宋宏偉，劉永祥

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

0 引言

目前國內(nèi)壓實(shí)質(zhì)量控制的傳統(tǒng)方法主要依靠常規(guī)指標(biāo)，存在很大局限性，主要表現(xiàn)在：1）由于常規(guī)試驗(yàn)都是在工序結(jié)束后進(jìn)行的，屬于結(jié)果控制，很難在碾壓過程中進(jìn)行控制。2） 費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對施工干擾大，取得的“抽樣點(diǎn)”值很難反映整個(gè)碾壓面壓實(shí)質(zhì)量情況。3）發(fā)現(xiàn)個(gè)別點(diǎn)不滿足要求時(shí)，很難界定重新碾壓范圍，若全部碾壓可能會造成部分區(qū)域的“過壓”。4）抽樣檢驗(yàn)適合樣本總體較均勻的情況，當(dāng)填料不均勻時(shí)，抽樣點(diǎn)是否具有代表性值得懷疑[1]。

壓實(shí)是路基填筑施工的最后一道工序，是保證路基壓實(shí)度和平整度的關(guān)鍵[2]。隨著我國智能化與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，一種在路基壓實(shí)施工過程中，旨在通過分析壓路機(jī)振動輪運(yùn)動特性，實(shí)現(xiàn)對路基壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)、全面檢測的智能壓實(shí)技術(shù)開始出現(xiàn)。智能壓實(shí)技術(shù)本質(zhì)上是根據(jù)分析的振動響應(yīng)獲得智能壓實(shí)測量值，識別連續(xù)分布的物理或力學(xué)量，進(jìn)而直接指導(dǎo)施工，以得到更好的壓實(shí)質(zhì)量[1]。

通過路基智能碾壓設(shè)備的應(yīng)用，在保障施工質(zhì)量的同時(shí)，大幅提高壓實(shí)作業(yè)的效率，杜絕漏壓、少壓、超壓，減少資源、時(shí)間的浪費(fèi)；避免因漏壓、少壓造成的路基質(zhì)量問題，延長道路使用壽命，降低后期維護(hù)成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益；通過采集AΩ 基礎(chǔ)頻率加速度幅值和A2Ω 二次諧波分量的加速度幅值并處理分析，將信息經(jīng)過評定控制體系計(jì)算轉(zhuǎn)換為振動壓實(shí)值（ECV），再將ECV 與現(xiàn)場實(shí)測壓實(shí)度數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和對比，得出相關(guān)結(jié)論，進(jìn)而達(dá)到通過設(shè)備使用和過程控制減少檢測頻率，加快施工進(jìn)度的效果。

1 路基智能碾壓技術(shù)原理及系統(tǒng)組成

路基智能碾壓系統(tǒng)的技術(shù)原理是在路基填筑碾壓過程中，依據(jù)壓路機(jī)在施工過程中產(chǎn)生的激振力與路基土體反力相互作用，通過設(shè)備檢測振動壓路機(jī)振動輪豎向振動反饋信號并實(shí)時(shí)采集，可以連續(xù)監(jiān)控碾壓質(zhì)量及實(shí)時(shí)評估。系統(tǒng)運(yùn)用過程中通過建立起檢測評定與反饋控制體系，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)碾壓面壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測與控制[3]，并根據(jù)路基實(shí)際壓實(shí)情況，調(diào)整碾壓機(jī)械的碾壓參數(shù)（速度、頻率、振幅等），從而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控和反饋指導(dǎo)施工[4]。

路基智能碾壓系統(tǒng)由移動信息傳輸模塊、設(shè)備傳感器、GPS 天線及定位接收機(jī)、計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)以及可視化模塊系統(tǒng)整合而成。

2 路基智能碾壓工藝

智能碾壓工藝是在傳統(tǒng)路基填筑施工工藝上，在壓路機(jī)上增加了智能控制設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制的目的，主要施工工藝流程見圖1。

圖1 路基智能碾壓施工工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of subgrade intelligent compaction construction

3 ECV 與壓實(shí)度相關(guān)性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)段施工

本次試驗(yàn)選取浦清高速六標(biāo)段K72+100—K72+360 路基93 區(qū)第一層，K72+100 為本試驗(yàn)段的起點(diǎn)、K72+360 為本試驗(yàn)段的終點(diǎn)，縱向10 m橫向7 m 畫方格網(wǎng)線，試驗(yàn)段基本參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)段基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of test section

試驗(yàn)段路基填筑料采用20 m3的自卸車運(yùn)輸?shù)矫總€(gè)方格網(wǎng)內(nèi)，攤鋪厚度控制在28 cm，采用推土機(jī)進(jìn)行初步平整、靜壓1 遍后再采用平地機(jī)進(jìn)行精平。

振動壓路機(jī)按照2 km/h 的均勻速度行駛，在進(jìn)入試驗(yàn)段起始線之前達(dá)到正常振動狀態(tài)，行駛到達(dá)起始線時(shí)開啟量測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集功能，進(jìn)行連續(xù)壓實(shí)測試的數(shù)據(jù)采集，離開試驗(yàn)段終止線后停止采集。

壓實(shí)度測試點(diǎn)應(yīng)根據(jù)連續(xù)壓實(shí)測試結(jié)果選取和測試，根據(jù)壓實(shí)狀態(tài)分布圖，在輕度（壓實(shí)2遍）、中度（壓實(shí)3 遍）和重度（壓實(shí)4 遍）3 種壓實(shí)狀態(tài)區(qū)域內(nèi)至少各選6 個(gè)測試點(diǎn)，現(xiàn)場施工方案布置見圖2。

圖2 現(xiàn)場實(shí)施方案布置圖Fig.2 Site implementation plan layout

本次壓實(shí)度與振動壓實(shí)值ECV 相關(guān)性試驗(yàn)段全長160 m。為了壓實(shí)度試驗(yàn)值的穩(wěn)定性，試驗(yàn)路段前后50 m 范圍內(nèi)不做壓實(shí)度與振動壓實(shí)值ECV 相關(guān)性試驗(yàn)，取中間60 m 范圍，每隔10 m取1 個(gè)斷面共6 個(gè)斷面，每個(gè)斷面分別對輕度、中度和重度3 種壓實(shí)狀態(tài)進(jìn)行壓實(shí)度監(jiān)測，樣本數(shù)共18 個(gè)，再通過在壓路機(jī)上安裝的加速度傳感器，采集AΩ 基礎(chǔ)頻率加速度幅值和A2Ω 二次諧波分量的加速度幅值，得到相應(yīng)位置的ECV 值。

3.2 ECV 與壓實(shí)度相關(guān)性試驗(yàn)結(jié)果

用傳統(tǒng)灌砂法對壓實(shí)度進(jìn)行證實(shí)和復(fù)查，建立ECV 和壓實(shí)度的相關(guān)性。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)方案，通過在后臺程序?qū)CV 進(jìn)行采集，共采集有效ECV與灌砂法壓實(shí)度樣本18 組。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 ECV 和壓實(shí)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 ECV and compaction test data

從散點(diǎn)圖3 中觀察到，2 個(gè)參數(shù)的線性回歸決定系數(shù)為：

圖3 ECV 與壓實(shí)度的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between ECV and compactness

建立線性回歸方程：y= -37.971x+ 108.02得到線性回歸決定系數(shù)R2= 0.79。

建立多項(xiàng)式回歸方程為：

得到多項(xiàng)式回歸系數(shù)R2= 0.82。

多項(xiàng)式擬合比線性擬合獲得的決定系數(shù)要大，但兩者較為接近，為了計(jì)算簡便，選用線性擬合。

利用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件量化分析各變量間的相關(guān)性可知，ECV 與壓實(shí)度在0.01 顯著性水平（犯錯(cuò)概率）下顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.889，顯著性0.000，見表3。

表3 壓實(shí)度與ECV 相關(guān)性分析結(jié)果Table 3 Correlation analysis results between compactness and ECV

從上述的研究可以得出：在對松鋪厚度、碾壓速度、壓實(shí)遍數(shù)、含水率等變量進(jìn)行控制后，ECV 值和實(shí)際壓實(shí)度有88.9%的相關(guān)性。

4 智能碾壓系統(tǒng)在實(shí)際施工中運(yùn)用的分析

智能碾壓數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)可在一定程度上還原某一具體位置的施工狀態(tài)，有助于追溯與分析施工中存在的問題原因，及時(shí)掌控碾壓區(qū)域狀態(tài)，防止過壓或欠壓。可以針對壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行過程連續(xù)控制，實(shí)時(shí)輸出碾壓情況報(bào)告；通過分析對比在現(xiàn)場及時(shí)有效地找到碾壓不到位的區(qū)域，改變了以往依靠人為控制施工質(zhì)量的管理方法，保證了施工質(zhì)量具有真實(shí)可靠性[5]。

對比傳統(tǒng)碾壓和智能碾壓施工參數(shù)相關(guān)性，可看出綜合效益是可觀的。路基智能碾壓系統(tǒng)可對土方填筑施工進(jìn)行全過程監(jiān)控和及時(shí)反饋，相對于傳統(tǒng)機(jī)械壓實(shí)施工減少了因人為因素造成的漏壓、少壓情況及相關(guān)重復(fù)檢測的設(shè)備、人工成本，以后設(shè)備過度碾壓的造成的資源浪費(fèi)，同時(shí)降低了旁站監(jiān)管人員的配置需求，提高了施工進(jìn)度和驗(yàn)收合格率，保證了路基施工質(zhì)量，進(jìn)而延長了道路使用壽命，降低了通車后維護(hù)成本。本工程總填方量為599.7 萬m3，采用智能碾壓施工后較傳統(tǒng)工藝節(jié)約成本約140 余萬元。

通過對路基智能碾壓系統(tǒng)的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)在實(shí)際施工中有很重要的實(shí)施應(yīng)用價(jià)值，但同時(shí)也有一些需要改進(jìn)和繼續(xù)研發(fā)的內(nèi)容。主要體現(xiàn)在以下方面：

1）安裝智能碾壓系統(tǒng)著眼于過程跟蹤，實(shí)時(shí)顯示并且記錄作業(yè)面的壓路機(jī)信號、碾壓區(qū)域、碾壓遍數(shù)、碾壓日期與作業(yè)時(shí)間長短等參數(shù)；為施工人員適時(shí)提供作業(yè)數(shù)據(jù)，修正不合要求的作業(yè)方式，并在試驗(yàn)檢測指導(dǎo)下通過預(yù)防漏壓、過壓來節(jié)省施工資源，提高一次性報(bào)檢合格率；對壓實(shí)度不合格的區(qū)域及時(shí)處理，提高驗(yàn)收通過率，避免重復(fù)檢測，從而提高工效[6]，通過信息化監(jiān)控與施工數(shù)據(jù)記錄，節(jié)約機(jī)械、油耗、人員等成本，同時(shí)在人力資源等方面可獲得一定的經(jīng)濟(jì)收益。

2）本套智能碾壓技術(shù)系統(tǒng)只是針對單一土體、單一施工環(huán)境和特定設(shè)備進(jìn)行的施工應(yīng)用和研究，在填筑土體材料性質(zhì)發(fā)生變化、施工環(huán)境或施工設(shè)備發(fā)生顯著變化后，以前積累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、參數(shù)和相關(guān)性不再具有通用性。需要針對不同條件，反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)總結(jié)研究，降低了在復(fù)雜環(huán)境下路基填筑施工效率；另外本系統(tǒng)擬合出的壓實(shí)度也不能完全代表路基填筑的實(shí)際質(zhì)量，也需要試驗(yàn)檢測人員進(jìn)行大量的抽檢工作，并與本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比關(guān)聯(lián)，以確保最終的路基質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

3）本套系統(tǒng)高程數(shù)據(jù)應(yīng)用不充分，現(xiàn)有智能碾壓系統(tǒng)運(yùn)算僅停留在壓路機(jī)平面位置數(shù)據(jù)處理，分層碾壓數(shù)據(jù)完全依賴于手動，一旦錄入錯(cuò)誤將造成數(shù)據(jù)累計(jì)偏差，無法反映現(xiàn)場真實(shí)情況。智能壓實(shí)系統(tǒng)還需深入研究，充分挖潛高程數(shù)據(jù)，將高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為松鋪厚度、壓實(shí)厚度、碾壓層數(shù)等要素，在數(shù)據(jù)處理中增加有效的自動分層手段[7]。

4）通過智能壓實(shí)系統(tǒng)對壓實(shí)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了施工管理人員對施工全過程管控力度。減少了重復(fù)檢測、機(jī)械調(diào)配，縮短了檢測時(shí)間，在一定程度上加快了路基施工進(jìn)度，從而降低施工成本[8]。

5 結(jié)語

在國內(nèi)，智能壓實(shí)應(yīng)用于路基填筑施工還處在起步階段，相應(yīng)的理論研究、技術(shù)還未達(dá)到成熟應(yīng)用的水平，需要進(jìn)行更多的試驗(yàn)研究工作。今后的智能壓實(shí)技術(shù)理論發(fā)展將會更多地從壓實(shí)土體的材料性能、力學(xué)本質(zhì)、施工工藝以及機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)的綜合角度來研究。針對不同的工藝條件和土體，能夠使壓路機(jī)壓實(shí)時(shí)可以連續(xù)地調(diào)整自身的參數(shù)，自動適應(yīng)外部和內(nèi)部條件的變化，使路基壓實(shí)總是在最佳的條件下進(jìn)行。

本工程通過路基智能碾壓設(shè)備的初步應(yīng)用，在保障施工質(zhì)量的同時(shí)，大幅提高壓實(shí)作業(yè)的效率，杜絕漏壓、少壓、超壓，減少資源、時(shí)間的浪費(fèi)；同時(shí)通過智能碾壓設(shè)備ECV 振動壓實(shí)值與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)匹配度驗(yàn)證，達(dá)到過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)導(dǎo)向，減少驗(yàn)收頻率，提高施工效率，可以在以后的施工中推廣。