文／熊高勝 中交一公局廈門工程有限公司 福建廈門 361006

引言：

碾壓混凝土是含水量、含泥量明顯低于普通混凝土的一類混凝土產(chǎn)品。在建筑工程中碾壓混凝土因其具備環(huán)保、高效、省本、優(yōu)良耐磨性等優(yōu)勢，而擁有廣闊應(yīng)用范圍。為了進一步突顯碾壓混凝土在壓實作業(yè)中的實踐價值，應(yīng)根據(jù)碾壓混凝土相關(guān)參數(shù)同壓實度的關(guān)聯(lián)性，逐步實現(xiàn)智能化壓實控制目標(biāo)，借此優(yōu)化壓實控制成效，為碾壓混凝土路面基層建設(shè)質(zhì)量的改造給予保障。

1、傳統(tǒng)壓實度檢測方法主要問題分析

1.1 對比分析碾壓混凝土基層傳統(tǒng)壓實度檢測方法和壓實缺陷類型

本次研究中具體以全長15.44km，厚度為25cm的碾壓混凝土路面基層，用量為6.2015萬m2的海翔大道提升改造工程為研究對象。在實際分析中可發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上使用的壓實度檢測方法，雖然也能適當(dāng)給出一定的壓實度參考標(biāo)準(zhǔn)，但整體上具有突出問題。傳統(tǒng)壓實度檢測方法以灌砂法、核子密度儀法為主。前者是針對碾壓混凝土路面基層的待測部位進行挖坑作業(yè)，而后灌入砂土，對砂土密實度予以測量，從而獲得具體的壓實度測量結(jié)果。后者是指利用核子密度儀釋放的γ射線中饋結(jié)果，依據(jù)線損換算方式檢測路基面層材料的具體密度值，從而在兩種傳統(tǒng)檢測方法下知曉路面基層材料壓實度。在具體比對中，由于兩種方法易受外界因素影響，而產(chǎn)生高誤差情況，且對于待測部位的選取具備隨機性，致使傳統(tǒng)事后檢測方法，很容易引起欠壓、超壓后果，致使路面基層壓實作業(yè)施工質(zhì)量不達標(biāo)，亦或是在超壓下，造成路面基層表面產(chǎn)生翻松、內(nèi)部材料組織破碎狀況。在本次研究中針對傳統(tǒng)壓實度檢測方法實施現(xiàn)場調(diào)研，能夠從中掌握現(xiàn)有碾壓混凝土路面基層具體壓實缺陷類型，即壓實度不足、平整度差等，自此降低工程建設(shè)質(zhì)量，甚至容易對后期道路安全使用埋下隱患。

1.2 分析碾壓混凝土基層壓實缺陷成因機理

碾壓混凝土本身具備一定的應(yīng)用優(yōu)勢，但考慮到路面基層壓實度與材料以及碾壓工藝均有密切關(guān)聯(lián)。故此針對調(diào)查結(jié)果進行匯總后可知：引起壓實度不足、平整度差等壓實缺陷的原因，多與機械設(shè)備選型不當(dāng)、工程檢測不精準(zhǔn)、工程管理不到位有關(guān)。為了切實保障本工程壓實施工質(zhì)量，需在碾壓混凝土壓實作業(yè)環(huán)節(jié)，充分圍繞壓實缺陷成因做出相應(yīng)的改進計劃，從而指引壓實施工人員，能夠充分借助壓路機設(shè)備、連續(xù)壓實控制技術(shù)、振動傳感器等智能管理手段，優(yōu)化壓實施工效果?；诖?，在海翔大道提升改造工程中，施工人員需要重新轉(zhuǎn)變固有壓實度檢測思路，依靠全新的智能工具、先進的信息技術(shù)，增加碾壓混凝土路面基層壓實度檢測新穎性，滿足新時代壓實度檢測控制需求。

2、基于振動傳感器的碾壓混凝土基層壓實度檢測原理與模型研究

2.1 分析振動傳感器加速度、單位壓實功檢測碾壓混凝土基層壓實度原理

由于傳統(tǒng)壓實度檢測方法多有不足之處，且屬于事后控制方法，故此在該工程壓實度檢測過程中，可以使用全新的檢測方法，以振動傳感器為核心達成實時監(jiān)測目的，借此保證在壓路機作業(yè)期間，隨時根據(jù)傳感器中饋的結(jié)果，提前掌握壓實度變化情況，之所通過調(diào)整壓實頻率、壓路機振動幅度及其相關(guān)參數(shù)，逐步達成壓實度設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。此種檢測方法是利用振動傳感器設(shè)備，聯(lián)合振動壓路機建立壓實度動態(tài)模型?；谥悄軌簩嵗碚撆c連續(xù)壓實控制技術(shù)，于振動壓路機上攜帶振動傳感器，可從實時控制角度創(chuàng)新壓實度檢測方法。通常情況下，在本工程中借助振動傳感器振動變化數(shù)值的記錄，如實獲取響應(yīng)信號，并依據(jù)關(guān)系模型，從壓實度監(jiān)測、評估乃至中饋環(huán)節(jié)，實現(xiàn)一體化管理，這樣才能促使此工程能夠在智能化壓實度管控條件下，提升壓實作業(yè)施工質(zhì)量。

實際上，之所以該工程中使用的此種連續(xù)壓實控制技術(shù)具備可行性，是因為在壓路機振動時，能量可以實現(xiàn)實時傳遞，并且在力學(xué)平衡理論指引下，實現(xiàn)動能、電能的合理轉(zhuǎn)換。若觀測到振動傳感器的電子信號變化趨勢，可從中推斷出動能變化規(guī)律。而后判斷按照當(dāng)前的振動幅度是否符合壓實度控制要求。另外，在振動傳感器輔助下實時檢測壓實度時，還可以利用單位壓實功與碾壓混凝土剛度、壓實度、阻尼等參數(shù)的關(guān)聯(lián)情況建模，并依據(jù)數(shù)學(xué)表達式確定各指標(biāo)關(guān)系。其中在計算壓路機振動合力（P）時，可參照下列公式，分析振動傳感器與振動壓路的關(guān)聯(lián)性，即：P= W + Fsinwt，式中F、W分別指代的是振動傳感器的激振力與徑向荷載力。而后在阻尼作用指引下求取在碾壓一次后的單位壓實功（E）。

單位壓實功與壓路機振幅關(guān)系如下所示：

2.2 振動加速度傳感器選型研究

在深度掌握連續(xù)壓實控制技術(shù)原理后，還需要從市面上優(yōu)選振動傳感器。本次研究以MS8000系列產(chǎn)品為例。其中MS8002.D、MS8010.D、MS8030.D三款類型的振動傳感器，它們的量程各自為±2g、±10g、±30g，而偏差標(biāo)定在＜10mg、＜50mg、＜150mg范圍內(nèi)。偏差溫度系數(shù)在0.1mg/℃、0.5mg/℃、1.5mg/℃。它們的共振頻率各自為1.4kHz、3.7kHz、6.3kHz。工作溫度范圍基本上都在-55℃至125℃以內(nèi)。面對參數(shù)各異的振動加速度傳感器，相關(guān)人員需結(jié)合本工程具體工況予以確定，從而保證在振動傳感器輔助下，準(zhǔn)確記錄路面基層壓實度變化范圍，增加壓實度檢測實時性。

2.3 開展試驗路試驗，處理與分析振動傳感器的加速度、單位壓實功實測數(shù)據(jù)，研究安裝數(shù)量、方法對數(shù)據(jù)的影響

在利用上述振動傳感器檢測海翔大道工程中基層路面壓實度時，能夠從檢測結(jié)果的對比分析中判定最適合本項目的傳感器類型。首先，相關(guān)人員需劃分為海翔大道待測路段，而后選用不同數(shù)量的MS8000系列產(chǎn)品，將其裝設(shè)在壓路機上，其中可以設(shè)定好不同的安裝位置，借此得出最佳安裝位置，增加測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。如假設(shè)A部位是在振動輪上，B部位在壓路機機架軸承處，之后經(jīng)過同部位不同類型振動傳感器以及不同部位、同類型振動傳感器記錄檢測數(shù)據(jù)。

由此發(fā)現(xiàn)：A部位處進行安裝，在碾壓次數(shù)為1次時，它們的碾壓作業(yè)的時間間隔明顯MS8002.D振動傳感器更短，并且A、B兩組數(shù)據(jù)比對，振動輪上的密實度測量數(shù)據(jù)誤差更小。同時，還需以離散性檢驗分析法提取數(shù)據(jù)，從單位壓實功等參數(shù)變化情況進行比對。其中單位壓實功以及加速度偏高的傳感器適應(yīng)性更強[1]。

2.4 建立振動傳感器加速度、單位壓實功與碾壓混凝土基層壓實度之間的關(guān)系模型

在使用攜帶振動傳感器的振動壓路機時，可以從單位壓實功以及振動加速度與壓實次數(shù)的關(guān)聯(lián)性上進行綜合分析，并且從本工程待測路段中開展傳統(tǒng)壓實度檢測方法與新型檢測方法的對比實驗。其中能夠借助最大密度測定結(jié)果，準(zhǔn)確計算壓實度。較為明顯的是傳統(tǒng)壓實度檢測方法中灌砂法壓實度低于核子密度儀法數(shù)值，且此兩種方法的壓實度均低于基于傳感器設(shè)計的連續(xù)壓實控制技術(shù)檢測方法。從上述研究成果中推斷出：本工程中路面基層壓實度隨著單位壓實功增加而出現(xiàn)上升情況。而加速度的變化可參照（CV：壓實質(zhì)量實時監(jiān)測值，a常數(shù)，A1、A2：振動諧波幅值）。在路面基層壓實度越大時，加速度隨之升高，CV值也有所增加。在建模后可從模型指標(biāo)變化規(guī)律上評估路面基層壓實度[2]。

3、研究材料參數(shù)和碾壓參數(shù)對碾壓混凝土基層壓實理論模型的影響

3.1 研究碾壓混凝土VC值、含水率、級配等材料參數(shù)對碾壓混凝土基層壓實度理論模型的影響

依據(jù)本次研究中建立的路面基層壓實理論模型，能夠從中判斷碾壓混凝土VC值等相關(guān)參數(shù)的關(guān)系。其中在配制碾壓混凝土?xí)r，如若適當(dāng)增加含水量，則碾壓混凝土VC值隨之減小。由于多用拌合水時，會造成膠凝材料用量有所增加，致使VC值減小。要想合理控制碾壓混凝土VC值，就可以通過配合比以及含砂率指標(biāo)上進行科學(xué)調(diào)整。其中應(yīng)注意的是配合比本身可調(diào)性較差，此時施工人員在配制碾壓混凝土?xí)r，需要從水膠比上加以重調(diào)，從而在水膠比得以增加時，VC值會有所降低，最終對壓實度以及路面基層強度帶來一定影響。至于含砂率，如若在配制碾壓混凝土階段，含砂率偏小，此時需要粗骨料填補空隙，造成VC值隨著內(nèi)摩擦力增加而呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。鑒于此，在模型中碾壓混凝土VC值的影響程度較大，需要從多個渠道控制VC值，最終有效提升碾壓混凝土路面基層強度。

3.2 研究振動壓路機振動頻率、振幅、速度等碾壓參數(shù)對碾壓混凝土基層壓實度理論模型的影響

對于壓路機振幅以及行駛速度、振動頻率參數(shù)的影響程度?？筛鶕?jù)加速度與振幅的積分關(guān)聯(lián)，推斷出在離散分析法下，加速度的變化情況。通常壓路機振幅增加時，路面基層的壓實度也會有所增加，并控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，抑制材料破碎風(fēng)險。結(jié)合相關(guān)學(xué)者研究成果，在振動頻率增加時，壓路機振動輪產(chǎn)生的振動力更強，且在強振與弱振對比下，前者加速度略高。隨著激振力的增加，加速度會產(chǎn)生顯著的波動情況。相關(guān)人員需要從中微調(diào)碾壓參數(shù)，獲取對應(yīng)的碾壓密實度[3-4]。

4、碾壓混凝土路面基層壓實度控制算法與軟件研發(fā)

4.1 構(gòu)建基于加速度、單位壓實功的碾壓混凝土路面基層壓實度預(yù)測算法

基于振動傳感器設(shè)計適用于碾壓混凝土路面基層壓實檢測環(huán)境的軟件系統(tǒng)，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法以及回歸分析算法，分析壓實度與壓路機加速度與單位壓實功的具體關(guān)系。在軟件開發(fā)中可以通過采集碾壓次數(shù)、行駛速度等數(shù)據(jù)，完善壓實作業(yè)施工方案。例如在軟件系統(tǒng)助力下，可以從施工單元的網(wǎng)格化管理下，對本項目中的待測路段進行分析。其中在軟件分析出壓路機通過網(wǎng)格單元后，則將碾壓次數(shù)計取一次，從而在軟件界面上直接顯示碾壓次數(shù)。至于壓路機行進速度信息的獲取，可聯(lián)合GPS定位技術(shù)確定碾壓坐標(biāo)，并且以時間點內(nèi)均速值作為壓路機行駛速度參照標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 構(gòu)建面向多種材料組成、碾壓參數(shù)的壓實度模型數(shù)據(jù)庫

在以建模方法控制壓路機連續(xù)壓實度時，還可以依靠SQL 服務(wù)數(shù)據(jù)庫，對瀝青混凝土、普通混凝土、碾壓混凝土等多材料混凝土路面基層的工程項目進行分類對比，而后結(jié)合模型展示結(jié)果，確定碾壓參數(shù)與混凝土材料的關(guān)聯(lián)性，確保此種軟件系統(tǒng)在其它材料的工程項目中同樣適用。其中若壓路機屬于靜碾狀態(tài)，此時不產(chǎn)生激振力，則根據(jù)上述單位壓實功計算公式，激振力增加，單位壓實功也會增加。此時還可以從碾壓次數(shù)與單位壓實功的相關(guān)性上，以累加法計取碾壓次數(shù)，增加軟件系統(tǒng)應(yīng)用便捷性，出具的參數(shù)指標(biāo)可靠性更強[5]。

4.3 基于軟件需求分析，開展軟件總體設(shè)計、界面設(shè)計、框圖設(shè)計

在利用振動傳感器測量路面基層壓實度期間，可通過設(shè)計實時監(jiān)控軟件系統(tǒng)，匯總多項檢測指標(biāo)，而后確定當(dāng)前壓實度與預(yù)期壓實度的差距，并通過調(diào)整碾壓參數(shù)，達到預(yù)期碾壓施工成效。首先，軟件研發(fā)人員可以從功能模塊設(shè)計上，增強系統(tǒng)可行性。一方面，需要了解業(yè)主以及駕駛員對此系統(tǒng)運行的功能需求，而后聯(lián)合軟件客戶需求研發(fā)軟件功能模塊。另一方面，需在確定功能需求后，進入總體設(shè)計以及編程設(shè)計環(huán)節(jié)，經(jīng)過對軟件界面的完善設(shè)計，確保此軟件具備應(yīng)用價值。其一，要求軟件成功研發(fā)后能夠伴隨著振幅以及振動頻率、壓路機行駛速度等變量的變化情況，做到實時監(jiān)控記錄；其二，要求軟件具備采樣分析以及自動化運行功能。在軟件設(shè)計上，可以劃分為兩大界面板塊，即動態(tài)采集與參數(shù)設(shè)計兩個部分，從而確保在系統(tǒng)運行時，能夠直觀的從界面中饋結(jié)果上知曉壓路機操作下路面基層的壓實度，同壓實施工方案上的路面基層強度設(shè)計要求予以比對，不達標(biāo)則繼續(xù)碾壓，并且調(diào)整好相關(guān)參數(shù)。其流程圖見（圖1）。在系統(tǒng)運行后，可以從振動傳感器的助力下，在平板電腦界面上顯示壓實度，從而提前了解路面基層壓實效果，以連續(xù)壓實控制技術(shù)優(yōu)化壓實作業(yè)效果。同時，還需依據(jù)具體功能設(shè)置按鈕，便于增強人機交互體驗感。

圖1 壓實度實時監(jiān)控軟件系統(tǒng)操作流程圖

5、工程應(yīng)用研究與驗證

在海翔大道工程中應(yīng)用連續(xù)壓實控制技術(shù)時，還可以從實際應(yīng)用結(jié)果上加以驗證：

（1）硬件安裝，相關(guān)人員需要先行在壓路機的振動輪上安裝好振動傳感器，并且連接好平板電腦等硬件設(shè)施，以此為軟件系統(tǒng)的運行給予保障。

（2）參數(shù)設(shè)置，待硬件設(shè)施完成安裝后，需調(diào)整好軟硬件參數(shù)，如壓路機的振幅、振動頻率以及碾壓次數(shù)、軟件采樣周期等，而后進入測試環(huán)節(jié)，分析此工程路面基層壓實度檢測結(jié)果是否達標(biāo)。

（3）數(shù)據(jù)分析與處理，在匯總軟件系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)后，可進一步對其合理性加以分析。同時，還可以采用SPSS 21.0軟件處理數(shù)據(jù)，分析現(xiàn)場實測值與系統(tǒng)中饋結(jié)果的差異度。

（4）可靠性與有效性檢驗，經(jīng)過比對后，若差異度較小，則代表此系統(tǒng)具備較高的準(zhǔn)確度以及可靠性，可將其應(yīng)用在連續(xù)壓實控制施工環(huán)節(jié)，確保應(yīng)用此系統(tǒng)后，海翔大道工程質(zhì)量得以改善，路面基層壓實度達標(biāo)的前提下，還可以維護路面安全。中之若差異度明顯，則需要進一步優(yōu)化系統(tǒng)，保證系統(tǒng)后續(xù)運行具備穩(wěn)定性，滿足待測路段壓實度檢測條件。

結(jié)論：

綜上所述，在海翔大道提升改造工程中，借助連續(xù)壓實控制技術(shù)，對其壓實作業(yè)進度進行實時監(jiān)測，能夠產(chǎn)生事前防控效果，避免在傳統(tǒng)壓實技術(shù)參與下，影響工期，或者破壞壓實路面基層的質(zhì)量。據(jù)此，應(yīng)從軟硬件設(shè)計、壓實度模型數(shù)據(jù)庫、壓實理論模型等方面展開研究，繼而增加對碾壓混凝土路面基層連續(xù)壓實控制技術(shù)的研究力度，為當(dāng)前壓實施工項目指明創(chuàng)新方向。