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(guó)工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)路面與壓實(shí)機(jī)械分會(huì)，北京 100101

連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)中壓實(shí)計(jì)方法的諧波比指標(biāo)的局限性問(wèn)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(guó)工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)路面與壓實(shí)機(jī)械分會(huì)，北京 100101

0 引言

連續(xù)壓實(shí)控制（CCC）是一類(lèi)方法和技術(shù)的統(tǒng)稱(chēng)。目前國(guó)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(píng)定指標(biāo)的力學(xué)方法，如德國(guó)力學(xué)方法的評(píng)定指標(biāo)為振動(dòng)模量，中國(guó)動(dòng)力學(xué)方法的評(píng)定指標(biāo)為抵抗力即反力，還有的評(píng)定指標(biāo)為彈簧系數(shù)等；其二是基于信號(hào)處理原理、以無(wú)量綱量為評(píng)定指標(biāo)的信號(hào)方法，主要以1976年的瑞典壓實(shí)計(jì)方法為代表，其評(píng)定指標(biāo)稱(chēng)作壓實(shí)計(jì)值（CMV），即諧波比，以及后來(lái)被改進(jìn)的RMV和CCV等。

隨著連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)在中國(guó)的工程中得到應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外連續(xù)壓實(shí)方面的各種技術(shù)也相繼進(jìn)入市場(chǎng)。由于采用“諧波比”原理的檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)單且易于模仿，所以使這種被許多國(guó)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(shí)質(zhì)量控制帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。因此，有必要對(duì)這類(lèi)方法的局限性和可用性進(jìn)行分析，主要目的在于幫助使用者對(duì)該方法有一個(gè)清晰的認(rèn)知并指導(dǎo)其如何使用。

1 壓實(shí)計(jì)方法的原理

1976年，瑞典的GEODYNAMIK與DYNAPAC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了壓實(shí)計(jì)，并初步提出了連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)與控制思想。該方法通過(guò)判別振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪響應(yīng)信號(hào)的畸變程度來(lái)評(píng)價(jià)填筑體的壓實(shí)狀態(tài)，頻譜特征如圖1所示。

為了定量分析振動(dòng)輪響應(yīng)信號(hào)的畸變程度，研制者通過(guò)頻譜分析，定義了一個(gè)連續(xù)評(píng)定指標(biāo)——CMV（Compaction Meter Value），即壓實(shí)計(jì)值（以CCMV表示）：

圖1 不同壓實(shí)狀態(tài)時(shí)振動(dòng)輪響應(yīng)信號(hào)的頻譜特征

由圖1可知，當(dāng)填筑體松軟時(shí)，振動(dòng)輪響應(yīng)信號(hào)中只含有基頻信號(hào)，此時(shí)CMV為0；隨著填筑體不斷被壓密，振動(dòng)輪響應(yīng)信號(hào)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(shí)狀態(tài)由松散向密實(shí)過(guò)渡，此時(shí)CMV隨著壓密程度的提高逐漸增大。壓實(shí)計(jì)法就是根據(jù)CMV的大小，利用常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果得到CMV與密度、模量等指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，而進(jìn)行連續(xù)的壓實(shí)質(zhì)量控制。瑞典制定的連續(xù)壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)（1994年）也是以壓實(shí)計(jì)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(guó)家規(guī)定的r ≤ 0.70（即r2≤ 0.50）要小，根本原因就是壓實(shí)計(jì)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(guò)程中，根據(jù)振動(dòng)壓路機(jī)與填筑體相互作用的動(dòng)力學(xué)分析得知壓路機(jī)振動(dòng)輪的響應(yīng)信號(hào)中不只是存在一次諧波。

1 各國(guó)官方試驗(yàn)結(jié)果分析

壓實(shí)計(jì)方法自誕生以來(lái)，在使用上一直存在局限性。從20世紀(jì)80年代起，許多國(guó)家的官方研究部門(mén)對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)研究和論證，得到的結(jié)論是一致的——該方法僅適用于振動(dòng)壓路機(jī)響應(yīng)信號(hào)出現(xiàn)一次諧波的情況，沒(méi)有普遍應(yīng)用價(jià)值。為了更有說(shuō)服力，本文完全采用第三方和使用者已經(jīng)公開(kāi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.1 美國(guó)明尼蘇達(dá)州運(yùn)輸部門(mén)（2006年）

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

該報(bào)告2006年版專(zhuān)門(mén)對(duì)壓實(shí)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，采用不同填料和Caterpillar壓路機(jī)進(jìn)行。常規(guī)試驗(yàn)主要采用GeoGauge（一種穩(wěn)態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)）、LWD（類(lèi)似于動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)）和DCP（一種灌入式動(dòng)態(tài)試驗(yàn)）進(jìn)行試驗(yàn)，取得的模量與相應(yīng)的CMV進(jìn)行對(duì)比。共11組試驗(yàn)（每組有22個(gè)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)），僅有一組（占9.09%）的相關(guān)系數(shù)r=0.63，勉強(qiáng)滿足瑞典規(guī)范要求，但不滿足德國(guó)、中國(guó)等國(guó)規(guī)范不小于0.70（即r2≥0.50）的要求，其余10組（占90.9%）試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)r=0.0。

2.2 美國(guó)國(guó)家科學(xué)院交通運(yùn)輸研究委員會(huì)（2010年）

資料來(lái)源：NCHRP REPORT 676，Transportation Research Board of The National Academies。

這是一份公路智能壓實(shí)研究項(xiàng)目報(bào)告，對(duì)目前連續(xù)壓實(shí)控制（CCC）技術(shù)以及智能壓實(shí)（IC）進(jìn)行了分析；同時(shí)對(duì)各國(guó)的壓實(shí)評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行了總結(jié)性分析，其中對(duì)壓實(shí)計(jì)的諧波比指標(biāo)CMV分析如下。

（1）當(dāng)土體剛度較小時(shí)，CMV幾乎不隨土體剛度發(fā)生變化，不能用來(lái)評(píng)定壓實(shí)效果，這是振動(dòng)輪響應(yīng)信號(hào)的頻率成分未發(fā)生變化的表現(xiàn)。

（2）當(dāng)土體剛度變大后，振動(dòng)輪響應(yīng)信號(hào)中出現(xiàn)一次諧波分量，這時(shí)CMV可以用來(lái)評(píng)定壓實(shí)效果。

（3）當(dāng)土體剛度繼續(xù)變大，則振動(dòng)輪響應(yīng)出現(xiàn)各種諧波成分的分量，此時(shí)CMV出現(xiàn)異常，不能用來(lái)評(píng)定壓實(shí)效果。

（4）當(dāng)土體剛度很大時(shí)，振動(dòng)輪發(fā)生彈跳，CMV值為0或者很小，不能評(píng)定壓實(shí)效果。

由此可見(jiàn)，CMV在控制軟弱或較硬的填筑體時(shí)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(shí)控制的根本任務(wù)之一。至于何時(shí)壓路機(jī)振動(dòng)輪響應(yīng)信號(hào)中出現(xiàn)一次諧波分量，既沒(méi)有理論上的判別依據(jù)，也無(wú)法預(yù)先確定，現(xiàn)場(chǎng)人員更無(wú)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(jì)80年代曾對(duì)壓實(shí)計(jì)方法進(jìn)行過(guò)較為細(xì)致的研究[1]。分別對(duì)夾粉土礫、夾粘土礫和堆石料3種材料進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)研究的結(jié)論為：CMV只對(duì)含有較多細(xì)顆粒的填料在某種程度上是有效的，而對(duì)于堆石料等粗粒堅(jiān)硬填料沒(méi)有什么效果，這與美國(guó)的研究結(jié)論一致。

1.4 中國(guó)30余年資料

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

（2）沈陽(yáng)至丹東高速公路。據(jù)遼寧省高等級(jí)公路建設(shè)局介紹，在沈陽(yáng)至丹東高速公路建設(shè)中曾想采用壓實(shí)計(jì)方法進(jìn)行壓實(shí)過(guò)程控制，但由于CMV與壓實(shí)質(zhì)量之間沒(méi)有很好的對(duì)應(yīng)性而不得不放棄。

（3）哈爾濱至大連客運(yùn)專(zhuān)線。根據(jù)中鐵一局哈大客專(zhuān)項(xiàng)目部實(shí)驗(yàn)室提供的資料，2008年11月，在哈大客運(yùn)中鐵一局工地，采用“GPS+CMV”方案進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)段的填料為石渣土，采用BOMAG壓路機(jī)進(jìn)行碾壓和測(cè)試。在連續(xù)測(cè)試的同時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的K30、Evd、Ev2等常規(guī)試驗(yàn)，以便進(jìn)行對(duì)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(méi)有相關(guān)性。究其原因，主要是由于路基較堅(jiān)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(guó)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(shí)視頻宣傳片提供的資料，圖3（a）是CMV與壓實(shí)系數(shù)K之間的關(guān)系，由此可知壓實(shí)土體是一種粘性細(xì)粒土。按照壓實(shí)計(jì)的使用原則，此時(shí)應(yīng)該是適用的。當(dāng)壓實(shí)系數(shù)K在0.87～0.92之間時(shí)，CMV與K確實(shí)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(jiān)硬狀態(tài)）之后，CMV便不再變化，甚至有下降趨勢(shì)，此時(shí)已無(wú)規(guī)律可循。

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

從20世紀(jì)80年代起，國(guó)內(nèi)水利部門(mén)開(kāi)始仿制“諧波比”原理的設(shè)備（國(guó)產(chǎn)壓實(shí)計(jì)），掀起第一次推廣熱潮；90年代公路部門(mén)也開(kāi)始仿制，掀起第二次推廣熱潮；21世紀(jì)開(kāi)始，國(guó)內(nèi)眾多壓路機(jī)廠商開(kāi)始引進(jìn)或者仿制壓實(shí)計(jì)裝配在壓路機(jī)上，屬于第三次熱潮。但所有這些仿制均以失敗而告終，沒(méi)有在工程實(shí)踐中得到普遍應(yīng)用。

自從2011年鐵路連續(xù)壓實(shí)控制行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（TB 0108—2011）頒布以來(lái)，出于商業(yè)目的，許多廠商又開(kāi)始仿制“諧波比”原理的設(shè)備，掀起第四次仿制熱潮，并聲稱(chēng)相關(guān)系數(shù)普遍可以達(dá)到0.80～0.90，但是這種說(shuō)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(lái)全世界公認(rèn)的研究和工程實(shí)踐結(jié)論，也與“諧波比”原理本身不符。實(shí)際上，那種只憑少量的試驗(yàn)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(zhǎng)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(guó)壓實(shí)計(jì)設(shè)備進(jìn)行的大量對(duì)比試驗(yàn)，CMV與常規(guī)檢測(cè)結(jié)果之間也沒(méi)有很好的對(duì)應(yīng)性，達(dá)不到普遍應(yīng)用的程度，也再一次說(shuō)明了諧波比方法存在較大的局限性。

1.5 其他資料

公開(kāi)資料顯示，德國(guó)在20世紀(jì)80年代的連續(xù)控制指標(biāo)也曾根據(jù)“諧波比”的原理，采用與CMV類(lèi)似的指標(biāo)，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(lèi)指標(biāo)（如振動(dòng)模量）。這是因?yàn)镃MV是一個(gè)相對(duì)指標(biāo)，對(duì)土體壓實(shí)反應(yīng)不敏感，受限較多，適用范圍太窄，用于大部分填料時(shí)得不到正確的結(jié)論。

另外，根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)院NCHRP REPORT 676報(bào)告，目前瑞典Dynapac壓路機(jī)沒(méi)有使用基于CMV原理的技術(shù)進(jìn)行智能反饋控制。

2 壓實(shí)計(jì)方法的局限性原因分析

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

圖2 哈大客專(zhuān)鐵路進(jìn)行的CMV對(duì)比試驗(yàn)

圖3 CMV與K和K30關(guān)系

2.1 檢測(cè)影響范圍不同引起的誤差

壓路機(jī)的測(cè)試深度與常規(guī)檢測(cè)深度的測(cè)試影響范圍相差較大。例如，在垂直方向上，15 t振動(dòng)壓路機(jī)的測(cè)試深度可達(dá)1.2 m，而平板載荷試驗(yàn)的測(cè)試深度為0.45 m；在水平方向上，壓路機(jī)的測(cè)試范圍為2.0 m2左右，而平板載荷試驗(yàn)的測(cè)試范圍只有0.071 m2?？梢?jiàn)連續(xù)指標(biāo)和常規(guī)指標(biāo)所代表的是各自影響范圍內(nèi)的平均值。因此無(wú)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(huì)大一些，這是采用何種指標(biāo)都會(huì)面臨的實(shí)際問(wèn)題。

2.2 指標(biāo)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(biāo)的定義問(wèn)題。從CMV的定義可以看出，影響CMV的關(guān)鍵之一就是振動(dòng)輪動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)什么樣的信號(hào)成分。根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論，壓路機(jī)響應(yīng)信號(hào)中之所以產(chǎn)生諧波，一是由于壓路機(jī)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(shí)測(cè)壓路機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)而進(jìn)行的頻譜分析。圖4（a）為在砂性土上碾壓時(shí)的測(cè)試結(jié)果，可見(jiàn)基頻和一次諧波成分，可以采用CMV指標(biāo)進(jìn)行控制；圖4（b）是在二灰碎石上碾壓的測(cè)試結(jié)果，可見(jiàn)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(wú)法采用CMV指標(biāo)進(jìn)行控制；圖4（c）、（d）都是在碎石土上碾壓的測(cè)試結(jié)果，圖4（c）碎石的含量更高一些，可見(jiàn)除了基頻外，已經(jīng)很難區(qū)分其他的諧波成分了，也無(wú)法采用CMV指標(biāo)進(jìn)行控制。

圖4 實(shí)測(cè)碾壓不同填料時(shí)壓路機(jī)響應(yīng)信號(hào)的頻譜特征

國(guó)內(nèi)外幾十年的大量實(shí)踐表明，振動(dòng)壓路機(jī)響應(yīng)信號(hào)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(jī)與填筑體之間能夠產(chǎn)生一次諧波的簡(jiǎn)單線性振動(dòng)情況。如何判定壓路機(jī)與填筑體之間的相互作用為簡(jiǎn)單線性振動(dòng)，目前還沒(méi)有理論上的依據(jù)可循，并非現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員所能完成的，更達(dá)不到普遍應(yīng)用的程度。實(shí)際上，“諧波比”原理的方法就是一種經(jīng)驗(yàn)法而已。

3 結(jié)語(yǔ)

大量的國(guó)內(nèi)外官方以及工程部門(mén)的實(shí)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(shí)控制技術(shù)和設(shè)備，其評(píng)定指標(biāo)CMV與常規(guī)檢驗(yàn)指標(biāo)（壓實(shí)度、各種模量、地基系數(shù)等）之間除了采用某種壓路機(jī)碾壓某類(lèi)填料有效之外，其余情況下均沒(méi)有較好的效果，不能正確反映壓實(shí)質(zhì)量信息。若盲目采用，會(huì)造成對(duì)壓實(shí)質(zhì)量的嚴(yán)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(shí)技術(shù)與設(shè)備的使用局限性已分別在2011年頒布國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程》（TB10108—2011）和2015年轉(zhuǎn)換的中鐵總企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Q/CR9210—2015）的條文中進(jìn)行了說(shuō)明。此類(lèi)經(jīng)驗(yàn)法技術(shù)不具備普遍應(yīng)用的價(jià)值，若在填筑碾壓控制中普遍使用，不僅會(huì)給壓實(shí)質(zhì)量控制帶來(lái)極其混亂的局面，也會(huì)影響連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)在中國(guó)工程市場(chǎng)的健康發(fā)展。

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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51178405）