左君 高翔 馬殷軍 張世恩 徐鋒 鄒國(guó)峰

1.中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102601；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075；3.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州工程建設(shè)指揮部，蘭州 730051

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展建設(shè)，連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)在路基工程中得到越來(lái)越多的運(yùn)用，壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)成為連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中保持性能穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵［1］。Mooney等［2］試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)在粗粒土和細(xì)粒土中隨壓實(shí)工藝變化的規(guī)律正好相反，并指出不同振動(dòng)壓實(shí)工藝對(duì)壓實(shí)計(jì)值（Compaction Meter Value，CMV）等連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)的影響；范娟等［3］試驗(yàn)揭示了不同壓實(shí)參數(shù)對(duì)C M V的影響程度；吳龍梁等［4］基于土石壩研究了激振力和行進(jìn)速度對(duì)C M V、壓實(shí)控制值（Compaction Control Value，CCV）、土體剛度系數(shù)Ks、振動(dòng)壓實(shí)值（Vibration Compaction Value，VCV）等連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)測(cè)值偏差的影響規(guī)律，并通過(guò)分析指出激振力對(duì)各連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)相關(guān)性的影響；張海歐等［5］針對(duì)不同類(lèi)型土石混合填料，試驗(yàn)分析了松鋪厚度、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)機(jī)械等對(duì)VC V和動(dòng)態(tài)變形模量Evd相關(guān)性的影響；劉東海等［6-7］針對(duì)堆石料研究了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)與不同碾壓參數(shù)之間的相關(guān)性和適應(yīng)性。然而，目前大多數(shù)研究針對(duì)單一連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)或其與單一非連續(xù)指標(biāo)的比較，且由于各類(lèi)指標(biāo)檢測(cè)方法和檢測(cè)原理差異較大，導(dǎo)致研究成果有一定局限性。此外，對(duì)于連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)穩(wěn)定性與可靠性的研究，缺少振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)對(duì)其變異性和相關(guān)性影響的分析，從而限制了連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。

本文通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)壓實(shí)試驗(yàn)，研究工程中主要振動(dòng)壓實(shí)工藝參數(shù)對(duì)C M V穩(wěn)定性和可靠性的影響；通過(guò)變異系數(shù)分析研究壓實(shí)工藝對(duì)CM V穩(wěn)定性的影響規(guī)律；通過(guò)CMV與不同非連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)相關(guān)性分析，研究壓實(shí)工藝對(duì)C M V可靠性的影響，從而為路基連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)提供參考。

1 路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法

1.1 非連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)

國(guó)內(nèi)外常用的壓實(shí)質(zhì)量非連續(xù)檢測(cè)方法包括壓實(shí)度檢測(cè)、動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)檢測(cè)、土體剛度檢測(cè)等，分別可以獲得填筑土層的壓實(shí)度K、動(dòng)態(tài)變形模量Evd和土體剛度Geo。非連續(xù)檢測(cè)技術(shù)能較為準(zhǔn)確地反映路基壓實(shí)質(zhì)量，但存在代表性不足、缺乏過(guò)程控制和整體控制、受外界因素影響大等問(wèn)題。

1.2 連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)

連續(xù)檢測(cè)技術(shù)能夠克服非連續(xù)檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)，進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)檢測(cè)與控制。連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)是指在壓實(shí)過(guò)程中基于振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)地對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量情況進(jìn)行檢測(cè)［8-9］。圖1為連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)振動(dòng)傳感器獲得的信號(hào)進(jìn)行分析處理，從而評(píng)價(jià)路基填料壓實(shí)狀態(tài)，并以C M V表示，即

圖1 連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)系統(tǒng)

式中：k為校準(zhǔn)系數(shù)，一般取300；A1為一次諧波加速度振幅，mm；A0為基頻加速度振幅，mm。

2 壓實(shí)試驗(yàn)

為分析C M V在粗粒土填料路基壓實(shí)中的穩(wěn)定性與可靠性，及CM V與非連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)Evd、Geo、K的相關(guān)關(guān)系，選取蘭張三四線K232+500—K232+620段進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.1 試驗(yàn)填料

路基分層填筑，取其中一層進(jìn)行試驗(yàn)，填筑厚度40 cm，填料類(lèi)型為間斷級(jí)配中圓礫土，屬A組填料，見(jiàn)表1。

表1 填料物性指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用XG622MH型壓路機(jī)，RollNav TC63型智能壓實(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。選取試驗(yàn)場(chǎng)地120 m（長(zhǎng)）×32 m（寬），劃分為9個(gè)試驗(yàn)帶。為避免輪跡搭接對(duì)不同碾壓遍數(shù)下壓實(shí)效果的影響，試驗(yàn)帶之間間隔1 m。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。試驗(yàn)1通過(guò)正交試驗(yàn)研究不同激振力和碾壓速度對(duì)C M V穩(wěn)定性的影響，以及激振力對(duì)CMV可靠性的影響。試驗(yàn)2在不同碾壓速度下進(jìn)行相關(guān)性校驗(yàn)，研究碾壓速度對(duì)C M V可靠性的影響。試驗(yàn)3對(duì)不同碾壓遍數(shù)下進(jìn)行相關(guān)性校驗(yàn)，研究碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)的影響，并給出壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)的建議。

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

除C M V全程檢測(cè)外，其他壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)均為非連續(xù)檢測(cè)，每條試驗(yàn)帶上，隔10 m測(cè)一行Evd和Geo數(shù)據(jù)；從有效面積對(duì)應(yīng)考慮，一行測(cè)6個(gè)Evd和Geo數(shù)據(jù)，取平均值來(lái)反映該點(diǎn)處CMV對(duì)應(yīng)的壓實(shí)效果，每帶測(cè)8行數(shù)據(jù)；每隔20 m測(cè)一組K數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)位置與Evd和Geo測(cè)點(diǎn)位置重合，每帶測(cè)4行數(shù)據(jù)，試驗(yàn)帶及檢測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。試驗(yàn)中碾壓方向均為正向碾壓。

圖2 試驗(yàn)帶及檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置示意

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 激振力和碾壓速度對(duì)C MV穩(wěn)定性的影響

將每條試驗(yàn)帶的C M V均值作為該試驗(yàn)帶連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)參數(shù)代表值，并計(jì)算不同壓實(shí)工藝下C M V的變異系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和圖3?？芍簤郝窓C(jī)振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中，激振力和碾壓速度不同，CM V的穩(wěn)定性也有所不同；變異系數(shù)越小，檢測(cè)結(jié)果波動(dòng)越小，CMV越穩(wěn)定。碾壓速度相同時(shí)，弱振工藝下CMV的變異系數(shù)小于強(qiáng)振，表明弱振工藝下CM V更穩(wěn)定；激振力相同時(shí)，快速碾壓的變異系數(shù)小于慢速碾壓，表明快速碾壓時(shí)CMV更穩(wěn)定。當(dāng)激振力為270 kN、速度為5 km∕h時(shí)，CM V變異系數(shù)最小，表明快速弱振工藝下CMV最穩(wěn)定。

圖3 不同激振力和碾壓速度下C M V測(cè)值變化曲線

表3 不同壓實(shí)工藝下C MV均值與變異系數(shù)

為進(jìn)一步探究激振力和碾壓速度對(duì)CM V穩(wěn)定性的影響規(guī)律，對(duì)不同壓實(shí)工藝引起的C M V變異系數(shù)偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 CMV變異系數(shù)偏差

由表4可知，碾壓速度不同引起的CMV變異系數(shù)偏差為1.46%～2.11%，激振力不同引起的C M V變異系數(shù)偏差為6.74%～7.39%。由碾壓速度引起的C M V穩(wěn)定性偏差相對(duì)較小，激振力引起的C M V穩(wěn)定性偏差相對(duì)較大。因此，實(shí)際工程中應(yīng)用連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量保持激振力穩(wěn)定。

3.2 激振力對(duì)相關(guān)性校驗(yàn)影響

為進(jìn)一步研究激振力對(duì)CMV可靠性的影響，通過(guò)試驗(yàn)2對(duì)不同激振力下CMV與非連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)Evd、Geo、K進(jìn)行相關(guān)性校驗(yàn)，如圖4所示（圖中下標(biāo)a為強(qiáng)振，激振力390 kN，虛線；下標(biāo)b為弱振，激振力270 kN，實(shí)線）?？芍瑥?qiáng)振和弱振時(shí)，CMV與各非連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)大于0.7，具有強(qiáng)相關(guān)性，且滿(mǎn)足壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)規(guī)范要求；同時(shí)，弱振時(shí)C M V與非連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)（Geo除外）的相關(guān)系數(shù)均大于強(qiáng)振時(shí)。采用強(qiáng)振進(jìn)行壓實(shí)時(shí)，振動(dòng)輪會(huì)產(chǎn)生較多跳振，而跳振時(shí)振動(dòng)輪與土體處于脫離狀態(tài)，不再滿(mǎn)足輪-土耦合接觸關(guān)系，從而導(dǎo)致強(qiáng)振下得到的CMV離散性較大，這也與3.1節(jié)中強(qiáng)振工藝下C M V變異系數(shù)大的結(jié)果相符合。由此可知，激振力對(duì)CMV相關(guān)性校驗(yàn)的影響顯著，且在弱振下CMV相關(guān)性校驗(yàn)結(jié)果更好。

圖4 不同激振力下CMV與非連續(xù)壓實(shí)指標(biāo)相關(guān)性校驗(yàn)結(jié)果

3.3 碾壓速度對(duì)相關(guān)性校驗(yàn)影響

為了分析碾壓速度對(duì)CMV可靠性的影響，通過(guò)試驗(yàn)3獲得不同碾壓速度下CM V與非連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到不同碾壓速度下C M V與非連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表5。

表5 不同速度下CM V與非連續(xù)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

由表5可知，在弱振工藝下，快速碾壓和慢速碾壓時(shí)CM V與Evd、K之間的相關(guān)系數(shù)大于0.7，具有強(qiáng)相關(guān)性，滿(mǎn)足規(guī)范要求；CMV與Geo的相關(guān)系數(shù)部分在0.5～0.7，具有弱相關(guān)性，不滿(mǎn)足規(guī)范要求?？焖倌雺号c慢速碾壓得到的C M V與各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)之間則較為接近，影響不顯著。

結(jié)合3.2節(jié)可知，在振動(dòng)碾壓過(guò)程中，C M V與Evd和K相關(guān)性強(qiáng)，與Geo相關(guān)性較弱。分析可知，各壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)的測(cè)試影響范圍和力學(xué)原理不同導(dǎo)致了CM V與各指標(biāo)之間相關(guān)性的差異，各檢測(cè)指標(biāo)影響范圍如圖5所示。C M V檢測(cè)影響范圍即振動(dòng)輪接觸作用范圍，與Evd和K檢測(cè)范圍基本相同，與Geo檢測(cè)范圍則有所不同，從而導(dǎo)致了壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果的不同和相關(guān)性的差異。

圖5 不同壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)影響范圍示意

由此可知，碾壓速度對(duì)C M V相關(guān)性校驗(yàn)影響不顯著，但檢測(cè)影響范圍對(duì)C M V相關(guān)性校驗(yàn)影響顯著。

3.4 碾壓遍數(shù)影響

為探究碾壓遍數(shù)對(duì)C M V相關(guān)性校驗(yàn)和壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)數(shù)值的影響，通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)3對(duì)不同碾壓遍數(shù)下C M V與非連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同碾壓遍數(shù)下CM V與非連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

由表6可知，在不同碾壓遍數(shù)下，C M V與各非連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)均大于0.7，具有強(qiáng)相關(guān)性且滿(mǎn)足規(guī)范要求。此外，第2遍（強(qiáng)振）時(shí)各相關(guān)系數(shù)基本小于其他遍數(shù)（弱振），而各檢測(cè)指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)與碾壓遍數(shù)之間并無(wú)明顯關(guān)系。結(jié)合3.2節(jié)和3.3節(jié)可知，上述規(guī)律與激振力和碾壓速度對(duì)相關(guān)性校驗(yàn)的影響規(guī)律一致，與碾壓遍數(shù)無(wú)關(guān)，因此碾壓遍數(shù)對(duì)C M V與非連續(xù)檢測(cè)指標(biāo)相關(guān)性校驗(yàn)無(wú)顯著影響。

為進(jìn)一步探究碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)數(shù)值的影響，統(tǒng)計(jì)不同碾壓遍數(shù)下壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)均值變化情況，見(jiàn)表7?？芍篊MV、Evd和K隨碾壓遍數(shù)的增加而增大，與吳龍梁等［4］的結(jié)論相一致，Geo則隨碾壓遍數(shù)的增加呈波動(dòng)增大。

表7 不同碾壓遍數(shù)下壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)的均值

對(duì)碾壓遍數(shù)與各檢測(cè)指標(biāo)均值進(jìn)行相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表8?？芍篊MV、Evd和K與碾壓遍數(shù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.7，具有較好的相關(guān)性；Geo與碾壓遍數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)在0.5～0.7，相關(guān)性較弱。此外，相比工程驗(yàn)收時(shí)的K檢測(cè)，Evd檢測(cè)更加方便高效。因此在實(shí)際工程中，建議路基壓實(shí)時(shí)采用C M V連續(xù)檢測(cè)為主、傳統(tǒng)Evd檢測(cè)為輔的檢測(cè)方法，并在連續(xù)壓實(shí)控制中盡量保持激振力穩(wěn)定。

表8 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

1）相同條件下，C M V變異系數(shù)的大小關(guān)系為：弱振＜強(qiáng)振，快速碾壓＜慢速碾壓。此外，由碾壓速度不同引起的C M V變異系數(shù)偏差為1.46%～2.11%，由激振力不同引起的C M V變異系數(shù)偏差為6.74%～7.39%。激振力對(duì)C M V穩(wěn)定性影響更顯著。

2）激振力對(duì)CMV相關(guān)性校驗(yàn)影響顯著；碾壓速度和碾壓遍數(shù)對(duì)C M V相關(guān)性校驗(yàn)影響較小，而檢測(cè)影響范圍對(duì)CM V相關(guān)性校驗(yàn)影響顯著。

3）針對(duì)中圓礫土填料，在不同壓實(shí)工藝下，C M V與Evd、K均有良好的線性相關(guān)關(guān)系。鑒于CM V和Evd檢測(cè)的便利性，進(jìn)行路基壓實(shí)連續(xù)檢測(cè)時(shí)宜采用C M V連續(xù)檢測(cè)為主、傳統(tǒng)Evd檢測(cè)為輔的方法，并在連續(xù)壓實(shí)控制中盡量保持激振力穩(wěn)定。