中，根據土體與振動壓路機相互動態(tài)作用原理，通過測量振動壓路機振動輪豎向振動響應信號，采用適合于連續(xù)碾壓質量控制要求的壓實質量實時評估指標，建立檢測評定與反饋控制體系，實現對整個碾壓面壓實質量的實時動態(tài)監(jiān)測與控制。并根據路基實際壓實情況，調整碾壓機械的碾壓參數(速度、頻率、振幅等)，從而實現在線監(jiān)控和反饋指導施工。智能壓實系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 智能壓實系統(tǒng)工作原理

針對土石混填路基填料變異性大，壓實不均勻的問題，在壓實施工過程中，應對壓實均勻性嚴格控制，因此通過智能壓實技術采集的振動信號建立監(jiān)測評定體系。為了對壓實均勻性有較為可靠的反映，本文甄選Evib和CMV2個指標進行相關性試驗。Evib采用彈性半空間理論下的集中參數模型，通過振動輪對土體加載過程中的受力變形曲線斜率表征土體剛度，進而得到Evib，稱為振動模量。其計算方法見式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：b為振動輪與土體(沿壓路機行進方向的)接觸寬度，m；R為碾壓輪半徑，m；L為碾壓輪(垂直于壓路機行進方向的)寬度，m；zd為土體變形量，m。

諧波比CMV是早期用于智能壓實測量的經驗類指標，一般采用式(4)方法計算。

(4)

式中：A0為加速度振幅，m/s2；A1為加速度一次諧波分量的振幅，m/s2。

1.2 設備集成

智能壓實檢測實質上記錄的是振動碾壓過程中振動輪的運動狀態(tài)，即振動輪的動態(tài)響應信號。優(yōu)良的智能壓實設備系統(tǒng)是實現精確連續(xù)壓實質量控制的關鍵。本試驗采用的智能壓實系統(tǒng)由傳感及解調模塊(加速度計及解調儀)、高精度定位模塊(GPS天線及定位接收機)、計算機分析，以及可視化模塊(工業(yè)平板)3部分組成，其組成示意見圖2。

圖2 智能壓實系統(tǒng)組成

對土石混填路基進行碾壓時，壓路機振輪的加速度變化較大，相較于細粒土路基有較大不同。所采用的加速度計是獨立研發(fā)的適用于土石混填路基加速度采集的傳感器和配套解調儀，具有體積小、質量輕、適用頻率范圍廣、量程大、易于固定安裝等優(yōu)點。傳感器配套有安裝底座，可以通過螺絲快速固定于振動輪側面輪軸處。

GPS定位模塊主要用于對壓路機振動輪位置精確定位，以便將智能壓實測量值數據與振動輪碾壓位置聯(lián)系起來。土石混填路基碾壓填筑時，對整個路段的壓實均勻性控制有較高要求，因而對GPS定位模塊的精度也有較高要求，以便于對壓實薄弱與不均勻的區(qū)域定位及繪制壓實狀況圖。

計算分析模塊由工業(yè)平板和內置的連續(xù)壓實控制軟件組成，見圖3。

圖3 智能壓實控制計算機可視化

在對路段智能壓實控制時，工業(yè)平板置于振動壓路機駕駛室內。智能壓實軟件用于對采集到的振動加速度信號進行分析，根據內置算法計算連續(xù)壓實控制指標值，并結合GPS定位數據將各點的指標值儲存在硬盤中或發(fā)送至云數據庫，針對土石混填路基易產生壓實不均勻的特殊性，實時快速地將碾壓狀況渲染為壓實狀況圖，可用來實時評價壓實均勻性，為駕駛員提供實時指導。

1.3 現場應用

智能壓實技術尚未產生規(guī)范的、應用于土石混填路基的壓實驗收測量值指標。針對土石混填路基，使用智能壓實測量值指標控制壓實質量時，所采用的做法是：設立試驗段，并選定合適的傳統(tǒng)壓實度或強度測試方法；初步選定智能壓實測量值指標，并進行與傳統(tǒng)指標的相關性標定試驗；建立傳統(tǒng)測試指標與智能壓實測量值指標相關性，進而實現智能壓實在相關路段的大規(guī)模應用。其具體的技術操作流程見圖4。

圖4 土石混填路基智能壓實技術操作流程

1) 選定智能壓實測量值指標及傳統(tǒng)壓實度或模量測試方法，用于標定智能壓實測量值指標。針對土石混填路基，選用PFWD測試方法得到的回彈模量能更真實反映土體剛度。

2) 劃定試驗段，設計相關性試驗，建立智能壓實測量值指標與傳統(tǒng)壓實指標的相關性，由于土石混填路基壓實過程中變異性較大，進行標定試驗時應注意碾壓材料及振動碾壓參數應保持與后續(xù)壓實一致。

3) 確定壓實達到要求時傳統(tǒng)檢測指標的檢測結果，并根據建立的相關性確定相應的智能壓實測量值指標目標值；針對土石混填路基，甄選出應用效果最好的智能壓實指標。

4) 根據確定的目標值進行智能壓實控制，對壓實薄弱或不均勻區(qū)域采取補壓等必要措施。

5) 所有碾壓區(qū)域到達智能壓實要求后，選取壓實測量值最小的區(qū)域，根據規(guī)范在智能壓實測量值指標較小的區(qū)域進行壓實驗收。

2 智能壓實技術適用性驗證

2.1 試驗工程概況

試驗以浙江省杭紹臺高速公路工程為依托展開，試驗段位于臺州段二標段二工區(qū)，路基施工類型為高填方土石混填路基，且試驗段內存在填挖交界路段。標定試驗段選取總長約150 m的路段，進行智能壓實技術在土石混填路基的適用性驗證現場研究。

通過現場和室內試驗確定填筑材料的基礎物理性參數，包括液限、塑限、塑性指數、最佳含水率、最大干密度、篩分顆粒含量(主要以大于5.0 mm顆粒含量的質量分數表示)以及最大顆粒直徑等，結果見表1。

表1 填筑材料物理性參數

2.2 試驗方案

本試驗分別采用智能壓實指標Evib和CMV，與傳統(tǒng)的原位測試值建立相關性進行標定，以此確定智能壓實技術的適用性。在150 m的試驗段內，根據壓路機振輪寬度尺寸，將試驗區(qū)分為寬約2 m的矩形試驗帶作為標定區(qū)，試驗區(qū)一側每隔5 m設觀測點，每條試驗帶共設15個測點，在試驗帶一側用標桿標記，用于確定傳統(tǒng)檢測方法的測試位置，其試驗段及測點示意見圖5。本試驗傳統(tǒng)的原位測試值選用路基動態(tài)變形模量Evd。路基動態(tài)變形模量是路基中一點的動應力與動應變之比，它反映了路基承受動態(tài)作用荷載的能力，可通過便攜式落錘彎沉儀測得。

圖5 試驗段及測點分布示意圖

現場路基施工每層填筑厚度為40 cm。試驗時先由推土機將填料整平，再由振動壓路機按設定的振動參數進行振動碾壓。壓路機在碾壓過程中智能壓實控制系統(tǒng)實時記錄智能壓實測量值，每遍碾壓結束后，在測點標記位置進行原位測試，為了解決由于智能壓實測量值和路基動態(tài)變形模量測點標記位置難以重合的位置，采用GPS定位法精確定位。在手持式GPS定位系統(tǒng)和壓路機GPS定位系統(tǒng)重合位置，測定各檢測點的Evd，當測試結果達到要求時，即停止碾壓。相關性標定試驗完成后，建立2種智能壓實測量值指標與Evd的相關關系，并分析其相關性優(yōu)劣，選擇較優(yōu)指標用于后續(xù)試驗結果分析。

2.3 試驗結果

2.3.1相關性建立

根據現場試驗，采集所有數據進行匯總，在足夠樣本數據的支撐下，結合相關性理論分析方法。將2種智能壓實測量值指標在所有測試工況中得到的數據匯總后，按最小二乘法進行回歸，分別得到2個指標的總體相關性。得到相同工況下CMV及Evib與Evd的相關性，見圖6。

圖6 相關性分析結果圖

由圖6可見，CMV與Evd的相關系數R2=0.60，Evib與Evd的相關系數R2=0.78，說明Evib在土石混填路基上與Evd的相關性明顯優(yōu)于CMV與Evd的相關性。適用于土石混填路基的智能壓實技術宜采用模量類指標Evib作為智能壓實測量值指標與模量類測試方法(PFWD、FWD、承載板試驗等)測得的動態(tài)模量建立相關性，可以得到更好的智能壓實控制效果。

2.3.2壓實質量評價

參考JTG/T 3610-2019 《公路路基施工技術規(guī)范》，確定終壓路基模量Evd的控制值為60 MPa。結合相關性分析結果，對應的Evib標定值為10 MPa。即當智能壓實測量值Evib大于10 MPa，可認定路基強度已達到控制要求。將壓實區(qū)域實測Evib值與換算后的標定值進行比較，得到所有壓實區(qū)域中薄弱區(qū)，并針對性采取補壓措施。

3 結論

1) 在國內，智能壓實應用于土石混填路基施工的研究還在發(fā)展階段，相應的理論和研究還未達到成熟水平，需進行更多的實踐，尋求智能壓實技術在土石混填路基填筑工程中更好的運用手段與應用效果。

2) 智能壓實技術應用于土石混填路基填筑時，壓實過程中測得的各種數據，采用最小二乘法與路基動態(tài)變形模量進行回歸分析，與路基壓實質量建立相關性，用于后續(xù)智能壓實過程均勻性控制與壓實質量評價。

3) 適用于土石混填路基的智能壓實技術中，Evib與Evd的相關性相較于CMV，優(yōu)勢比較明顯，因此Evib指標更適用于土石混填路基的智能壓實技術。經過試驗，對試驗段土石混填路基壓實質量控制值進行確定，Evib標定值為10 MPa。