畢志剛，湯新星，王儀宇，李強，許強

(1.中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西 西安 710018；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

連續(xù)壓實控制技術(shù)[1-2]不同于傳統(tǒng)點樣式的檢測方法，可以實現(xiàn)對整個碾壓面的檢測，是一種無損害路基的檢測技術(shù)，國內(nèi)外對其在路基壓實質(zhì)量評價上已有許多相關(guān)研究。

在壓實程度方面：歐盟[3]和中國[4]標(biāo)準(zhǔn)均把壓實數(shù)據(jù)的通過率作為判定要求，美國明尼蘇達(dá)州[5]規(guī)定90%的壓實數(shù)據(jù)應(yīng)大于0.9倍的目標(biāo)值。在壓實均勻性方面：中國[4]、美國明尼蘇達(dá)州[5]標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定壓實數(shù)據(jù)應(yīng)不小于一定倍數(shù)的目標(biāo)值，歐盟[3]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓實數(shù)據(jù)需滿足正態(tài)分布。在壓實穩(wěn)定性方面：中國[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定前后兩遍壓實數(shù)據(jù)的相對大小不大于3%時滿足壓實穩(wěn)定性。除各國標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定外，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)一步研究。王龍等[6]基于PFWD無損檢測技術(shù)，提出均勻度指標(biāo)t評價路基的壓實均勻性。王翔等[7]基于地統(tǒng)計學(xué)理論，建立半變異函數(shù)模型來描述壓實數(shù)據(jù)的空間分布情況，并提出偏基臺值指標(biāo)評價路基的壓實均勻性。聶志紅等[8]提出自相關(guān)距離的近鄰加權(quán)估計識別法與地統(tǒng)計學(xué)的半變異函數(shù)相結(jié)合，把異常指數(shù)αi作為單點異常值的判定指標(biāo)，很好地降低連續(xù)壓實檢測數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，提高其均勻性。高杰等[9]通過無核密度儀快速測定路基的壓實度，采用壓實度代表值、合格率及變異系數(shù)評價路基壓實質(zhì)量。劉東海等[10]基于Dempster-Shafer證據(jù)理論和DBSCA空間聚類分析方法，提出等效連續(xù)薄弱面積用于定量評價壓實薄弱區(qū)域。

國內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)雖然對連續(xù)壓實控制技術(shù)在路基壓實質(zhì)量評價的運用制定了相應(yīng)規(guī)定，但壓實程度、壓實均勻性與壓實穩(wěn)定性評價中缺乏考慮不合格區(qū)域的薄弱程度、面積大小以及空間分布狀態(tài)等因素，對此，本文嘗試采用標(biāo)準(zhǔn)偏移率q、最近鄰點指數(shù)R及變異系數(shù)CV相結(jié)合的方式對路基壓實質(zhì)量進(jìn)行評價。

1 壓實質(zhì)量評價指標(biāo)的計算方法改進(jìn)

從鐵路路基規(guī)程中引入壓實程度、壓實均勻性以及壓實穩(wěn)定性3個評價方法在公路路基中應(yīng)用，針對評價指標(biāo)存在的缺陷，提出不同的計算方法。

1.1 壓實程度

《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程》[4]規(guī)定通過率應(yīng)不小于95%時，滿足壓實程度的要求，計算式(1)所示。

(1)

式中：VCVi為第i個測試單元的振動壓實值；[VCV]為目標(biāo)壓實值。

但通過率計算簡單，未考慮壓實值的相對大小與不合格區(qū)域面積大小的因素，因此基于相對判定法和加權(quán)平均思想，采用標(biāo)準(zhǔn)偏移率q[11]指標(biāo)來評價碾壓面的壓實程度，計算式(2)～式(4)所示。

(2)

(3)

(4)

式中：Ai為壓實指標(biāo)VCVi所對應(yīng)的不合格區(qū)域面積；A為檢驗區(qū)域的總面積；qi為目標(biāo)值的百分率；qt為壓實程度檢驗的目標(biāo)值。

由規(guī)程要求不合格區(qū)域占總面積應(yīng)不大于5%，要求變化率應(yīng)不大于3%，則q=0.05×0.03=0.001 5，因此擬定qt=0.15%作為目標(biāo)值。

1.2 壓實均勻性

《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程》[4]規(guī)定實測壓實值不小于其平均值的0.8時，則滿足壓實均勻性的要求，計算式(5)所示。

(5)

不合格點的空間分布情況對壓實均勻性有較大影響，但規(guī)程并未考慮這一因素，因此采用一種基于統(tǒng)計學(xué)中常用的最近鄰點指數(shù)法來評價薄弱區(qū)域的空間分布特征[11]。最近鄰點指數(shù)R計算式(6)～式(9)所示。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：n為區(qū)域內(nèi)總數(shù)；A為區(qū)域面積；D為點密度；ri為點i與最近點的距離；r1為所有點的最鄰近距離的平均數(shù)；rE為理論上的標(biāo)準(zhǔn)距離。

本文參考梁會民等[12]提出的指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)R≤0.5，點聚集分布；0.5

1.3 壓實穩(wěn)定性

《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程》[4]規(guī)定，第i遍振動壓實值與第i+1遍之差的相對大小小于3%時，則滿足壓實穩(wěn)定性的要求，計算式(10)所示。

(10)

式中：VCVn為第n遍的振動壓實值；[δ]為控制精度，取3%。

但此判定方式需要劃分1 m2單元，實際中操作較為困難，且存在數(shù)據(jù)相差較大較小的情況，因此考慮總體數(shù)據(jù)本身，采用類似變異系數(shù)的計算方式來評價碾壓面的壓實穩(wěn)定性，計算式(11)～式(12)所示。

(11)

(12)

按規(guī)程要求前后兩遍振動壓實值變化率應(yīng)不大于3%，將其帶入式(12)、式(13)近似得出控制精度[CV]=0.03。

2 工程實例

2.1 工程概況

本文依托莆炎高速公路，雙向六車道，設(shè)計速度100 km·h-1，路基寬度33.5 m(整體式)、16.75 m(分離式)，采用公路-I級的汽車荷載等級，7級設(shè)防地震烈度。莆炎高速公路(三明境)YA13合同段，位于福建省三明市尤溪縣和大田縣境內(nèi)，線路全長11.33 km。該路段填方總量571.7萬m3，其中高填土路堤11段，合計長度1 969 m。

2.2 路基填料

試驗段中采用粉質(zhì)黏土作為路基填料，為土樣參數(shù)如表1、表2所示。

表1 粉質(zhì)黏土土樣參數(shù)

表2 粉質(zhì)黏土土樣級配

2.3 機械設(shè)備

路基壓實過程中采用的碾壓機械及其性能參數(shù)，如圖1、表3所示。

表3 碾壓機械及其性能參數(shù)

(a) 22 t壓路機 (b) 32 t壓路機

2.4 施工工藝及系統(tǒng)安裝

填料由自卸車送往試驗段，進(jìn)行分層攤鋪，攤鋪采用漸進(jìn)式攤鋪，先用推土機粗平，再由平地機精平，用石灰粉分割不同的試驗段。

加速度傳感器焊接在壓路機振動輪輪軸上，傳感器檢測方向與輪軸方向垂直，同時垂直于地面。傳感設(shè)備基站安裝在試驗場地附近，測量天線安裝在壓路機頂部，顯示屏置于駕駛室內(nèi)，使工作人員可以直接操作讀取VCV數(shù)據(jù)，進(jìn)行實時觀察。

2.5 試驗方案

試驗現(xiàn)場，將試驗段分為3個部分，每個試驗段長為90 m，寬為4 m，松鋪厚為50 cm。采用不同的碾壓組合讓試驗段呈現(xiàn)不同的密實狀態(tài)，其中輕度密實狀態(tài)：1遍靜壓+1遍弱振；中度密實狀態(tài)：1遍靜壓+2遍強振+1遍弱振；重度密實狀態(tài)：1遍靜壓+4遍強振+1遍弱振?，F(xiàn)場試驗路段的平面布置圖見圖3所示。

圖2 試驗段的平面布置圖(單位：m)

圖3 檢測點布置圖(單位：m)

在試驗段上，采用傳統(tǒng)的灌砂法和連續(xù)壓實控制技術(shù)兩種檢測方式，在試驗段上選取合理的檢測點，隨之對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。在每個試驗段上選取6個檢測點，檢測點間相距15 m，檢測點的選取位置如圖4所示。

11月20日，以“能源領(lǐng)域的人工智能和大數(shù)據(jù)創(chuàng)新”為主題的第九屆道達(dá)爾中國科學(xué)論壇在北京舉行。論壇聚焦能源行業(yè)的人工智能和大數(shù)據(jù)應(yīng)用，分享人工智能、大數(shù)據(jù)等創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展動態(tài)及趨勢，國內(nèi)頂尖研究機構(gòu)成果，互聯(lián)網(wǎng)及創(chuàng)投企業(yè)的創(chuàng)新解決方案以及能源巨頭應(yīng)用人工智能和大數(shù)據(jù)案例。

2.6 試驗數(shù)據(jù)

在各個試驗段碾壓完成后，采用灌砂法對布置的檢測點測量其壓實度，并導(dǎo)出相應(yīng)位置下的VCV值，粉質(zhì)黏土填料的壓實度與VCV關(guān)系如圖4所示。

VCV

可以看出，VCV與壓實度具有較好的相關(guān)性，采用灌砂法測得每一種壓實狀態(tài)的試驗段壓實度，將對應(yīng)的VCV與壓實度進(jìn)行擬合，依據(jù)根據(jù)最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計算得到粉質(zhì)黏土填料的擬合方程，粉質(zhì)黏土填料的擬合方程為y=0.302 1x+74.24,相關(guān)系數(shù)R2=0.950，由該路段設(shè)計要求路基壓實度需滿足95%，則VCV目標(biāo)值為68.72。圖中數(shù)據(jù)具有分段聚集性，因為進(jìn)行相關(guān)性試驗時，采用的是不同密實狀態(tài)分段進(jìn)行碾壓，測量的數(shù)據(jù)不能保證其連續(xù)性。

2.7 碾壓遍數(shù)

取用相同的土樣作為填土材料，選擇其他碾壓參數(shù)不變下碾壓遍數(shù)變化的不同壓路機進(jìn)行影響分析，不同壓路機下粉質(zhì)黏土填料的VCV值變化如圖5所示。

檢測點數(shù)量

可以看出，隨著碾壓遍數(shù)的增加，VCV值逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，表明碾壓面具有較好的壓實質(zhì)量。不論是22 t還是32 t壓路機，弱振過后的第一遍強振對粉質(zhì)黏土填料的作用相差不大，之后在強振作用下，粉質(zhì)黏土的VCV值大幅度增大，而最后趨于穩(wěn)定時，32 t壓路機作用下的VCV值變化明顯比22 t壓路機作用下的穩(wěn)定。采用32 t壓路機時，前2遍碾壓測得的VCV值明顯比采用22 t壓路機稍大一些，但最后都會在相同的一定范圍變化，說明激振力越大，則對路基壓實的作用也越大，而最終使路基趨于相差不大的壓實程度。

2.8 壓實質(zhì)量評價

2.8.1 壓實程度分析

由相關(guān)性試驗計算得出的連續(xù)壓實控制指標(biāo)的目標(biāo)值VCV，分別計算通過率，以及標(biāo)準(zhǔn)偏移率q對粉質(zhì)黏土路基的壓實程度進(jìn)行評價，如表4、表5所示。

表4 粉質(zhì)黏土填料的通過率及標(biāo)準(zhǔn)偏移率q(22 t壓路機)

表5 粉質(zhì)黏土填料的通過率及標(biāo)準(zhǔn)偏移率q(32 t壓路機)

按照通過率的評價方式，由表5、表6可以看出，通過不同噸位壓路機進(jìn)行“弱振1遍+強振3遍”的碾壓方式后，粉質(zhì)黏土路基可以達(dá)到95%以上的通過率，滿足壓實程度的要求，再強振1遍過后，通過率有所提高，且由表中計算結(jié)果可知，粉質(zhì)黏土路基采用32 t壓路機碾壓的路基通過率比22 t壓路機要稍高一些，表明32 t壓路機的作用效果更佳。

按照標(biāo)準(zhǔn)偏移率q的性質(zhì)，q值越小，碾壓面不合格區(qū)域范圍越小或者不合格值越接近于目標(biāo)值，說明碾壓面的壓實程度越好。由表5、表6可以看出，22 t壓路機和32 t壓路機作用下，粉質(zhì)黏土路基的q值均小于0.15%，即路基滿足壓實程度要求；對于粉質(zhì)黏土路基，32 t壓路機碾壓路基的q值與22 t壓路機相差不大，說明兩種壓路機碾壓完成后的作用效果相近；可以擬定q≤0.15%，作為評定填土路基滿足壓實程度的要求的標(biāo)準(zhǔn)。

壓實程度分析表明：通過率在一定程度上可以體現(xiàn)出路基的壓實程度，但僅考慮合格的測試單元，具有一定的局限性，而標(biāo)準(zhǔn)偏移率指標(biāo)會更好一些，它還考慮到不合格區(qū)域面積的大小以及其VCV與目標(biāo)值的相對大小兩個因素，可以更合理的評價整個碾壓面的壓實程度。

2.8.2 壓實均勻性分析

參考《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程》規(guī)定[7]，不同壓路機下粉質(zhì)黏土填料的壓實均勻性判定如圖6所示。

實際中最近鄰點指數(shù)R是通過采集到的數(shù)據(jù)輸入到ARCGIS軟件中，由軟件進(jìn)行計算得出點的最鄰近距離，運用式(6)～式(9)得出最近鄰點指數(shù)R如表6、表7所示。

表6 最近鄰點指數(shù)R計算結(jié)果(22 t壓路機)

由圖6可以看出，粉質(zhì)黏土路基在采用22 t、32 t壓路機碾壓完成后，其最后測得VCV值均大于其平均值的0.8，即按照規(guī)程規(guī)定，粉質(zhì)黏土路基都滿足均勻性的要求。

檢測點數(shù)量

按照最近鄰點指數(shù)R判斷標(biāo)準(zhǔn)，R>0.5時符合均勻性要求[12]。由表7、表8可以看出，不同噸位壓路機進(jìn)行“弱振1遍+強振3遍”的碾壓方式后，粉質(zhì)黏土路基R值均大于0.5。路基采用32 t壓路機碾壓后存在的不合格點數(shù)量比22 t壓路機少，但路基采用22 t壓路機的最近鄰點指數(shù)R高于32 t壓路機，說明22 t壓路機碾壓后的路基存在的不合格點位置更加分散，不存在不合格點聚集分布導(dǎo)致路基不均勻沉降，即路基的均勻性更好。

表7 最近鄰點指數(shù)R計算結(jié)果(32 t壓路機)

壓實均勻性分析表明：規(guī)程規(guī)定壓實均勻性的判定方式考慮了整體數(shù)據(jù)，忽略了局部不合格區(qū)域的影響。相比于規(guī)程規(guī)定，最近鄰點指數(shù)在評價壓實均勻性上更具優(yōu)越性，它能很好地體現(xiàn)出路基壓實過程中不合格點的空間分布，同時也體現(xiàn)碾壓面存在大面積的不合格區(qū)域，為后期是否進(jìn)行補壓提供依據(jù)。

2.8.3 壓實穩(wěn)定性評價

參考《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程》[7]規(guī)定，不同壓路機下粉質(zhì)黏土填料的壓實穩(wěn)定性判定如圖7所示。變異系數(shù)和規(guī)程規(guī)定的計算結(jié)果如表8所示。

表8 粉質(zhì)黏土壓實代表值

按照規(guī)程計算，由表9所示，粉質(zhì)黏土路基中22 t壓路機和32 t壓路機變化率平均值分別為2.38和2.14，均滿足規(guī)程要求。由圖7可以看出，采用22 t壓路機碾壓完成后，粉質(zhì)黏土的前后兩次的VCV存在波動較大的部分，說明采用22 t壓路機進(jìn)行碾壓的穩(wěn)定性稍差些，同時側(cè)面說明規(guī)程的不足之處。采用32 t壓路機碾壓完成后，最后兩次的VCV值變化幅度不大，比22 t壓路機進(jìn)行壓實的穩(wěn)定性更好，效果更佳。

按照變異系數(shù)的性質(zhì)，CV越小，前后兩遍測得壓實數(shù)據(jù)的變化越小，說明路基壓實穩(wěn)定性越好。由表9可以看出，22 t壓路機作用下，粉質(zhì)黏土路基的CV=2.90，而32 t壓路機作用下，粉質(zhì)黏土路基的CV=6.60，不滿足判定要求，說明兩次的VCV變化較大，這種區(qū)域難以長期支承重復(fù)荷載。但由圖8可以看出，整體上這種變化又較為平均，事后對該區(qū)域進(jìn)行補壓即可滿足要求。

壓實穩(wěn)定性分析表明：規(guī)程規(guī)定雖然可以很好地判定路基穩(wěn)定性的情況，但在實際中操作較為困難，而采用類似變異系數(shù)的方式，還可以判斷出路基在碾壓完成后是否存在數(shù)據(jù)較為離散的區(qū)域，而且計算方式更為簡便，體現(xiàn)出變異系數(shù)在評價路基穩(wěn)定性中的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

1) 壓實程度評價：標(biāo)準(zhǔn)偏移率指標(biāo)計算考慮不合格區(qū)域面積的大小及其VCV與目標(biāo)值的相對大小的影響，比通過率指標(biāo)更合理地評價路基的壓實程度。擬定q≤0.15%作為標(biāo)準(zhǔn)偏移率評定填土路基滿足壓實程度的要求的標(biāo)準(zhǔn)。

2) 壓實均勻性評價：規(guī)程的判定方式在實際中易操作，而最近鄰點指數(shù)R考慮不合格點的空間分布方式的影響，其值能表現(xiàn)出是否存在不合格區(qū)域集中現(xiàn)象，可為事后是否需補壓提供依據(jù)，體現(xiàn)出最近鄰點指數(shù)的優(yōu)越性。

3) 壓實穩(wěn)定性評價：規(guī)程的判定方式雖較簡單，但在實際中不易操作，而變異系數(shù)CV的計算方式不難使用，且其值可以體現(xiàn)出路基是否存在數(shù)據(jù)離散的區(qū)域，能更合理地評價路基的穩(wěn)定性。

4) 對于粉質(zhì)黏土路基，相比于32 t壓路機，22 t壓路機在壓實均勻性和穩(wěn)定性上效果良好，在壓實程度上作用效果稍差，但最終可滿足填筑要求，綜合考慮在粉質(zhì)黏土路基中可采用22 t壓路機。