周毅恒 趙國強(qiáng) 張宏杰

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804； 2.上海城建市政工程(集團(tuán))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(jīng)濟(jì)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(yīng)用。土石混填路基壓實(shí)過程中，由于粒徑變化較大、含水狀態(tài)不穩(wěn)定等特點(diǎn)[1]，如果仍采用適用于細(xì)粒土的傳統(tǒng)壓實(shí)質(zhì)量檢測方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，易產(chǎn)生壓實(shí)不均勻、壓實(shí)度不足等問題，而路基強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(diǎn)。

而隨著我國智能化與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，一種在路基壓實(shí)施工過程中，旨在通過分析壓路機(jī)振動輪運(yùn)動特性，實(shí)現(xiàn)對路基壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時、全面檢測的智能壓實(shí)技術(shù)開始出現(xiàn)[2-3]。智能壓實(shí)技術(shù)本質(zhì)上是根據(jù)分析的振動響應(yīng)獲得智能壓實(shí)測量值，識別連續(xù)分布的物理或力學(xué)量，進(jìn)而直接指導(dǎo)施工，以得到更好的壓實(shí)質(zhì)量[4]。智能壓實(shí)技術(shù)相對于傳統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)測方法具有實(shí)時、全面的優(yōu)勢，但需要進(jìn)行相關(guān)性校驗(yàn)，通過建立與常規(guī)質(zhì)量驗(yàn)收指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，得到回歸公式，計(jì)算出目標(biāo)控制值后，才能對路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)與控制。目前，在我國的鐵路路基與大壩施工中，智能壓實(shí)技術(shù)應(yīng)用廣泛[5]。但適用于道路路基的智能壓實(shí)技術(shù)研究還不夠成熟，仍處于發(fā)展進(jìn)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(shí)質(zhì)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(shí)技術(shù)的應(yīng)用，甄選與壓實(shí)控制質(zhì)量相關(guān)性較高的智能壓實(shí)指標(biāo)，與常規(guī)驗(yàn)收方法得到的回彈模量指標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系，計(jì)算得到目標(biāo)控制值，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控和反饋施工控制[6-7]。

1 智能壓實(shí)技術(shù)優(yōu)化

1.1 技術(shù)原理

智能壓實(shí)技術(shù)是指在填筑體填筑碾壓過程中，根據(jù)土體與振動壓路機(jī)相互動態(tài)作用原理，通過測量振動壓路機(jī)振動輪豎向振動響應(yīng)信號，采用適合于連續(xù)碾壓質(zhì)量控制要求的壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時評估指標(biāo)，建立檢測評定與反饋控制體系，實(shí)現(xiàn)對整個碾壓面壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測與控制。并根據(jù)路基實(shí)際壓實(shí)情況，調(diào)整碾壓機(jī)械的碾壓參數(shù)(速度、頻率、振幅等)，從而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控和反饋指導(dǎo)施工。智能壓實(shí)系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 智能壓實(shí)系統(tǒng)工作原理

針對土石混填路基填料變異性大，壓實(shí)不均勻的問題，在壓實(shí)施工過程中，應(yīng)對壓實(shí)均勻性嚴(yán)格控制，因此通過智能壓實(shí)技術(shù)采集的振動信號建立監(jiān)測評定體系。為了對壓實(shí)均勻性有較為可靠的反映，本文甄選Evib和CMV2個指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性試驗(yàn)。Evib采用彈性半空間理論下的集中參數(shù)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(jìn)而得到Evib，稱為振動模量。其計(jì)算方法見式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：b為振動輪與土體(沿壓路機(jī)行進(jìn)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(jī)行進(jìn)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(shí)測量的經(jīng)驗(yàn)類指標(biāo)，一般采用式(4)方法計(jì)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(shè)備集成

智能壓實(shí)檢測實(shí)質(zhì)上記錄的是振動碾壓過程中振動輪的運(yùn)動狀態(tài)，即振動輪的動態(tài)響應(yīng)信號。優(yōu)良的智能壓實(shí)設(shè)備系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)精確連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量控制的關(guān)鍵。本試驗(yàn)采用的智能壓實(shí)系統(tǒng)由傳感及解調(diào)模塊(加速度計(jì)及解調(diào)儀)、高精度定位模塊(GPS天線及定位接收機(jī))、計(jì)算機(jī)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(shí)系統(tǒng)組成

對土石混填路基進(jìn)行碾壓時，壓路機(jī)振輪的加速度變化較大，相較于細(xì)粒土路基有較大不同。所采用的加速度計(jì)是獨(dú)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(diào)儀，具有體積小、質(zhì)量輕、適用頻率范圍廣、量程大、易于固定安裝等優(yōu)點(diǎn)。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(cè)面輪軸處。

GPS定位模塊主要用于對壓路機(jī)振動輪位置精確定位，以便將智能壓實(shí)測量值數(shù)據(jù)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(shí)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(shí)薄弱與不均勻的區(qū)域定位及繪制壓實(shí)狀況圖。

計(jì)算分析模塊由工業(yè)平板和內(nèi)置的連續(xù)壓實(shí)控制軟件組成，見圖3。

圖3 智能壓實(shí)控制計(jì)算機(jī)可視化

在對路段智能壓實(shí)控制時，工業(yè)平板置于振動壓路機(jī)駕駛室內(nèi)。智能壓實(shí)軟件用于對采集到的振動加速度信號進(jìn)行分析，根據(jù)內(nèi)置算法計(jì)算連續(xù)壓實(shí)控制指標(biāo)值，并結(jié)合GPS定位數(shù)據(jù)將各點(diǎn)的指標(biāo)值儲存在硬盤中或發(fā)送至云數(shù)據(jù)庫，針對土石混填路基易產(chǎn)生壓實(shí)不均勻的特殊性，實(shí)時快速地將碾壓狀況渲染為壓實(shí)狀況圖，可用來實(shí)時評價(jià)壓實(shí)均勻性，為駕駛員提供實(shí)時指導(dǎo)。

1.3 現(xiàn)場應(yīng)用

智能壓實(shí)技術(shù)尚未產(chǎn)生規(guī)范的、應(yīng)用于土石混填路基的壓實(shí)驗(yàn)收測量值指標(biāo)。針對土石混填路基，使用智能壓實(shí)測量值指標(biāo)控制壓實(shí)質(zhì)量時，所采用的做法是：設(shè)立試驗(yàn)段，并選定合適的傳統(tǒng)壓實(shí)度或強(qiáng)度測試方法；初步選定智能壓實(shí)測量值指標(biāo)，并進(jìn)行與傳統(tǒng)指標(biāo)的相關(guān)性標(biāo)定試驗(yàn)；建立傳統(tǒng)測試指標(biāo)與智能壓實(shí)測量值指標(biāo)相關(guān)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能壓實(shí)在相關(guān)路段的大規(guī)模應(yīng)用。其具體的技術(shù)操作流程見圖4。

圖4 土石混填路基智能壓實(shí)技術(shù)操作流程

1) 選定智能壓實(shí)測量值指標(biāo)及傳統(tǒng)壓實(shí)度或模量測試方法，用于標(biāo)定智能壓實(shí)測量值指標(biāo)。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(shí)反映土體剛度。

2) 劃定試驗(yàn)段，設(shè)計(jì)相關(guān)性試驗(yàn)，建立智能壓實(shí)測量值指標(biāo)與傳統(tǒng)壓實(shí)指標(biāo)的相關(guān)性，由于土石混填路基壓實(shí)過程中變異性較大，進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)時應(yīng)注意碾壓材料及振動碾壓參數(shù)應(yīng)保持與后續(xù)壓實(shí)一致。

3) 確定壓實(shí)達(dá)到要求時傳統(tǒng)檢測指標(biāo)的檢測結(jié)果，并根據(jù)建立的相關(guān)性確定相應(yīng)的智能壓實(shí)測量值指標(biāo)目標(biāo)值；針對土石混填路基，甄選出應(yīng)用效果最好的智能壓實(shí)指標(biāo)。

4) 根據(jù)確定的目標(biāo)值進(jìn)行智能壓實(shí)控制，對壓實(shí)薄弱或不均勻區(qū)域采取補(bǔ)壓等必要措施。

5) 所有碾壓區(qū)域到達(dá)智能壓實(shí)要求后，選取壓實(shí)測量值最小的區(qū)域，根據(jù)規(guī)范在智能壓實(shí)測量值指標(biāo)較小的區(qū)域進(jìn)行壓實(shí)驗(yàn)收。

2 智能壓實(shí)技術(shù)適用性驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)工程概況

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

通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)確定填筑材料的基礎(chǔ)物理性參數(shù)，包括液限、塑限、塑性指數(shù)、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(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)以及最大顆粒直徑等，結(jié)果見表1。

表1 填筑材料物理性參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)分別采用智能壓實(shí)指標(biāo)Evib和CMV，與傳統(tǒng)的原位測試值建立相關(guān)性進(jìn)行標(biāo)定，以此確定智能壓實(shí)技術(shù)的適用性。在150 m的試驗(yàn)段內(nèi)，根據(jù)壓路機(jī)振輪寬度尺寸，將試驗(yàn)區(qū)分為寬約2 m的矩形試驗(yàn)帶作為標(biāo)定區(qū)，試驗(yàn)區(qū)一側(cè)每隔5 m設(shè)觀測點(diǎn)，每條試驗(yàn)帶共設(shè)15個測點(diǎn)，在試驗(yàn)帶一側(cè)用標(biāo)桿標(biāo)記，用于確定傳統(tǒng)檢測方法的測試位置，其試驗(yàn)段及測點(diǎn)示意見圖5。本試驗(yàn)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(diǎn)的動應(yīng)力與動應(yīng)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(yàn)段及測點(diǎn)分布示意圖

現(xiàn)場路基施工每層填筑厚度為40 cm。試驗(yàn)時先由推土機(jī)將填料整平，再由振動壓路機(jī)按設(shè)定的振動參數(shù)進(jìn)行振動碾壓。壓路機(jī)在碾壓過程中智能壓實(shí)控制系統(tǒng)實(shí)時記錄智能壓實(shí)測量值，每遍碾壓結(jié)束后，在測點(diǎn)標(biāo)記位置進(jìn)行原位測試，為了解決由于智能壓實(shí)測量值和路基動態(tài)變形模量測點(diǎn)標(biāo)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(jī)GPS定位系統(tǒng)重合位置，測定各檢測點(diǎn)的Evd，當(dāng)測試結(jié)果達(dá)到要求時，即停止碾壓。相關(guān)性標(biāo)定試驗(yàn)完成后，建立2種智能壓實(shí)測量值指標(biāo)與Evd的相關(guān)關(guān)系，并分析其相關(guān)性優(yōu)劣，選擇較優(yōu)指標(biāo)用于后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果分析。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1相關(guān)性建立

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，采集所有數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，在足夠樣本數(shù)據(jù)的支撐下，結(jié)合相關(guān)性理論分析方法。將2種智能壓實(shí)測量值指標(biāo)在所有測試工況中得到的數(shù)據(jù)匯總后，按最小二乘法進(jìn)行回歸，分別得到2個指標(biāo)的總體相關(guān)性。得到相同工況下CMV及Evib與Evd的相關(guān)性，見圖6。

圖6 相關(guān)性分析結(jié)果圖

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

2.3.2壓實(shí)質(zhì)量評價(jià)

參考JTG/T 3610-2019 《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》，確定終壓路基模量Evd的控制值為60 MPa。結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果，對應(yīng)的Evib標(biāo)定值為10 MPa。即當(dāng)智能壓實(shí)測量值Evib大于10 MPa，可認(rèn)定路基強(qiáng)度已達(dá)到控制要求。將壓實(shí)區(qū)域?qū)崪yEvib值與換算后的標(biāo)定值進(jìn)行比較，得到所有壓實(shí)區(qū)域中薄弱區(qū)，并針對性采取補(bǔ)壓措施。

3 結(jié)論

1) 在國內(nèi)，智能壓實(shí)應(yīng)用于土石混填路基施工的研究還在發(fā)展階段，相應(yīng)的理論和研究還未達(dá)到成熟水平，需進(jìn)行更多的實(shí)踐，尋求智能壓實(shí)技術(shù)在土石混填路基填筑工程中更好的運(yùn)用手段與應(yīng)用效果。

2) 智能壓實(shí)技術(shù)應(yīng)用于土石混填路基填筑時，壓實(shí)過程中測得的各種數(shù)據(jù)，采用最小二乘法與路基動態(tài)變形模量進(jìn)行回歸分析，與路基壓實(shí)質(zhì)量建立相關(guān)性，用于后續(xù)智能壓實(shí)過程均勻性控制與壓實(shí)質(zhì)量評價(jià)。

3) 適用于土石混填路基的智能壓實(shí)技術(shù)中，Evib與Evd的相關(guān)性相較于CMV，優(yōu)勢比較明顯，因此Evib指標(biāo)更適用于土石混填路基的智能壓實(shí)技術(shù)。經(jīng)過試驗(yàn)，對試驗(yàn)段土石混填路基壓實(shí)質(zhì)量控制值進(jìn)行確定，Evib標(biāo)定值為10 MPa。