遲明祥 張 彬 劉雯欽

（長安大學(xué)渭水校區(qū)，西安 710064）

在填料一定的情況下，良好的壓實(shí)質(zhì)量控制便成為保證填筑體工程施工質(zhì)量的決定性因素。然而，傳統(tǒng)的壓實(shí)質(zhì)量控制方法存在很多缺點(diǎn)，無法做到對壓實(shí)狀態(tài)的實(shí)時(shí)反饋，也不能實(shí)時(shí)調(diào)控壓實(shí)機(jī)具施工參數(shù)。由此催生了連續(xù)壓實(shí)和智能壓實(shí)概念。本文針對傳統(tǒng)壓實(shí)質(zhì)量控制方法的不足，對連續(xù)壓實(shí)和智能壓實(shí)技術(shù)理論的概念與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和探討。

1 傳統(tǒng)壓實(shí)質(zhì)量控制技術(shù)

傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測方法主要包括灌砂法、環(huán)刀法、鉆芯法、核子密度儀法、無核密度儀法等方法，前兩者用于路基和基層的壓實(shí)度檢測，后三者主要用于瀝青路面壓實(shí)度檢測，其中，灌砂法是檢測壓實(shí)度最常用的試驗(yàn)方法之一，適用于在現(xiàn)場測定基層、路基等各種填料壓實(shí)層的壓實(shí)度。以該方法為例，簡要分析傳統(tǒng)壓實(shí)質(zhì)量控制技術(shù)的缺陷。灌砂法檢測過程主要包括標(biāo)定灌砂筒內(nèi)砂的質(zhì)量和量砂的單位質(zhì)量、選取檢測點(diǎn)、鉆孔取芯、回填量砂、稱重計(jì)算等步驟。

從以上過程可以看出傳統(tǒng)壓實(shí)質(zhì)量控制技術(shù)一般是采用“點(diǎn)式”抽樣方式進(jìn)行，這類方法存在諸多不足。

第一，點(diǎn)式抽樣控制得到的是抽樣點(diǎn)的值，很難控制填筑體的均勻性和整體質(zhì)量；該方法不但比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，明顯影響工程機(jī)械化施工，并且是在施工結(jié)束后檢驗(yàn)，不能在碾壓過程中發(fā)現(xiàn)問題并處理。當(dāng)填料存在不均勻性時(shí)，抽樣點(diǎn)的代表性就會極大降低。目前，國內(nèi)公路路基主要靠點(diǎn)式檢驗(yàn)，導(dǎo)致質(zhì)量控制不到位，使缺陷責(zé)任期內(nèi)就開始修補(bǔ)。

第二，壓實(shí)工藝控制不便，包括壓實(shí)遍數(shù)控制、碾壓輪跡控制、高程控制、溫度控制等。碾壓遍數(shù)依據(jù)試驗(yàn)段得到，后續(xù)施工段的條件必須與試驗(yàn)段的完全一致，并且填料要非常均勻才能采用，屬于經(jīng)驗(yàn)法。實(shí)踐證明，碾壓遍數(shù)不變會導(dǎo)致碾壓面某些區(qū)域沒被壓實(shí)、而另一些區(qū)域過度壓實(shí)等問題，因此，單純控制碾壓遍數(shù)還不能控制好填筑體的整體質(zhì)量，將壓實(shí)遍數(shù)優(yōu)化才能得到更好的壓實(shí)質(zhì)量。

總的來看，傳統(tǒng)壓實(shí)控制技術(shù)雖然操作較簡單，但實(shí)際操作時(shí)常常無法做到在較小誤差范圍內(nèi)真實(shí)反映壓實(shí)度，故經(jīng)常導(dǎo)致施工與質(zhì)量檢測之間發(fā)生矛盾。

2 連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)

為解決傳統(tǒng)壓實(shí)質(zhì)量控制技術(shù)存在的問題，在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了連續(xù)壓實(shí)控制（Continuous Compaction Control，簡稱CCC）的概念。其核心思想是在振動碾壓過程中依據(jù)壓路機(jī)振動輪和路基結(jié)構(gòu)的相互動態(tài)作用（振動論的激振力和路基的反力），連續(xù)測量壓路機(jī)振動輪的動態(tài)響應(yīng)，基于這種振動響應(yīng)建立評定與控制體系，以實(shí)現(xiàn)碾壓過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測和反饋控制。

目前，國際上較先進(jìn)的連續(xù)壓實(shí)控制設(shè)備廠家有BOMAG、Caterpiller、Dynapac等。以Dynapac的壓實(shí)信息檢測分析系統(tǒng)為例，其CCC系統(tǒng)裝置由1個壓實(shí)儀表、加速度計(jì)和處理器組合裝置，1個定位系統(tǒng)和1個用于文檔處理的機(jī)載PC 機(jī)等3部分組成[1]。在振動壓路機(jī)的工作過程中，振動輪內(nèi)的旋轉(zhuǎn)偏心塊產(chǎn)生一正弦簡諧振動。然而，在碾壓過程中，這一簡諧振動始終會受到來自受壓填料的干擾。CCC系統(tǒng)通過裝在振動輪上的加速度計(jì)采集由干擾引起的加速度變化，經(jīng)變換處理而計(jì)算出壓實(shí)度儀表數(shù)值（既CMV值）。

連續(xù)壓實(shí)控制實(shí)現(xiàn)了在碾壓過程中實(shí)時(shí)反饋壓實(shí)狀況，并使得壓實(shí)控制可以覆蓋整個作業(yè)面。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是在施工段采用該控制技術(shù)前要首先進(jìn)行對比試驗(yàn)，即在試驗(yàn)段建立較高的連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)與傳統(tǒng)質(zhì)量控制指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，這就要求施工段必須與試驗(yàn)段施工情況基本一致，否則控制參數(shù)的意義不大。并且，該系統(tǒng)還無法做到對壓路機(jī)的輸出參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的智能調(diào)節(jié)。

作為智能壓實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，連續(xù)壓實(shí)控制是目前應(yīng)用較成熟的壓實(shí)質(zhì)量控制技術(shù)。隨著研究和工程應(yīng)用的深入，連續(xù)壓實(shí)控制指標(biāo)是否能真實(shí)反映填筑體的壓實(shí)質(zhì)量已成為關(guān)注的焦點(diǎn)，這也是影響智能反饋控制的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

3 智能壓實(shí)技術(shù)

3.1 智能壓實(shí)的含義

智能壓實(shí)是根據(jù)連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)而提出的概念，主要是指裝配在振動壓路機(jī)上的智能控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集振動輪的振幅、頻率、激振力和壓路機(jī)的行走速度等參數(shù)，通過技術(shù)處理獲得連續(xù)分布的受壓體剛度、模量及抗力等物理量，持續(xù)自動地調(diào)節(jié)壓路機(jī)性能參數(shù)，以優(yōu)化壓實(shí)質(zhì)量。

可以看出，所謂智能壓實(shí)，其實(shí)質(zhì)是根據(jù)壓路機(jī)振動響應(yīng)來連續(xù)識別填筑體力學(xué)參數(shù)，再根據(jù)參數(shù)大小和分布自動調(diào)節(jié)壓路機(jī)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化壓實(shí)作業(yè)，以得到更好的壓實(shí)效果[3]。

3.2 智能壓實(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)具備的功能

智能壓實(shí)的主體是智能壓實(shí)控制系統(tǒng)。一個基本的智能壓實(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)包括信息采集裝置、數(shù)據(jù)處理軟件和壓實(shí)機(jī)具等部分。根據(jù)智能控制的含義，智能壓實(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)該具有以下功能。

一是具備智能系統(tǒng)的基本功能，也是智能壓實(shí)最重要的技術(shù)特征，即學(xué)習(xí)、決策和優(yōu)化功能。應(yīng)用于壓實(shí)控制系統(tǒng)則是指在碾壓過程中控制系統(tǒng)能夠不斷學(xué)習(xí)所采集的信息并進(jìn)行分析和處理，不斷優(yōu)化所得到的壓實(shí)狀態(tài)反饋信息，根據(jù)反饋信息對壓實(shí)參數(shù)的調(diào)整和其他狀況做出綜合決策。

二是根據(jù)反饋信息快速智能調(diào)控壓實(shí)機(jī)具的能力。智能壓實(shí)的目的是使壓路機(jī)能夠根據(jù)壓實(shí)狀態(tài)自動調(diào)節(jié)頻率和振幅，即能夠針對不同的壓實(shí)狀態(tài)做出不同程度的合適調(diào)節(jié)。這涉及對不同級配的填料以及該填料的最佳壓實(shí)效果的研究學(xué)習(xí)，需要長期的研究積累。

由以上描述可以看出，智能壓實(shí)的主要功能是自主的學(xué)習(xí)與實(shí)時(shí)的反饋控制，能夠智能識別填料的壓實(shí)狀態(tài)，并對壓實(shí)機(jī)具的參數(shù)做出自動調(diào)節(jié)，這也是實(shí)現(xiàn)智能壓實(shí)的關(guān)鍵。

3.3 智能壓實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)

既然智能壓實(shí)是通過智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，則實(shí)現(xiàn)智能壓實(shí)的關(guān)鍵應(yīng)在構(gòu)建良好可靠的控制系統(tǒng)。目前，制約智能壓實(shí)發(fā)展的關(guān)鍵因素或者實(shí)現(xiàn)智能壓實(shí)所需要的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾方面。

3.3.1 在碾壓過程中精準(zhǔn)識別填筑體的壓實(shí)狀態(tài)

動態(tài)精準(zhǔn)地識別填筑體的壓實(shí)狀態(tài)是智能壓實(shí)的第一步，也是核心問題。對于振動壓實(shí)來講，該問題可以抽象為“一個剛性圓柱體在彈塑性體（對于瀝青混合料則是高溫粘彈塑性體）上移動和振動狀態(tài)下的接觸動力學(xué)問題”[4]，目前還沒有得到有效解答。因此，建立有效的信息采集方式以及構(gòu)建合理的力學(xué)模型是關(guān)鍵所在。

3.3.2 智能壓實(shí)檢測指標(biāo)與傳統(tǒng)檢測指標(biāo)的一致性問題

無論是CCC系統(tǒng)還是智能壓實(shí)控制系統(tǒng)，其控制指標(biāo)都應(yīng)真實(shí)反映填料的壓實(shí)狀態(tài)。在傳統(tǒng)的壓實(shí)指標(biāo)被廣泛接受的情況下，任何一種智能壓實(shí)控制指標(biāo)都應(yīng)做到與傳統(tǒng)壓實(shí)指標(biāo)具有較高相關(guān)性，才能在施工過程中不引起標(biāo)準(zhǔn)上的沖突，從而被廣泛接受。

3.3.3 壓實(shí)機(jī)械工作參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)

智能壓實(shí)控制技術(shù)的直接目的是實(shí)現(xiàn)壓實(shí)機(jī)具工藝參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，而調(diào)節(jié)方法和程度還有待研究。需要大量壓實(shí)工藝實(shí)驗(yàn)來探索在不同填料、不同級配下達(dá)到最佳壓實(shí)狀態(tài)所需的壓實(shí)機(jī)械工藝參數(shù)，如激振力、振頻、振幅乃至振動輪質(zhì)量等的組合，不是理論分析能完全解決的。

3.3.4 智能識別填料

填料選擇和壓實(shí)技術(shù)決定了填筑體的壓實(shí)質(zhì)量。因而智能壓實(shí)系統(tǒng)除在碾壓過程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓路機(jī)參數(shù)外，還應(yīng)具備智能識別填筑體所用填料的功能，以便針對不同填料的壓實(shí)性做出相應(yīng)決策。而這個功能的實(shí)現(xiàn)也需要系統(tǒng)長時(shí)間不斷學(xué)習(xí)。但是，學(xué)習(xí)的方法和判定的標(biāo)準(zhǔn)尚需進(jìn)一步研究。

總的來看，作為連續(xù)壓實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，目前智能壓實(shí)技術(shù)仍處在概念階段，其關(guān)鍵技術(shù)還沒有實(shí)現(xiàn)。真正的智能壓實(shí)應(yīng)體現(xiàn)在智能輸出壓實(shí)狀態(tài)、智能控制壓實(shí)工藝參數(shù)、智能識別填料以及智能駕駛等方面，也是研究智能壓實(shí)的重點(diǎn)和開發(fā)相應(yīng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在[4]。

4 結(jié)語

本文對壓實(shí)質(zhì)量控制技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了分析探討。從長遠(yuǎn)來看，從傳統(tǒng)壓實(shí)質(zhì)量控制技術(shù)到連續(xù)壓實(shí)技術(shù)，再到智能壓實(shí)，壓實(shí)機(jī)具和碾壓施工走向智能化是大勢所趨，而目前連續(xù)壓實(shí)技術(shù)方興未艾，智能壓實(shí)技術(shù)還處于概念階段，在此對壓實(shí)質(zhì)量控制技術(shù)進(jìn)行分析探討，明確其發(fā)展方向，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。