連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)在公路路基施工中的應(yīng)用

孫義

（邢臺路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北邢臺 054000）

1 連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)的原理

連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)的本質(zhì)是“剛性圓柱體在彈塑性體上振動和移動狀態(tài)下的動力學(xué)求解以及參數(shù)識別與控制”。路基填筑過程中，安裝在壓路機(jī)鋼輪上的傳感器實(shí)時讀取與路基壓實(shí)質(zhì)量相關(guān)的振動信號，車載量測系統(tǒng)，可進(jìn)行對應(yīng)信息處理，經(jīng)過復(fù)雜的計算等步驟，得到路基結(jié)構(gòu)的抗力、模量和剛度系數(shù)等與壓實(shí)質(zhì)量直接相關(guān)的參數(shù)（統(tǒng)稱振動壓實(shí)值VCV），VCV值經(jīng)過與路基壓實(shí)度的相關(guān)度校驗(yàn)，可作為檢測路基壓實(shí)度的技術(shù)指標(biāo)。

控制系統(tǒng)在工作期間，基準(zhǔn)站實(shí)時向壓路機(jī)上的接收機(jī)發(fā)送差分信號，安裝在振動壓路機(jī)頂部的接收機(jī)和無線電接收器接收衛(wèi)星信號和基站發(fā)送的差分信號，進(jìn)行實(shí)時厘米級定位。方向位置傳感器配合得出的碾壓遍數(shù)、軌跡信息和通過壓實(shí)度傳感器采集的頻率值等所有信息都會通過信號線傳遞到駕駛室里的ZD800平板上，方便壓路機(jī)手實(shí)時查看碾壓情況，防止過壓和漏壓。而平板收集到的信息則通過GPRS無線通訊的方式實(shí)時回傳到服務(wù)器里面，做到全天候、實(shí)時查看碾壓施工作業(yè)，管理人員能在任意互聯(lián)網(wǎng)終端查看施工信息、實(shí)時碾壓情況、剖面分析和輸出相關(guān)作業(yè)報告等。

2 測試過程及分析

2.1 測試條件

武漢市某高速公路沿線屬舒緩波狀的壟崗平原，地勢相對平坦，局部略有起伏，地面標(biāo)高在20～32m之間。設(shè)計路面寬度41m，最大填土高度18.09m，采用4%～6%石灰改良土填筑，路堤、路床壓實(shí)度為93%～96%。碾壓設(shè)備為22t壓路機(jī)，松鋪厚度30cm，碾壓方式根據(jù)試驗(yàn)段確定。

2.2 設(shè)備檢查

本工程中引進(jìn)的某智能壓實(shí)系統(tǒng)（ZHD-ICS）主要由便攜式基站、車載系統(tǒng)和管理軟件組成。便攜式基站包括V30工程接收機(jī)、DDTHPB無線數(shù)據(jù)收發(fā)一體電臺，安裝調(diào)試后的基站可以對壓實(shí)設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

圖1 智能壓實(shí)系統(tǒng)（ZHD-ICS）

車載系統(tǒng)包括M30北斗工程接收機(jī)、CPMS壓實(shí)度傳感器、ZD800平板控制終端、判向傳感器和振動傳感器。

開展相關(guān)性校驗(yàn)前對連續(xù)壓實(shí)控制系統(tǒng)設(shè)備的安裝及連接情況進(jìn)行檢查，確認(rèn)安裝正確且連接牢固。安裝后臺管理軟件，進(jìn)行檢查振動壓路機(jī)的壓實(shí)工藝參數(shù)情況，確認(rèn)振動頻率保持在穩(wěn)定值的允許波動范圍內(nèi)。

2.3 相關(guān)校驗(yàn)

為驗(yàn)證連續(xù)指標(biāo)與常規(guī)指標(biāo)的相關(guān)性，在路基上選取試驗(yàn)段進(jìn)行相關(guān)校驗(yàn)，試驗(yàn)段長100m，寬12m，層厚30cm，填料為4%石灰改良土。壓實(shí)設(shè)備采用22t壓路機(jī)，分輕度、中度和重度碾壓區(qū)，以不大于4km/h的速度進(jìn)行平碾。依據(jù)連續(xù)壓實(shí)檢測試驗(yàn)結(jié)果，在三種壓實(shí)狀態(tài)區(qū)域內(nèi)有針對性的各選6個測試點(diǎn)，用灌砂法進(jìn)行壓實(shí)度檢測。各個檢測點(diǎn)的實(shí)測振動壓實(shí)值和壓實(shí)度數(shù)據(jù)見表1。

表1振動壓實(shí)值與壓實(shí)度對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

相關(guān)性校驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完成后，令x為常規(guī)檢驗(yàn)指標(biāo)、y為振動壓實(shí)指標(biāo)，通過下式計算振動壓實(shí)值與常規(guī)檢測指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)。

式（1）中：r為常規(guī)檢驗(yàn)指標(biāo)和振動壓實(shí)值之間的相關(guān)系數(shù)；xi為常規(guī)檢驗(yàn)指標(biāo)樣本值；yi為振動壓實(shí)指標(biāo)樣本值；xˉ為xi的平均值；yˉ為yi的平均值。

根據(jù)上式計算連續(xù)指標(biāo)與常規(guī)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)r=0.765（相關(guān)性系數(shù)要求不小于0.7），滿足應(yīng)用條件要求。

建立振動壓實(shí)值與常規(guī)檢驗(yàn)指標(biāo)之間的線性回歸模型：

式中回歸系數(shù)：

求得：a=81.8，b=0.09，x=81.8+0.09y。

線性回歸模型建立后，可根據(jù)常規(guī)檢測指標(biāo)合格值確定目標(biāo)振動壓實(shí)值[VCV]，簡稱目標(biāo)值，也可以通過振動壓實(shí)測試結(jié)果預(yù)測常規(guī)檢驗(yàn)指標(biāo)。

圖2 目標(biāo)振動壓實(shí)值[VCV]與壓實(shí)度的關(guān)系

2.4 碾壓過程控制

相關(guān)校核試驗(yàn)完成后，在路基碾壓過程中可通過壓實(shí)程度、壓實(shí)均勻性和壓實(shí)穩(wěn)定性3個指標(biāo)控制路基的壓實(shí)質(zhì)量。

2.4.1 壓實(shí)程度控制

控制壓實(shí)程度的目的是控制路基填筑體物理力學(xué)性能達(dá)到規(guī)定值，解決路基填筑體是否有足夠強(qiáng)度和剛度支承上部結(jié)構(gòu)的問題。碾壓面上第i個單元的壓實(shí)程度（VCVi）可通過式（5）進(jìn)行判定：

由于壓實(shí)質(zhì)量受各種條件（如施工水平、填料變異或分布不均等）的影響，可通過碾壓面壓實(shí)程度通過率準(zhǔn)則判定路基的壓實(shí)程度。一般要求碾壓面壓實(shí)程度的通過面積（通過的測試單元數(shù)量）占碾壓面積（測試單元總數(shù)量）的比值不小于90%，且不通過的測試單元呈分散分布狀態(tài)。

2.4.2 壓實(shí)均勻性控制

壓實(shí)均勻性是指路基結(jié)構(gòu)性能在碾壓面上分布的一致性，控制的是路基填筑體物理力學(xué)性能的均勻分布程度，解決能否均勻支承上部結(jié)構(gòu)的問題。壓實(shí)度均勻性的控制準(zhǔn)則可通過式（6）表示：

2.4.3 壓實(shí)穩(wěn)定性控制

壓實(shí)穩(wěn)定性主要是從控制填筑體物理力學(xué)性能的穩(wěn)定程度方面考慮的，是指壓實(shí)狀態(tài)隨碾壓遍數(shù)變化程度的相對大小。一般用前后2遍壓實(shí)振動值之差的相對大小進(jìn)行判定。

式（7）中：VCVi為碾壓輪跡上第i遍的振動壓實(shí)值的檢測結(jié)果；VCVi+1為碾壓輪跡上第i+1遍的振動壓實(shí)值的檢測結(jié)果；δ為壓實(shí)穩(wěn)定性的控制精度，一般取1%～3%。

2.5 質(zhì)量檢測

路基填筑過程中，可對碾壓面進(jìn)行全面的連續(xù)檢測，壓實(shí)通過率判定與控制示意圖見圖3。淺色區(qū)域?yàn)檎駝訅簩?shí)值大于或等于按規(guī)范壓實(shí)度設(shè)定的目標(biāo)值，為合格區(qū)域。深色區(qū)域?yàn)檎駝訅簩?shí)值小于按規(guī)范壓實(shí)度設(shè)定的目標(biāo)值，為不合格區(qū)域。現(xiàn)場作業(yè)人員按照壓實(shí)質(zhì)量平面分布圖，選取振動壓實(shí)值不合格的區(qū)域進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行針對性補(bǔ)強(qiáng)，提高路基一次性驗(yàn)收合格率。

圖3 碾壓面壓實(shí)通過率判定與控制示意圖

3 結(jié)論

（1）依據(jù)《公路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》（JT/T1127—2017）的相關(guān)要求，組織設(shè)備安裝調(diào)試和相關(guān)校驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析表明連續(xù)壓實(shí)指標(biāo)與常規(guī)指標(biāo)正相關(guān)，且相關(guān)性系數(shù)滿足規(guī)范要求，依據(jù)線性回歸方程，可通過測試VCV值對預(yù)測路基壓實(shí)度。

（2）設(shè)備在數(shù)據(jù)試采集階段出現(xiàn)VCV值離散性過大的問題，進(jìn)一步分析論證表明：壓路機(jī)的工作狀態(tài)、填料質(zhì)量、攤鋪平整度等因素影響VCV值。路基攤鋪過程中需選用工作狀態(tài)良好的壓路機(jī)，并保證填料的質(zhì)量和攤鋪平整度，獲取的振動壓實(shí)值才具有指導(dǎo)意義。

（3）通過對路基施工段落的連續(xù)壓實(shí)檢測，結(jié)果表明，通過該技術(shù)可將碾壓面上的相關(guān)信息以壓實(shí)狀態(tài)分布圖的形式反映出來，對欠壓區(qū)域進(jìn)行針對性的補(bǔ)強(qiáng)，保證路基壓實(shí)合格率，提高施工效率。

（4）由于缺少相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，市場上的連續(xù)壓實(shí)設(shè)備質(zhì)量參差不齊，數(shù)據(jù)采集結(jié)果偏差較大，相關(guān)校驗(yàn)工作耗費(fèi)了大量精力，影響連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)的推廣。建議有關(guān)部門加快相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。