路基智能壓實技術(shù)探究

黨曉 侯子義

（1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530022）

一、引言

壓實度是控制路基施工質(zhì)量最主要的指標。公路工程中一般采用灌砂法、環(huán)刀法和核子密度儀等方法檢測路基壓實度，其中灌砂法最為普遍。但傳統(tǒng)壓實質(zhì)量檢測方法存在著以下問題：檢測點位和數(shù)據(jù)存在一定的局限性；檢測結(jié)果滯后于壓實過程，費時費力；不能實時監(jiān)控壓路機工作狀態(tài)與壓實過程，壓實工藝和參數(shù)調(diào)整滯后。

近年來，基于振動壓路機與被壓材料動力學(xué)特性，通過檢測振動輪加速度信號并利用信號處理和軟件程序?qū)崟r在線檢測壓實度控制壓實質(zhì)量技術(shù)得到廣泛關(guān)注。智能壓實即壓路機操作人員結(jié)合實時反饋能夠直觀地觀察到所碾壓區(qū)域的壓實程度。想要實現(xiàn)這一目標，以壓路機、路基、感應(yīng)設(shè)備、顯示設(shè)備組成的整體就要建立實時的響應(yīng)機制，從而準確地指導(dǎo)施工。

二、試驗儀器

（一）壓路機

采用的壓路機為路基施工中常用的振動壓路機。

（二）加速度傳感器

振動壓路機受工作環(huán)境影響較大，因此，加速度傳感器需具備較高的靈敏度，以確保信號采集的準確性。本文采用的LC0107T型號IC壓電加速度傳感器，能夠滿足檢測智能壓實指標CMV值的使用需求。

三、建立CMV與傳統(tǒng)指標的相關(guān)關(guān)系

（一）CMV 的計算

在實際應(yīng)用時，第一步先將壓實信號采集到加速度信號采集器中，然后運用快速傅立葉（FFT）技術(shù)開始頻譜分析，得到不同受力狀態(tài)下各個頻率成分的幅值，最后截取一個周期內(nèi)的信號并去掉其他各階信號幅值，找到基頻信號幅值和一次諧波幅值。智能壓實系統(tǒng)對應(yīng)的智能壓實指標CMV可以用式（1）表示：

式中，A1為一次諧波幅值，A0為基頻信號幅值，C為固定常數(shù)，然后在試驗段用標準壓實度檢驗方法測得的壓實度值和CMV值之間建立相關(guān)關(guān)系，就可以實時監(jiān)測控制壓實度。

（二）CMV 的檢測與展示

CMV檢測系統(tǒng)由加速度傳感器、數(shù)據(jù)處理單元及車載顯示終端組成，系統(tǒng)采集到的加速度信號經(jīng)過頻域濾波處理后，可以得到一次諧波與二次諧波的幅值。按照CMV的計算方法便可得到每一時刻的CMV指標，將CMV值與全球定位系統(tǒng)GPS所采集到的實時坐標關(guān)聯(lián)分析，即可確定碾壓平面上每一位置的CMV值。這一計算過程在數(shù)據(jù)處理單元中實施，隨后數(shù)據(jù)處理單元將采集到的原始數(shù)據(jù)通過串口線發(fā)送至車載智能平板電腦，經(jīng)過專業(yè)軟件解算后，可以形成CMV指標的云圖，并通過紅、黃、綠3種顏色區(qū)分壓實效果的好壞。

（三）測試方案

為了分析CMV與壓實度的相關(guān)關(guān)系，本文采集了施工段的CMV指標、動態(tài)回彈模量及灌砂法壓實度等，涉及到黏土質(zhì)礫和粉土質(zhì)礫兩種土質(zhì)，選擇兩個試驗段獨立展開試驗，黏土質(zhì)礫的試驗段位于廣西南寧沙井至吳圩高速公路k2+700～k2+800樁號區(qū)間，粉土質(zhì)礫的試驗段位于沙吳高速公路k14+000～k14+100樁號區(qū)間，為了確保采集結(jié)果的可比性，兩個地點的壓路機型號、施工工藝及試驗方法完全相同。

為避免試驗數(shù)據(jù)集中在較小的范圍而影響相關(guān)性校驗結(jié)果，將試驗區(qū)劃分為3遍區(qū)、5遍區(qū)及7遍區(qū)3個碾壓條帶，這樣可以確保不同條帶下的壓實度、動態(tài)回彈模量及CMV值存在明顯差異，試驗中對每個碾壓條帶的松鋪厚度控制為30cm，碾壓速度為3km/h，壓路機由A點行駛至B點再按原路線倒回后記做碾壓一遍。試驗時，首先由安裝智能碾壓設(shè)備的壓路機開展碾壓作業(yè)采集CMV指標。作業(yè)完成后立即測試，在每一個測試點采集4次動態(tài)回彈模量，第一次測試結(jié)果往往受到地表平整度等因素的影響，數(shù)據(jù)與后3次差異較大，因此取每個測試點2、3、4次測試結(jié)果的平均值作為該點的動態(tài)回彈模量，回彈模量測試結(jié)束后，在原地采集各測試點的壓實度值，壓實度采集結(jié)束后，即可整理數(shù)據(jù)開展相關(guān)分析。

測試結(jié)束后，以CMV為橫坐標，壓實度與動態(tài)回彈模量為縱坐標開展線性擬合。

（四）結(jié)果及驗證

試驗結(jié)束后，統(tǒng)計兩種土質(zhì)的灌砂法數(shù)據(jù)、動態(tài)回彈模量ETML及對應(yīng)點的CMV值，匯總結(jié)果如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

黏土質(zhì)礫的擬合方程為y=0.34397x+81.75453，其相關(guān)系數(shù)r 為0.813，粉土質(zhì)礫的擬合方程為y=0.35442x+82.2894，相關(guān)系數(shù)r為0.780，其中x值為CMV，y為壓實度值（%）。CMV與動態(tài)回彈模量的校驗結(jié)果，黏土質(zhì)礫的擬合方程為y=0.812x+3.57135，其相關(guān)系數(shù)r為0.834，粉土質(zhì)礫的擬合方程為y=0.874x+1.81463，相關(guān)系數(shù)r為0.834。從結(jié)果可以看到，兩種土質(zhì)下CMV值與傳統(tǒng)指標的相關(guān)系數(shù)都大于0.7，具有較強的相關(guān)性。

由于智能碾壓系統(tǒng)主要用于下路堤質(zhì)量監(jiān)控，現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定高速公路下路堤的壓實度需大于等于93%，因此可采用93%壓實度所對應(yīng)的CMV作為目標CMV值，通過擬合方程可得，黏土質(zhì)礫的目標CMV值為32.7，粉土質(zhì)礫的目標CMV值為30.2。

為驗證CMV指標預(yù)測壓實度的準確性，在沙吳高速公路全線范圍內(nèi)隨機確定點位復(fù)核壓實度，通過手持GPS精準定位測試點，保證CMV與壓實度的高度位置匹配。

校核結(jié)果如表2所示，計算壓實度與實測壓實度的組差在±2范圍內(nèi)，滿足工程應(yīng)用的需求，但同時也表明，當(dāng)施工面壓實度位于臨界值時，容易出現(xiàn)誤判，因此除壓實度外，智能碾壓系統(tǒng)對施工工藝監(jiān)控也尤為重要。

表2 壓實度誤差統(tǒng)計

四、結(jié)語

振動壓路機智能化連續(xù)施工路基壓實度檢測系統(tǒng)所包含的設(shè)備管理、實時監(jiān)控、歷史回放等多項功能模塊，能夠提供高效、精準的檢測壓實度值、碾壓遍數(shù)、碾壓層厚等施工參數(shù)，滿足及時指導(dǎo)施工的需求。通過高速公路的試驗路段建立了黏土質(zhì)礫和粉土質(zhì)礫兩種土質(zhì)下，CMV值與灌砂法壓實度的相關(guān)關(guān)系，系統(tǒng)的壓實度檢測與灌砂法的試驗壓實度結(jié)果相對誤差小于2%。