葉陽(yáng)升，朱宏偉，堯俊凱，蔡德鉤，安再展

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081）

截至2020年底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到3.79 萬(wàn)km，四縱四橫高速鐵路網(wǎng)提前建成，八縱八橫高速鐵路網(wǎng)加密成型。隨著“智能京張”“智能京雄”等高速鐵路線路的建設(shè)，高速鐵路智能化工程建設(shè)逐漸拉開(kāi)序幕，以智能壓實(shí)為核心的路基智能建造技術(shù)也逐步開(kāi)展應(yīng)用，同時(shí)推動(dòng)了鐵路路基建設(shè)施工工藝和質(zhì)量管理手段日益由機(jī)械化向信息化、智能化方向發(fā)展［1］。

路基作為線路基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分，目前主要通過(guò)振動(dòng)壓路機(jī)碾壓散粒體填料成形，其服役性能與填料振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程密切相關(guān)。振動(dòng)壓路機(jī)通過(guò)振動(dòng)輪對(duì)填料施加往復(fù)沖擊力，克服填料顆粒間的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦力，使得填料顆粒產(chǎn)生相對(duì)位移并重新排列，排除顆粒間的水分和空氣，從而使被壓填料逐漸達(dá)到密實(shí)狀態(tài)。振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)極大地提高了路基壓實(shí)的效率，在現(xiàn)代鐵路、公路、大壩等工程中大范圍應(yīng)用。20 世紀(jì)70年代以來(lái)，在填料振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理、振動(dòng)壓實(shí)特性、振動(dòng)壓路機(jī)-土體填料相互作用模型（機(jī)土耦合模型）等理論基礎(chǔ)上，隨著高精度傳感器采集分析和機(jī)械智能控制等硬件設(shè)備的發(fā)展以及信息化、智能化技術(shù)在工程建設(shè)中的普及應(yīng)用，壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)、壓路機(jī)智能壓實(shí)等技術(shù)在施工中也逐步得到推廣應(yīng)用，極大地提高了路基填筑智能化水平，為鐵路路基施工帶來(lái)明顯的提質(zhì)增效。

在高速鐵路路基領(lǐng)域，以粗粒土為主的高速鐵路填料振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程頻譜響應(yīng)復(fù)雜，以諧波比連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)為代表的連續(xù)檢測(cè)技術(shù)穩(wěn)定性和重復(fù)性較差，填料振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理、機(jī)土耦合作用等基礎(chǔ)理論還有待深入研究，路基智能振動(dòng)壓實(shí)理論研究滯后于路基智能壓實(shí)的工程需求，限制了路基智能填筑技術(shù)在高速鐵路的應(yīng)用與發(fā)展。

本文在對(duì)填料振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理、振動(dòng)壓實(shí)特性進(jìn)行梳理的基礎(chǔ)上，闡述機(jī)-土耦合作用機(jī)理和模型以及高速鐵路路基智能填筑技術(shù)研究現(xiàn)狀，為高速鐵路路基振動(dòng)壓實(shí)理論與智能填筑技術(shù)的研究提供借鑒。

1 填料振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)填料振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理開(kāi)展了大量的研究工作，主要包括摩擦減小理論、共振理論和波動(dòng)傳播理論3個(gè)方面。

1.1 摩擦減小理論

摩擦減小理論主要從顆粒相互作用與相對(duì)運(yùn)動(dòng)角度出發(fā)，對(duì)振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程進(jìn)行解釋。其主要觀點(diǎn)為振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中，使被壓土體顆粒由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即在振動(dòng)作用下土體顆粒發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得顆粒之間的摩擦阻力急劇減小，從而填料變得易于壓實(shí)。陳忠達(dá)、賴(lài)仲平等學(xué)者從填料顆粒振動(dòng)角度對(duì)壓實(shí)進(jìn)行分析，顆粒受迫振動(dòng)中主要受慣性力作用，慣性力與振動(dòng)強(qiáng)度、顆粒質(zhì)量成正比，在一定振動(dòng)強(qiáng)度下，不同粒徑、質(zhì)量的顆粒慣性力不同，當(dāng)顆粒慣性力大于其受到的黏聚力和摩擦力時(shí)，顆粒間將會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，顆粒間距離發(fā)生微小的變化，顆粒間咬合、摩擦作用衰減，顆粒間摩擦力減小［2-3］。滕云楠?jiǎng)t認(rèn)為不同顆粒間的慣性力差異會(huì)在顆粒邊界處產(chǎn)生新的應(yīng)力，破壞顆粒間的連結(jié)和接觸關(guān)系，使得顆粒間微細(xì)咬合作用減弱，內(nèi)摩擦力減小［4］。

1.2 共振理論

共振理論從填料整體角度進(jìn)行分析，當(dāng)壓實(shí)頻率與被壓材料的固有頻率接近時(shí)，振動(dòng)壓實(shí)效果最好。對(duì)于簡(jiǎn)單的受迫振動(dòng)，無(wú)阻尼系統(tǒng)激振力共振頻率等于固有頻率ω。實(shí)際振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中填料并非為穩(wěn)態(tài)線性受迫振動(dòng)，而是受到復(fù)雜的衰減振動(dòng)與受迫振動(dòng)的共同作用。文黎明針對(duì)單個(gè)土體穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)系統(tǒng)，提出激振頻率為共振頻率的0.7～1.3 倍之間時(shí)，填料振動(dòng)幅值較大，具有較好的壓實(shí)效果［5］。在填料壓實(shí)過(guò)程中，填料固有頻率ω=（k和m分別為填料的剛度與質(zhì)量）不斷提高，填料最優(yōu)壓實(shí)頻率可根據(jù)填料的固有頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。為使壓路機(jī)始終保持最優(yōu)的壓實(shí)方式，填料松散時(shí)選擇較低的壓實(shí)頻率，隨著填料的逐步密實(shí)，壓實(shí)頻率也應(yīng)逐步提高。

1.3 波動(dòng)傳播理論

波動(dòng)傳播理論主要從振動(dòng)波在土體中傳播角度對(duì)振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理進(jìn)行解釋。振動(dòng)壓路機(jī)激振作用下，傳播至路基的振動(dòng)波主要有縱波（壓縮波）和橫波（剪切波）2 類(lèi)。填料松散時(shí)，橫波使填料顆粒處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，減小顆粒間的阻力，縱波促使顆粒克服阻力，填料顆粒發(fā)生重新排列和相對(duì)移動(dòng)。而隨著填料密實(shí)，波的轉(zhuǎn)播速度加快，橫波增加，縱波減弱，此時(shí)表層填料由橫波引起的顆粒振動(dòng)增強(qiáng)，形成松弛區(qū)域，壓實(shí)遍數(shù)增加填料密實(shí)程度反而降低［6］。

1.4 局限與不足

填料振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程涉及土動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)、波動(dòng)傳播等理論，是一類(lèi)多動(dòng)態(tài)作用、多學(xué)科交叉的復(fù)雜問(wèn)題，上述每一類(lèi)振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理能夠解釋1種或者幾種振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中的現(xiàn)象，并不能對(duì)填料振動(dòng)壓實(shí)進(jìn)行全面的解釋。從填料顆粒振動(dòng)角度分析，振動(dòng)壓實(shí)屬于非線性的慣性力受迫振動(dòng)過(guò)程，散粒體材料在壓實(shí)過(guò)程中各類(lèi)動(dòng)力參數(shù)變化過(guò)程難以進(jìn)行定量描述，難以提出統(tǒng)一的切實(shí)可行的壓實(shí)力學(xué)模型。從振動(dòng)波傳播角度來(lái)看，壓實(shí)振動(dòng)波在向下傳播的過(guò)程中遇到不同界面時(shí)，會(huì)發(fā)生波的反射、折射和投射現(xiàn)象，形成的波動(dòng)場(chǎng)極為復(fù)雜?？傮w而言，鑒于振動(dòng)壓實(shí)機(jī)制復(fù)雜、填料的類(lèi)型多樣和參數(shù)多變，土體的各向異性和不均勻性等不確定因素，振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理尚需進(jìn)一步研究和探討。

2 高速鐵路填料振動(dòng)壓實(shí)特性

填料振動(dòng)壓實(shí)特性是決定路基質(zhì)量的重要因素，主要受填料組構(gòu)（填料級(jí)配、顆粒形態(tài)、礦物成分等）和振動(dòng)參數(shù)（激振力、振動(dòng)頻率等）的影響。高速鐵路路基普遍采用粗粒土填料進(jìn)行填筑，研究粗粒土填料的振動(dòng)壓實(shí)特性是高鐵路基智能填筑技術(shù)的理論基礎(chǔ)，本節(jié)主要圍繞粗粒土的填料組構(gòu)與振動(dòng)參數(shù)2個(gè)方面開(kāi)展論述。

2.1 填料組構(gòu)

粗粒土填料振動(dòng)壓實(shí)特性受填料組構(gòu)影響極大，目前研究主要集中于密實(shí)填料級(jí)配和壓實(shí)過(guò)程填料級(jí)配改變（粗顆粒破碎）［7-8］2 個(gè)方面。針對(duì)密實(shí)的粗粒土填料，當(dāng)粗顆粒含量超過(guò)70%時(shí)，不同大小的粗顆粒將形成骨架結(jié)構(gòu)，而細(xì)顆粒主要填充孔隙［9］。級(jí)配不良的碎石土難以達(dá)到碾壓密實(shí)的狀態(tài)，級(jí)配良好填料中不同大小顆粒之間可以較好地進(jìn)行充填和嵌固咬合，使填料具有較高的密實(shí)度和良好的力學(xué)性能。粗粒土的工程性質(zhì)主要受顆粒級(jí)配影響，通常采用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc2 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行描述。馮瑞玲等［10］將5 種不同特征粒徑（d10，d30，d50，d60，d90）含量作為自變量，提出了最大干密度與這5 種特征粒徑含量的變化關(guān)系。王仲錦等［11］根據(jù)泰波最大干密度理論和粒子干涉理論，分析了不均勻系數(shù)取值范圍及其對(duì)孔隙率的影響，提出了良好級(jí)配（Cu≥10，1≤Cc≤3）、間斷級(jí)配（Cu≥10，Cc＜1或Cc＞3）和均勻級(jí)配（Cu＜10）3 個(gè)等級(jí)的填料顆粒級(jí)配狀態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，為鐵路填料級(jí)配分級(jí)提供了理論依據(jù)。

目前高速鐵路路基基床表層主要采用級(jí)配碎石，基床底層主要采用A，B 組粗粒土填料進(jìn)行填筑。依據(jù)顆粒級(jí)配、形狀等填料組構(gòu)特征，我國(guó)已經(jīng)形成了精細(xì)化的高速鐵路填料分組體系［12］，在填料宏觀組構(gòu)影響方面已經(jīng)取得了系列成果，但是針對(duì)不同級(jí)配、顆粒粒徑的粗粒土填料振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程的細(xì)觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究較少，關(guān)于細(xì)觀組構(gòu)變化對(duì)宏觀動(dòng)靜力學(xué)特性影響及二者關(guān)聯(lián)性的研究尚不多見(jiàn)，有待開(kāi)展高速鐵路粗粒土填料的宏細(xì)觀演化規(guī)律開(kāi)展系統(tǒng)試驗(yàn)，為高速鐵路路基智能填筑技術(shù)提供理論支撐。

2.2 振動(dòng)參數(shù)

研究不同振動(dòng)壓實(shí)條件下典型高速鐵路路基填料壓實(shí)特性，建立填料特性與振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)之間的關(guān)系，是研究壓路機(jī)調(diào)頻調(diào)幅等高效智能碾壓技術(shù)的理論基礎(chǔ)。但是鑒于振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理的復(fù)雜性，填料的壓實(shí)特性還難以通過(guò)理論計(jì)算或數(shù)值模擬進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，目前通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)仍然是最為重要的研究方法。填料振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)通常主要采用室內(nèi)平板振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行［13-15］，可用于粗粒土填料在室內(nèi)平板振動(dòng)條件下的最優(yōu)壓實(shí)頻率、激振力、振幅、壓實(shí)時(shí)間等參數(shù)對(duì)壓實(shí)效果影響的分析，進(jìn)而得到不同填料平板振動(dòng)壓實(shí)的最優(yōu)參數(shù)組合。但是同一位置上部激振的室內(nèi)壓實(shí)試驗(yàn)形式和現(xiàn)場(chǎng)壓路機(jī)施工“滾輪”前行現(xiàn)場(chǎng)碾壓方式存在區(qū)別，室內(nèi)平板振動(dòng)壓實(shí)難以模擬壓路機(jī)振動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和走行，忽略碾壓速度、壓實(shí)遍數(shù)、壓實(shí)厚度的影響，難以針對(duì)壓實(shí)過(guò)程的壓實(shí)參數(shù)進(jìn)行研究。部分學(xué)者通過(guò)在路基填筑現(xiàn)場(chǎng)，埋設(shè)加速度傳感器的方式，研究振動(dòng)壓路機(jī)的有效壓實(shí)厚度、壓實(shí)速度等參數(shù)的影響，然而受現(xiàn)場(chǎng)條件和壓路機(jī)可調(diào)參數(shù)的限值，仍難對(duì)大范圍變化的振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行研究；部分學(xué)者則嘗試通過(guò)將激振力施加于剛性輪模擬碾輪，開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行填料壓實(shí)的最優(yōu)振動(dòng)參數(shù)研究，劉東海等構(gòu)建了多參數(shù)可調(diào)碾壓模擬試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了靜壓力、振動(dòng)頻率、振幅、行駛速度、壓實(shí)遍數(shù)等多級(jí)可調(diào)，為研究不同振動(dòng)參數(shù)影響提供了技術(shù)途徑；WERSAZLL C［16］等通過(guò)建立室內(nèi)大比例模型試驗(yàn)研究，分析了不同頻率激振力對(duì)不同深度土體的影響規(guī)律，提出粗粒土填料的最優(yōu)壓實(shí)頻率。

綜上，大比例尺碾輪室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)相較于平板振動(dòng)壓實(shí)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)軌蚋玫啬M碾輪的振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程，同時(shí)避免了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)壓實(shí)參數(shù)無(wú)法調(diào)節(jié)、場(chǎng)地環(huán)境限值的問(wèn)題。目前，針對(duì)高速鐵路粗粒土填料的振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)研究相對(duì)較少，有待建立高速鐵路填料室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)模擬系統(tǒng)，針對(duì)不同類(lèi)型高速鐵路填料在不同壓實(shí)頻率、激振力、振幅、碾壓速度、壓實(shí)遍數(shù)、壓實(shí)厚度等壓實(shí)參數(shù)下的性質(zhì)開(kāi)展系統(tǒng)研究，提出不同組別高速鐵路填料的最優(yōu)振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)，服務(wù)于高鐵路基智能填筑。

3 機(jī)土耦合模型

壓路機(jī)是路基壓實(shí)的主要機(jī)械，其發(fā)展經(jīng)歷了畜力牽引、蒸汽驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)幾個(gè)階段。最早的壓路機(jī)類(lèi)型為靜碾光輪壓路機(jī)和羊角碾壓路機(jī)，20 世紀(jì)50年代振動(dòng)壓路機(jī)開(kāi)始大范圍應(yīng)用，極大提高了壓實(shí)效率。路基填筑碾壓過(guò)程研究除了考慮填料振動(dòng)壓實(shí)理論外，壓實(shí)機(jī)械和填料相互之間的耦合作用也是填料振動(dòng)壓實(shí)研究的關(guān)鍵理論。

振動(dòng)壓路機(jī)通過(guò)偏心塊高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振力壓實(shí)土體，前蘇聯(lián)學(xué)者哈爾胡塔［17］對(duì)“振動(dòng)壓路機(jī)-土”開(kāi)展了系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻率、振幅等參數(shù)對(duì)壓實(shí)效果有較大影響。使得人們認(rèn)識(shí)到必須將振動(dòng)壓路機(jī)與被壓土體作為1個(gè)整體的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析。振動(dòng)壓路機(jī)與填料之間的相互作用是研究振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程最為重要的理論基礎(chǔ)，利用機(jī)土耦合模型可以研究土體力學(xué)參數(shù)、振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)等對(duì)“振動(dòng)壓路機(jī)-土”系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)和土體壓實(shí)效果的影響，為壓路機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)加測(cè)和振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

3.1 彈性機(jī)土耦合模型

1979年Yoo T.S 和Seling E.T［18］將振動(dòng)壓路機(jī)簡(jiǎn)化為上下車(chē)2 個(gè)部分，在完全彈性振動(dòng)理論基礎(chǔ)上，利用集中參數(shù)的質(zhì)量-彈簧-阻尼模型建立了2 個(gè)自由度機(jī)土耦合模型，又稱(chēng)為經(jīng)典動(dòng)力學(xué)分析模型，如圖1所示。圖中：mf和md分別為上車(chē)機(jī)架和振動(dòng)輪等效質(zhì)量，kg；xf和xd分別為上車(chē)機(jī)架和振動(dòng)輪的質(zhì)心位移，m；kf和kd分別為減振器和土體的剛度，N·m-1；cf和cd分別為減振器和土體的阻尼系數(shù)，N·s·m-1。

圖1 經(jīng)典2個(gè)自由度彈性機(jī)土耦合模型

經(jīng)典動(dòng)力學(xué)分析模型是目前分析振動(dòng)壓實(shí)系統(tǒng)最常用的模型，其動(dòng)力方程為

式中：F0為激振力幅值，N；ω為角頻率，rad·s-1；t為時(shí)間，s；g為重力加速度，m·s-2。

該模型假設(shè)振動(dòng)輪與土體時(shí)刻接觸，但在振動(dòng)壓實(shí)中后期，當(dāng)土體剛度較大時(shí)振動(dòng)輪可能脫離土體，產(chǎn)生跳振現(xiàn)象。為了考慮跳振工況，提出了分段線性機(jī)土耦合模型［19］。當(dāng)振動(dòng)輪脫離地面時(shí)，其動(dòng)力學(xué)方程為

3.2 非線性機(jī)土耦合模型

彈性機(jī)土耦合適用于壓實(shí)后期。在壓實(shí)中前期土體將發(fā)生較大的塑性變形，由于塑性變形的存在，土體的加載剛度和卸載剛度不同，為考慮這種不對(duì)稱(chēng)性的影響，一些學(xué)者提出了非線性機(jī)土耦合模型，如圖2所示。

圖2 非線性機(jī)土耦合模型

其動(dòng)力學(xué)方程為

式中：f（x）為非線性滯回力。

不同的非線性機(jī)土耦合模型主要區(qū)別在于采用不同的非線性滯回力模型。目前常用的滯回力模型主要分為2 類(lèi)，一類(lèi)是分段直線型滯回模型，另一類(lèi)是曲線型滯回模型［20］。如嚴(yán)世榕等［21］考慮加載和卸載剛度不同，采用Grade J 提出的三角滯回模型［22］建立了非線性機(jī)土耦合模型；Shen［23］采用Bouc-Wen 曲線滯回模型建立了非線性機(jī)土耦合模型，并分析了各模型參數(shù)的影響。

3.3 黏彈塑性機(jī)土耦合模型

非線性機(jī)土耦合模型考慮了加卸載不對(duì)稱(chēng)性對(duì)“振動(dòng)壓路機(jī)-土”系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響，但不能直接反映土體的塑性變形。為了考慮土體壓實(shí)變形過(guò)程，20 世紀(jì)90年代，Pietsch 等［24］在模型中加入塑性彈簧，建立了4 個(gè)自由度機(jī)土耦合模型，如圖3所示。圖中：ms為參振土體質(zhì)；ma為附加土體質(zhì)量；kp為土體塑性剛度；ka為附加土體彈性剛度；k′p為附加土體塑性剛度；ca為附加土體阻尼系數(shù)。并根據(jù)壓路機(jī)與土體的接觸關(guān)系將模型分為3種計(jì)算工況。該模型考慮了土體和附加土體的黏彈塑性性質(zhì)，理論上具有更高的精度，但缺點(diǎn)是模型參數(shù)較多，難以準(zhǔn)確確定。

圖3 4個(gè)自由度黏彈塑性機(jī)土耦合模型

Adam 等［25］提出一種簡(jiǎn)化的黏彈塑性機(jī)土耦合模型，在經(jīng)典2 個(gè)自由度模型基礎(chǔ)上串聯(lián)塑形彈簧，并提出了不同碾壓遍數(shù)下塑性剛度與彈性剛度的關(guān)系。一些學(xué)者也引入其他類(lèi)型黏彈塑性模型，如圖4 所示。圖中：kv和ke為剛度；cv和cp為阻尼系數(shù)。

圖4 黏彈塑性彈性機(jī)土耦合模型

Beainy等［26］采用Burgers模型描述瀝青材料在振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中的黏彈塑性變形特性，并提出了采用室內(nèi)試驗(yàn)確定模型參數(shù)的方法。

Imran［27］在此基礎(chǔ)上，將振動(dòng)輪與土體接觸區(qū)域劃分為3 個(gè)條塊，如圖5 所示，從而建立了考慮壓路機(jī)水平方向行駛的條塊機(jī)土耦合模型。

圖5 條塊機(jī)土耦合模型

3.4 尚須研究的問(wèn)題

機(jī)土耦合模型經(jīng)歷了從黏彈性到黏彈塑性、從原地振動(dòng)到行駛振動(dòng)的發(fā)展，模型考慮因素更加全面，但仍存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。

（1）壓實(shí)過(guò)程中土體性質(zhì)的非線性變化。填料在壓實(shí)過(guò)程中參數(shù)的非線性特征對(duì)“振動(dòng)壓路機(jī)-土”系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)和土體壓實(shí)效果有重要影響。深入研究振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中土體力學(xué)性能動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，建立精準(zhǔn)描述土體在振動(dòng)荷載作用下的變形模型，并將其與振動(dòng)壓路機(jī)相結(jié)合是目前機(jī)土耦合模型研究發(fā)展的重要方向。

（2）壓路機(jī)行駛碾壓過(guò)程。目前機(jī)土耦合模型大部分為靜止碾壓模型，沒(méi)有考慮壓路機(jī)行駛碾壓的過(guò)程，與實(shí)際情況相差較大。建立考慮壓路機(jī)行駛碾壓的機(jī)土耦合模型，分析各振動(dòng)參數(shù)（振動(dòng)頻率、振幅、車(chē)速等）對(duì)填料壓實(shí)效果的影響，為壓實(shí)過(guò)程的智能調(diào)頻調(diào)幅優(yōu)化提供依據(jù)，是目前機(jī)土耦合模型研究的重要發(fā)展方向。

（3）路基分層填筑影響。路基建造一般采用分層填筑碾壓的方法，目前機(jī)土耦合模型將被壓土體作為1個(gè)整體，振動(dòng)壓實(shí)范圍、碾壓厚度未詳細(xì)考慮，沒(méi)有考慮多層結(jié)構(gòu)對(duì)“振動(dòng)壓路機(jī)-土”系統(tǒng)的影響。建立考慮多層填料的振動(dòng)輪-填料動(dòng)力耦合作用模型，為合理選取填料填鋪厚度、開(kāi)發(fā)基于振動(dòng)波場(chǎng)理論的壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)新方法提供理論基礎(chǔ)，也是目前機(jī)土耦合模型研究的重要發(fā)展方向。

4 壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)技術(shù)

路基填料的類(lèi)型、顆粒級(jí)配、形狀以及礦物成分不同，導(dǎo)致填料壓實(shí)后的力學(xué)性能差異較大。填料各向異性、不均勻性等因素更加增加了填料壓實(shí)質(zhì)量的不確定性，因此路基填料的壓實(shí)性能難以被精確預(yù)測(cè)，必須建立可靠的路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)體系。

目前我國(guó)高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量采用壓實(shí)系數(shù)K、地基系數(shù)K30和動(dòng)態(tài)變形模量Evd進(jìn)行控制，但K，K30和Evd等檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行路基壓實(shí)檢測(cè)，由于以“點(diǎn)”式抽樣檢驗(yàn)為主，選擇單一測(cè)試點(diǎn)壓實(shí)質(zhì)量代表一定面積的壓實(shí)質(zhì)量，時(shí)間上存在滯后性，空間上無(wú)法全面掌握壓實(shí)質(zhì)量，因此可能導(dǎo)致欠壓、過(guò)壓等情況發(fā)生。為克服傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生。基于機(jī)土耦合模型，在填筑碾壓過(guò)程中對(duì)振動(dòng)輪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，得到填筑體壓實(shí)狀態(tài)的檢測(cè)方法，是目前路基智能填筑技術(shù)發(fā)展的核心方向。

4.1 壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)

20 世紀(jì)70年代開(kāi)始?xì)W洲學(xué)者首先開(kāi)展連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)技術(shù)研究，加速度類(lèi)連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)被率先提出。瑞典公路管理局Thurner 等［28］在振動(dòng)壓路機(jī)上安裝加速度傳感器，首次發(fā)現(xiàn)加速度頻域中2 次諧波幅值與基波f0幅值之比與土體壓實(shí)狀態(tài)相關(guān)，并于1978研發(fā)相應(yīng)檢測(cè)設(shè)備［29］。壓實(shí)計(jì)值（Compaction Meter Value，CMV）作為最早的壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)，反映了加速度頻域的變化情況，為后續(xù)指標(biāo)的提出提供了思路。在實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)輪加速度頻域中不僅存在2 次諧波，還存在高次諧波和分?jǐn)?shù)次諧波，在此基礎(chǔ)上，不同學(xué)者提出了各種加速度頻域類(lèi)指標(biāo)，如考慮出現(xiàn)的所有整數(shù)次諧波（2f0，3f0，…，其中，f0為其波頻率）的總諧波失真量（Total Harmonic Distortion，THD）［30］，綜合考慮整數(shù)次和分?jǐn)?shù)次諧波（0.5f0，1.5f0，…）影響的壓實(shí)控制值（Compaction Control Value，CCV）［31］，考慮1/2 次諧波的共振計(jì)值（Resonance Meter Value，RMV）［32］，考慮整數(shù)次與分?jǐn)?shù)次諧波同時(shí)還引入了機(jī)械參數(shù)（激振力，上下車(chē)質(zhì)量）的指標(biāo)Ft［33］等。THD，CCV 和Ft是CMV 指標(biāo)的延伸，由于考慮了高次諧波，因此具有更高的敏感度。以上指標(biāo)都是基于振動(dòng)加速度頻域特征提出的，其優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)采集方便，指標(biāo)計(jì)算簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是該類(lèi)指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，對(duì)于諧波出現(xiàn)機(jī)理目前尚未明確，諧波類(lèi)指標(biāo)對(duì)于粗粒土檢測(cè)效果較差。一些學(xué)者從“振動(dòng)壓路機(jī)-土”相互作用角度提出了力學(xué)類(lèi)連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)。Bomag 公司基于彈性半空間上柱狀體力學(xué)分析，提出振動(dòng)模量Evib［34］，Amman 公司基于2 個(gè)自由度機(jī)土耦合模型提出剛度指標(biāo)ks［35］。Evib和ks的提出是連續(xù)檢測(cè)檢測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展，與基于加速度頻域的指標(biāo)相比，這2 個(gè)指標(biāo)具有明顯的物理意義，與土體力學(xué)性質(zhì)關(guān)系更加密切，但缺點(diǎn)是檢測(cè)方法較復(fù)雜。

振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)土體的過(guò)程是1 個(gè)能量交換的過(guò)程，振動(dòng)輪傳遞給土體的振動(dòng)能量一部分被土體吸收，一部分反饋給振動(dòng)輪，部分學(xué)者也對(duì)能量類(lèi)連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)開(kāi)展研究。土體為黏彈塑性材料，滯回圈面積代表1 個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)土體吸收的能量，Bomag 定義滯回圈面積為Omega［36］。White 等［37］在此基礎(chǔ)上研究了振動(dòng)壓路機(jī)在不同壓實(shí)狀態(tài)土體上行駛所消耗的能量，提出機(jī)械驅(qū)動(dòng)功率（Machine Drive Power，MDP）評(píng)價(jià)壓實(shí)質(zhì)量。

連續(xù)壓實(shí)技術(shù)自20 世紀(jì)90年代傳入我國(guó)，在公路、水利、鐵路工程中得到研究和應(yīng)用。公路工程方面，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院基于諧波比原理，開(kāi)發(fā)了YS-1 型壓實(shí)度計(jì)；徐工集團(tuán)聯(lián)合多單位研發(fā)了SMC-960A 密實(shí)度測(cè)量?jī)x等［38］。水利工程方面，劉東海等［39］分析了振動(dòng)輪加速度時(shí)域特征，提出壓實(shí)值（Compaction Value，CV）；Hua等［40］從時(shí)域角度分析了振動(dòng)輪加速度信號(hào)，提出峰值因子值（Crest Factor Value，CF）。鐵路工程方面，徐光輝［41］基于動(dòng)力學(xué)原理，得出地基抗力隨著土體剛度增大而逐漸增大，進(jìn)而提出振動(dòng)壓實(shí)值（Vibration Compaction Value，VCV）并用于鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)；聶志紅等［42］基于諧波平衡識(shí)別法，分析了CMV、土體剛度和阻尼等連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)與鐵路路基傳統(tǒng)壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)Evd的相關(guān)性；吳龍梁［43］分析了鐵路路基振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中填筑體耗散能量情況，提出了連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)的能量模型和連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)耗散測(cè)量值（Dissipation Measured Value，DMV）。

近年來(lái)我國(guó)高速鐵路迅速發(fā)展，高速鐵路路基高平順性對(duì)路基填筑質(zhì)量提出了更高的要求，高速鐵路粗粒土填料的壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)技術(shù)研發(fā)迫在眉睫。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基于振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中振動(dòng)波在土體中的傳播規(guī)律，分析了壓實(shí)過(guò)程中的能量傳遞機(jī)理，根據(jù)振動(dòng)輪振動(dòng)信號(hào)攜帶的能量值，提出采用壓實(shí)能量值（Compaction Energy Value，CEV）進(jìn)行路基壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)，并在高速鐵路路基填筑中開(kāi)展了大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明CEV 與鐵路路基常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性較高，對(duì)于高速鐵路粗粒土填料具有較好的適用性［44］。目前壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)及其分類(lèi)情況見(jiàn)表1。

表1 壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)及分類(lèi)

4.2 壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)

基于以上提出的壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)，通過(guò)將連續(xù)檢測(cè)技術(shù)與全球定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)（Continious Compaction Control， CCC）。通過(guò)CCC 系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、全碾壓面任意位置壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)、可視化展示、存儲(chǔ)與分析。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)聯(lián)邦公路管理局最早提出智能壓實(shí)（Intelligent compaction，IC）系統(tǒng)［45］，IC 系統(tǒng)在CCC 系統(tǒng)基礎(chǔ)上加入自動(dòng)反饋控制系統(tǒng)（Automatic Feedback Control，AFC），使得壓路機(jī)可以根據(jù)當(dāng)前土體壓實(shí)狀態(tài)自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)（如頻率、振幅、車(chē)速等），提高壓實(shí)質(zhì)量和壓實(shí)效率。Dynapac，Ammann，Bomag 等生產(chǎn)廠商研發(fā)了智能壓實(shí)設(shè)備并建立了IC 系統(tǒng)。我國(guó)一些研究單位也根據(jù)提出的連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)建立了相應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)，如長(zhǎng)安大學(xué)建立了適合于公路的壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)；天津大學(xué)和清華大學(xué)分別建立了大壩壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和土石壩智能碾壓系統(tǒng)（IRC）；西南交通大學(xué)針對(duì)鐵路路基壓實(shí)建立了鐵路路基壓實(shí)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司于2020年制定了國(guó)鐵集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《路基壓實(shí)振動(dòng)連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)》，對(duì)連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)功能與技術(shù)要求進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定，并在京雄和京濱城際鐵路等工點(diǎn)開(kāi)展了路基智能填筑技術(shù)的大量試驗(yàn)和應(yīng)用，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)外主要的壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)匯總見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)外主要壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)

4.3 壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

目前已有的壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)方法指標(biāo)均基于“機(jī)土耦合”理論研究，已開(kāi)展了大量研發(fā)工作與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。但是由于各類(lèi)壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)不僅與土體填料壓實(shí)質(zhì)量有關(guān)，還受振動(dòng)壓路機(jī)工作參數(shù)（如工作質(zhì)量、振動(dòng)頻率、振幅、車(chē)速等）影響，通過(guò)連續(xù)檢測(cè)還難以對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行直接、準(zhǔn)確的量化預(yù)測(cè)。針對(duì)我國(guó)高速鐵路路基，充分考慮施工機(jī)械和高速鐵路路基填料的振動(dòng)壓實(shí)特性，積極研發(fā)振動(dòng)輪動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)與路基壓實(shí)參數(shù)相關(guān)的量化分析模型，進(jìn)一步提高連續(xù)檢測(cè)精度是壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。

5 壓路機(jī)智能壓實(shí)技術(shù)

壓路機(jī)智能壓實(shí)技術(shù)研究重點(diǎn)在于壓路機(jī)根據(jù)不同填料性質(zhì)和攤鋪厚度，合理選擇振動(dòng)頻率和振幅以適應(yīng)填筑體的變化。智能壓實(shí)技術(shù)致力于解決壓路機(jī)如何動(dòng)態(tài)調(diào)整自身的參數(shù)使壓實(shí)工效發(fā)揮到最佳程度。應(yīng)用智能壓實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)路基碾壓過(guò)程中的實(shí)時(shí)質(zhì)量控制和高效碾壓，能夠有效提高路基壓實(shí)的施工質(zhì)量和效率。

國(guó)外的專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)路基智能壓實(shí)理論與裝備方面的研究起步于20 世紀(jì)，目前已經(jīng)發(fā)展至第5代智能壓路機(jī)。目前德國(guó)BOMAG 公司在智能壓實(shí)領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，智能壓路機(jī)能根據(jù)壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)實(shí)時(shí)反映土體的壓實(shí)度，同時(shí)通過(guò)電子技術(shù)控制鋼輪的振動(dòng)方向偏心塊的相對(duì)位置，產(chǎn)生垂直、斜向、水平扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，適應(yīng)填料性質(zhì)以及壓實(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效碾壓。瑞士Ammann、瑞典Dynapac、美國(guó)Ingersoll-Rand、日本SAKAI 公司和德國(guó)HAMM 等設(shè)備廠家在智能壓實(shí)控制方面進(jìn)行了研究和探索，初步實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)幅調(diào)頻，開(kāi)發(fā)了智能壓實(shí)控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)一些大型的機(jī)械廠家也一直致力于智能化振動(dòng)壓路機(jī)的開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)工作，在壓路機(jī)振動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換技術(shù)方面、在壓路機(jī)振幅調(diào)節(jié)技術(shù)方面，具有獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具備成套機(jī)械生產(chǎn)能力，已有了一定的進(jìn)步［46］。但是，目前智能壓路機(jī)無(wú)法在壓實(shí)過(guò)程中調(diào)節(jié)振動(dòng)幅值、振動(dòng)頻率和行駛速度等工作參數(shù)與最優(yōu)振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)對(duì)應(yīng)，也缺少實(shí)時(shí)智能判別最優(yōu)振動(dòng)壓實(shí)模式的方法，目前調(diào)頻調(diào)幅的壓路機(jī)智能壓實(shí)技術(shù)還尚不成熟，有待進(jìn)一步研發(fā)。

目前，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司已經(jīng)形成了以壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)為核心的高鐵路基智能填筑技術(shù)，隨著信息化技術(shù)的興起和衛(wèi)星定位技術(shù)在工程建設(shè)中的普及應(yīng)用，在壓路機(jī)無(wú)人駕駛、路徑規(guī)劃、自動(dòng)補(bǔ)壓等高鐵路基智能填筑方向開(kāi)展了積極研究，并結(jié)合BIM 技術(shù)開(kāi)發(fā)路基智能填筑指揮平臺(tái)，研究路基填筑全過(guò)程的數(shù)字化、智能化作業(yè)目前已在以下幾個(gè)方向取得了突破：①基于無(wú)人駕駛模式，開(kāi)發(fā)適合于站場(chǎng)等大體積路基碾壓作業(yè)的無(wú)人駕駛技術(shù)，按照規(guī)劃路徑對(duì)站場(chǎng)路基進(jìn)行自動(dòng)碾壓；②結(jié)合壓實(shí)連續(xù)檢測(cè)技術(shù)和北斗導(dǎo)航技術(shù)，自動(dòng)規(guī)劃對(duì)不合格區(qū)域的碾壓路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)不合格區(qū)域的自動(dòng)補(bǔ)壓；③利用圖像檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速鐵路填料一定粒徑范圍內(nèi)的級(jí)配自動(dòng)識(shí)別；④開(kāi)發(fā)路基智能填筑指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路基填筑過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理。

6 研究方向展望

（1）針對(duì)高速鐵路路基粗粒土填料振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程的宏細(xì)觀變化規(guī)律及其關(guān)聯(lián)性研究較少，有待建立高速鐵路填料室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)揭示不同振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)下高速鐵路粗粒土填料的宏觀變化規(guī)律與細(xì)觀演化機(jī)理。

（2）基于非線性波動(dòng)理論，考慮填料土體非線性和振動(dòng)波散射效應(yīng)，有待建立能系統(tǒng)考慮壓路機(jī)碾壓過(guò)程影響及不同深度土層中加速度、速度、位移及諧波分量的振動(dòng)壓路機(jī)-填料動(dòng)力耦合作用三維理論模型。

（3）基于基土耦合振動(dòng)模型，考慮高速鐵路粗粒土填料壓實(shí)過(guò)程的動(dòng)力特性，建立土體或振動(dòng)輪動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)與路基壓實(shí)指標(biāo)的量化分析模型，提高高速鐵路粗粒土填料壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)的精度。

（4）積極探索調(diào)頻調(diào)幅的壓路機(jī)智能壓實(shí)技術(shù)，結(jié)合無(wú)人駕駛、路徑規(guī)劃、自動(dòng)補(bǔ)壓與信息化指揮平臺(tái)，形成以壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)技術(shù)為核心的高速鐵路路基智能填筑技術(shù)。