珊瑚砂道基壓實(shí)中智能壓實(shí)有效性評(píng)價(jià)

師登宇 茍宏偉

摘 要：為了研究智能壓實(shí)技術(shù)在珊瑚砂道基壓實(shí)中的應(yīng)用，該文以IBRAHIM NASIR國(guó)際機(jī)場(chǎng)道基施工為背景，通過(guò)總結(jié)智能壓實(shí)技術(shù)概況，并研究智能壓實(shí)檢測(cè)值CMV與道基現(xiàn)場(chǎng)干密度的相關(guān)關(guān)系，確定出現(xiàn)場(chǎng)施工目標(biāo)CMV值。研究結(jié)果表明：當(dāng)干密度合格值為1.65 g/cm3時(shí)，可得目標(biāo)智能壓實(shí)檢測(cè)值CMV為18.89，即智能壓實(shí)檢測(cè)值CMV大于18.89時(shí)，可認(rèn)為壓實(shí)質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：智能壓實(shí)；珊瑚砂；CMV；施工研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TU473 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展取得長(zhǎng)足進(jìn)步，土木工程裝備機(jī)械及施工技術(shù)也取得快速發(fā)展，智能壓實(shí)施工理念在此基礎(chǔ)上逐步深入人心。地基壓實(shí)是各填筑體施工質(zhì)量得以保證的重要工序之一，填筑體壓實(shí)情況直接關(guān)系到施工最終成果。目前，規(guī)范要求中壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)主要采用施工現(xiàn)場(chǎng)抽驗(yàn)有損檢測(cè)，按照施工完成順序?qū)儆凇包c(diǎn)”控制和“事后”控制，實(shí)踐研究表明，該方式難以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工完成全過(guò)程的控制，壓路機(jī)施工時(shí)常常產(chǎn)生漏壓、欠壓及超壓現(xiàn)象。采用現(xiàn)場(chǎng)損壞式檢測(cè)方法不僅難以控制整體壓實(shí)施工質(zhì)量，而且對(duì)于壓實(shí)面造成破壞。因此隨著材料科學(xué)及機(jī)械設(shè)備的發(fā)展，可使全面控制碾壓壓實(shí)質(zhì)量的智能壓實(shí)控制技術(shù)得到應(yīng)用推廣。智能壓實(shí)技術(shù)是通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)定位技術(shù)及傳感器集成科技、數(shù)據(jù)處理及模型建造等組成的先進(jìn)信息化施工技術(shù)。

1 智能壓實(shí)技術(shù)

傳統(tǒng)的壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)主要采用灌砂法、取芯法等破壞性方法及核子儀、無(wú)核密度儀等無(wú)損檢測(cè)方法。傳統(tǒng)壓實(shí)質(zhì)量控制主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)及前期總結(jié)經(jīng)驗(yàn)確定出壓實(shí)施工工藝，在碾壓施工完成后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)干密度等來(lái)判別壓實(shí)度是否達(dá)到項(xiàng)目要求，而控制干密度則主要調(diào)整填筑體碾壓遍數(shù)來(lái)保證壓實(shí)度。傳統(tǒng)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方式不僅不能準(zhǔn)確獲取碾壓面的壓實(shí)信息，同時(shí)壓實(shí)結(jié)果嚴(yán)重滯后于碾壓施工過(guò)程，不能及時(shí)對(duì)漏壓、欠壓及超壓等現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)整施工進(jìn)程，發(fā)現(xiàn)施工質(zhì)量問(wèn)題后返工，施工質(zhì)量不佳而且使工程成本上升。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，集成電子科技及機(jī)械設(shè)備的發(fā)展更新，智能壓實(shí)技術(shù)逐步得到應(yīng)用推廣。智能壓實(shí)最初根據(jù)智能壓路機(jī)概念發(fā)展產(chǎn)生的，智能壓實(shí)技術(shù)是智能壓實(shí)控制（ICC）的簡(jiǎn)稱(chēng)，智能壓實(shí)是通過(guò)加裝控制系統(tǒng)的振動(dòng)壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)壓實(shí)施工控制，通過(guò)該控制系統(tǒng)可在壓實(shí)作業(yè)時(shí)實(shí)時(shí)持續(xù)控制壓實(shí)機(jī)械參數(shù)，如振動(dòng)輪的振幅、頻率、激振力和壓路機(jī)行進(jìn)速度等，從而優(yōu)化壓實(shí)設(shè)備作業(yè)條件并達(dá)到控制壓實(shí)質(zhì)量的目的。該系統(tǒng)可通過(guò)傳感器等設(shè)備采集碾壓信息與填筑體壓實(shí)質(zhì)量直接相關(guān)的參數(shù)，如模量、剛度及抗力等，并且是根據(jù)監(jiān)測(cè)的壓路機(jī)振動(dòng)輪振動(dòng)響應(yīng)等來(lái)識(shí)別得到的連續(xù)分布的物理力學(xué)量。在壓實(shí)作業(yè)過(guò)程中，根據(jù)壓實(shí)材料性質(zhì)的不同，壓實(shí)設(shè)備可通過(guò)振動(dòng)輪垂直加速度諧波分量表現(xiàn)出不同的特征，最后可根據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)算反映出被壓實(shí)材料的壓實(shí)程度。

智能壓實(shí)在實(shí)體工程中的應(yīng)用效果，通過(guò)智能壓實(shí)設(shè)備，可分別從碾壓遍數(shù)、高程變化、CMV變化值和填/挖量等方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。智能壓實(shí)設(shè)備可通過(guò)壓實(shí)作業(yè)過(guò)程中得到的壓實(shí)參數(shù)表征壓實(shí)材料的壓實(shí)質(zhì)量，并且隨著壓實(shí)作業(yè)的進(jìn)行根據(jù)壓實(shí)材料的特征及壓實(shí)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)自行判斷、自動(dòng)調(diào)節(jié)壓實(shí)性能參數(shù)，從而保證填筑體壓實(shí)質(zhì)量的智能壓實(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的不同壓實(shí)材料性質(zhì)及所需壓實(shí)程度來(lái)調(diào)整壓實(shí)設(shè)備的壓實(shí)功，從施工端頭預(yù)防壓實(shí)過(guò)程中超壓、欠壓及漏壓的發(fā)生，并且可根據(jù)電子探測(cè)器得到瀝青路面面層壓實(shí)剛度、表明溫度，從而最大限度地保證施工質(zhì)量，提高施工效率。

智能壓實(shí)振動(dòng)壓路機(jī)通常包括以下幾個(gè)部分：

（1）記錄壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)行進(jìn)過(guò)程的加速度傳感器、紅外溫度感應(yīng)器、位移傳感器等；

（2）記錄并實(shí)時(shí)處理壓實(shí)過(guò)程、傳感器輸出的剛度的機(jī)載電機(jī)信號(hào)分析處理元；

（3）根據(jù)實(shí)測(cè)壓實(shí)剛度智能調(diào)整頻率、振幅或是激振力的反饋控制裝置；

（4）記錄壓實(shí)機(jī)械所在位置及碾壓時(shí)間的相關(guān)軟件，并在軟件中安裝設(shè)計(jì)運(yùn)算模型、壓實(shí)運(yùn)算模型及指標(biāo)；

（5）本地存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備。

2 智能壓實(shí)指標(biāo)研究

2.1 工程概況

馬爾代夫是群島國(guó)家，旅游業(yè)的快速發(fā)展也帶動(dòng)了民航業(yè)的快速發(fā)展。目前馬爾代夫全國(guó)共有4家航空公司，10個(gè)機(jī)場(chǎng)。IBRAHIM NASIR國(guó)際機(jī)場(chǎng)是馬爾代夫唯一的一個(gè)國(guó)際機(jī)場(chǎng)，位于首都馬累島東北部2 km處的機(jī)場(chǎng)島，是進(jìn)入馬爾代夫的門(mén)戶(hù)，全球已有超過(guò)50家航空公司開(kāi)通了多國(guó)至首都馬累的客運(yùn)或貨運(yùn)服務(wù)。

IBRAHIM NASIR國(guó)際機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有一條長(zhǎng)3 200 m，寬45 m的跑道，編號(hào)18-36，飛行區(qū)等級(jí)為4E。IBRAHIM NASIR國(guó)際機(jī)場(chǎng)2013年客運(yùn)總量為422.4萬(wàn)人次（其中包括水上飛機(jī)客運(yùn)量）。按照機(jī)場(chǎng)目前的發(fā)展計(jì)劃，預(yù)計(jì)2040年機(jī)場(chǎng)旅客量將突破1 200萬(wàn)人次。機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施已趨于飽和，無(wú)法滿(mǎn)足航空業(yè)務(wù)量快速增長(zhǎng)的需要，嚴(yán)重影響馬爾代夫經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，機(jī)場(chǎng)規(guī)模急需擴(kuò)建。

2.2 智能壓實(shí)指標(biāo)研究

填筑體智能壓實(shí)控制指標(biāo)可通過(guò)壓實(shí)過(guò)程中得到的壓實(shí)程度、壓實(shí)均勻性和壓實(shí)穩(wěn)定性3個(gè)指標(biāo)。壓實(shí)程度值整個(gè)碾壓作業(yè)層壓實(shí)指標(biāo)達(dá)到規(guī)定值的程度，該指標(biāo)控制道基物理力學(xué)性能達(dá)到規(guī)定值的程度，解決道基是否有足夠剛度和強(qiáng)度支承上部結(jié)構(gòu)；壓實(shí)均勻性反應(yīng)的是碾壓面層上各部分物理力學(xué)性狀（壓實(shí)狀態(tài)）分布的一致性，該指標(biāo)控制路基物理力學(xué)性能的均勻分布程度，解決能否均勻支承上部結(jié)構(gòu)；壓實(shí)穩(wěn)定性是指振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)工藝參數(shù)一定的情況下，道基壓實(shí)狀態(tài)隨碾壓遍數(shù)變化的情況，該指標(biāo)控制道基物理力學(xué)性能穩(wěn)定性，解決在重復(fù)荷載作用下道基能否長(zhǎng)期、有效支承上部結(jié)構(gòu)。因此，該文結(jié)合實(shí)際施工條件及設(shè)計(jì)要求選用智能壓實(shí)指標(biāo)值CMV進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量研究。

碾壓前對(duì)場(chǎng)地先進(jìn)行了灑水處理，地基處理方法采用振動(dòng)碾壓方法和沖擊碾壓方法。振動(dòng)碾壓選用碾壓設(shè)備型號(hào)：設(shè)備自重26 000 kg，振動(dòng)頻率27 Hz/32 Hz，沖擊力405 kN/290 kN；沖擊碾壓設(shè)備性能：設(shè)備自重12 000 kg，沖擊能為26 kJ。試驗(yàn)段分別在處理前，振動(dòng)碾壓后和沖擊振動(dòng)碾壓后進(jìn)行了干密度試驗(yàn)。干密度試驗(yàn)采用大體積方法和無(wú)核密度儀方法，試驗(yàn)在地面進(jìn)行，干密度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：處理后的干密度比處理前有提高；振動(dòng)碾壓較沖擊碾壓的提高較為顯著，處理20遍以后地基土的干密度基本達(dá)到1.6 g/cm3。

為道基施工現(xiàn)場(chǎng)智能壓實(shí)度檢測(cè)值CMV與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)干密度進(jìn)行分析，研究選取設(shè)定區(qū)域檢測(cè)點(diǎn)位置，智能壓實(shí)度檢測(cè)值CMV與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)干密度見(jiàn)表2。

由表2可得，干密度與壓實(shí)檢測(cè)值CMV存在顯著線(xiàn)性關(guān)系，因此隨著干密度的增加，智能壓實(shí)指標(biāo)值CMV也隨之增打大；此外，兩者相關(guān)性系數(shù)R2=0.8807，為強(qiáng)相關(guān)（R=0.93>0.9）。因此采用智能壓實(shí)值在一定程度上可表征道基壓實(shí)情況，在實(shí)際工程中使用該軟件來(lái)控制道基壓實(shí)狀況是可行的。

根據(jù)試驗(yàn)路段設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)段道基干密度須大于等于1.65 g/cm3，考慮到干密度與CMV相關(guān)系數(shù)不小于0.70，即當(dāng)干密度合格值X=1.65 g/cm3干密度合格值X=1.65 g/cm3，采用線(xiàn)性回歸模型式確定CMV目標(biāo)值。如式（1）所示：

當(dāng)干密度合格值X=1.65 g/cm3時(shí)，由式（1）可得Y=18.89，即目標(biāo)智能壓實(shí)檢測(cè)值CMV為18.89。因此可表明，在本研究中當(dāng)智能壓實(shí)檢測(cè)值為18.89時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)干密度檢測(cè)值為1.65 g/cm3，即現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

智能壓實(shí)技術(shù)將數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)與優(yōu)良的壓實(shí)施工技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)填處材料壓實(shí)過(guò)程的控制。采用智能壓實(shí)技術(shù)進(jìn)行填筑材料壓實(shí)作業(yè)時(shí)，可直接控制壓實(shí)機(jī)械，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓實(shí)材料壓實(shí)質(zhì)量的控制，有效提高結(jié)構(gòu)層材料的均勻性，進(jìn)而減小施工質(zhì)量的變異性。該文以機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程中珊瑚砂道基壓實(shí)為背景，研究智能壓實(shí)檢測(cè)值CMV與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)干密度檢測(cè)值的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而得出推薦目標(biāo)智能壓實(shí)檢測(cè)值，這對(duì)珊瑚砂道基智能壓實(shí)施工推廣應(yīng)用具有重要意義。

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