探討公路項(xiàng)目路基連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測技術(shù)

王 位

（貴州省橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

公路是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈，擔(dān)負(fù)著大量的交通運(yùn)輸任務(wù)，促進(jìn)了中國經(jīng)濟(jì)的騰飛。當(dāng)前我國公路工程建設(shè)實(shí)現(xiàn)了大跨越發(fā)展，特別是高速公路的不斷建成，先進(jìn)的施工工藝、施工技術(shù)、施工設(shè)備陸續(xù)投入應(yīng)用。路基是公路工程的基礎(chǔ)構(gòu)成，其施工質(zhì)量決定了公路的耐久性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及使用安全性[1-2]。傳統(tǒng)高速公路工程常用地基系數(shù)K30、動(dòng)態(tài)變形模量Evd、變形模量Es、壓實(shí)系數(shù)K、孔隙率n等指標(biāo)檢測路基壓實(shí)質(zhì)量。傳統(tǒng)檢測方法存在幾點(diǎn)不足：1）檢測結(jié)果準(zhǔn)確性低、檢測效率低、難以精準(zhǔn)把控路基壓實(shí)質(zhì)量；2）人力、物力、時(shí)間消耗大，檢測結(jié)果難以復(fù)原；3）無法做到實(shí)時(shí)壓實(shí)質(zhì)量檢測。此外，傳統(tǒng)檢測技術(shù)無法用于土石路基，因此，選用連續(xù)壓實(shí)檢測技術(shù)控制路基壓實(shí)質(zhì)量[3]。

1 連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)

連續(xù)壓實(shí)控制，即路基填筑作業(yè)時(shí)，基于路基填筑土體、壓路機(jī)的相互作用機(jī)制，不間斷測量壓路機(jī)振動(dòng)輪的豎向振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，構(gòu)建壓實(shí)質(zhì)量檢測與控制體系，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控路基連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量。

基本操作步驟：在振動(dòng)輪上設(shè)置傳感器，在壓路機(jī)操作室內(nèi)設(shè)置其他裝置，如顯示屏。通過持續(xù)監(jiān)測振動(dòng)輪動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)并進(jìn)行分析處理獲得路基壓實(shí)質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，并在操作室內(nèi)的顯示屏上顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控路基碾壓作業(yè)過程[4]。根據(jù)信號(hào)的變化規(guī)律判斷路基連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量，可根據(jù)一次諧波振幅、基頻振幅的比值確定信號(hào)畸變程度，用壓實(shí)度值（CMV）表示，相關(guān)計(jì)算公式如下：

式中，A0——基頻信號(hào)振幅；k——常系數(shù)；A1——一次諧波信號(hào)振幅。

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)方案

以某高速公路為研究對(duì)象，樁號(hào)K22+650~K22+750，選取長200 m的試驗(yàn)路段，并縱向分成5小段，分別為A、B、C、D、E，對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行填筑壓實(shí)試驗(yàn)，碾壓操作步驟：1）按照從A~E的順序靜態(tài)碾壓一遍；2）按照從A~E的順序振動(dòng)碾壓一遍；3）按照從A~D的順序振動(dòng)碾壓一遍；4）按照從A~C的順序振動(dòng)碾壓一遍；5）按照從A~B的順序振動(dòng)碾壓一遍；6）振動(dòng)碾壓A小段一遍。

試驗(yàn)路段為土石混合填筑路基，其中碎石填料占多數(shù)，填筑體干密度最大值2.11 g/cm3，曲率系數(shù)1.86，不均勻系數(shù)18。選用YZ32D型振動(dòng)壓路機(jī)，核心指標(biāo)參數(shù)見表1，路基填筑碾壓時(shí)通過傳感器獲取實(shí)時(shí)壓實(shí)度值，碾壓作業(yè)完成后檢測沉降。

表1 壓路機(jī)參數(shù)

3 壓實(shí)度值異常數(shù)據(jù)處理

3.1 壓實(shí)度值數(shù)據(jù)預(yù)處理

大規(guī)模獲取路基連續(xù)壓實(shí)數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測路基壓實(shí)質(zhì)量是連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測技術(shù)的最大特點(diǎn)[5]。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，現(xiàn)場采樣受到場地環(huán)境以及氣候變化等因素的影響，導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)異常或較大誤差，直接影響路基連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量的評(píng)價(jià)，因此應(yīng)該先對(duì)獲取的數(shù)據(jù)做預(yù)處理和過濾[6]。

該研究按照傳感器獲取的振動(dòng)壓路機(jī)性能指標(biāo)參數(shù)分類整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再擬合每次碾壓采集的壓實(shí)度值，基于單次碾壓對(duì)應(yīng)的路基壓實(shí)度值變化規(guī)律是否匹配整體變化規(guī)律判斷該數(shù)值是否合理[7-8]。不合理數(shù)值會(huì)影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果。因此，擬合數(shù)據(jù)前必須先對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，基本步驟如下：若總體試驗(yàn)值x服從正態(tài)分布，則滿足條件p(|x-μ|＞3σ)≤0.003，其中，σ、μ分別為標(biāo)準(zhǔn)差、數(shù)學(xué)期望。該條件下，很少出現(xiàn)大于μ+3σ或小于μ-3σ試驗(yàn)數(shù)值，結(jié)合上述不等式可過濾掉大于μ+3σ或小于μ-3σ的試驗(yàn)值，剩下的數(shù)值為正常值。

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析每次碾壓對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度值，并進(jìn)行數(shù)值擬合，結(jié)果顯示各數(shù)值均服從正態(tài)分布[9]，具體見圖1。壓實(shí)度值總體服從正態(tài)分布，不同碾壓遍數(shù)對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度值正態(tài)分布擬合結(jié)果見表2。分析計(jì)算壓實(shí)度值，求得不同碾壓遍數(shù)對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度均值，具體結(jié)果見表3。再將壓實(shí)度均值進(jìn)行擬合，得到均值與碾壓遍數(shù)的關(guān)系，明確壓實(shí)度值變化規(guī)律，具體見圖2。

表2 不同碾壓遍數(shù)下CMV正態(tài)分布擬合結(jié)果

表3 不同碾壓遍數(shù)下的CMV均值

圖1 壓實(shí)度值數(shù)據(jù)正態(tài)分布擬合

圖2 壓實(shí)度均值隨碾壓遍數(shù)的變化分布

根據(jù)圖2可知，路基連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測方法能做到實(shí)時(shí)監(jiān)控路基壓實(shí)度。振壓遍數(shù)與壓實(shí)度值成正比，且增長幅度均勻，當(dāng)振壓遍數(shù)提升至一定數(shù)值后，壓實(shí)度值增加速度放緩；隨著碾壓遍數(shù)的增加，壓實(shí)度均值的變化規(guī)律很明顯。根據(jù)壓實(shí)度值、碾壓遍數(shù)之間的擬合曲線可得，壓實(shí)度均值、碾壓遍數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.93，表明整體壓實(shí)度均值、碾壓遍數(shù)存在強(qiáng)相關(guān)性，整體壓實(shí)度均值可通過碾壓遍數(shù)公式求得。

3.2 CMV異常數(shù)據(jù)修正

可通過下列公式擬合壓實(shí)度值和常規(guī)壓實(shí)指標(biāo)回彈模量，以明確二者關(guān)系。通過分析試驗(yàn)路段路基填筑施工參數(shù)之間的關(guān)系，運(yùn)用最小二乘法分析不同碾壓遍數(shù)對(duì)應(yīng)的路基壓實(shí)度值、常規(guī)壓實(shí)指標(biāo)回彈模量之間的相關(guān)性。

式中，x——常規(guī)壓實(shí)指標(biāo)回彈模量；y——路基壓實(shí)度值。

路基壓實(shí)度值異常將影響其與常規(guī)壓實(shí)指標(biāo)回彈模量的擬合結(jié)果。因此，擬合前必須先修正路基壓實(shí)度異常值。路基壓實(shí)度值、回彈模量的擬合結(jié)果見圖3，據(jù)圖可知A點(diǎn)偏離擬合關(guān)系線最大，因此，可初步判斷A點(diǎn)數(shù)值為異常值。

圖3 壓實(shí)度值與回彈模量擬合

根據(jù)圖2可以看出，路基壓實(shí)度整體均值的變化規(guī)律隨著碾壓遍數(shù)的增加更加明顯。由此推斷隨著碾壓遍數(shù)上升，單個(gè)路基壓實(shí)度值同樣表現(xiàn)出明顯的變化。不同碾壓遍數(shù)對(duì)應(yīng)的A點(diǎn)數(shù)值分布特征見圖4，A點(diǎn)數(shù)據(jù)顯著偏離壓實(shí)度值總體變化趨勢，因此可確定其為異常值，需進(jìn)行修正。

圖4 不同碾壓變數(shù)下壓實(shí)度值數(shù)據(jù)分布

為修正A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度值，擬合碾壓第1遍、第2遍、第4遍、第5遍下的壓實(shí)度值，總結(jié)A點(diǎn)處的壓實(shí)度值變化規(guī)律，具體結(jié)果見圖5，隨著碾壓遍數(shù)的增加，壓實(shí)度值滿足以下關(guān)系式：

根據(jù)圖5可知，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度值可通過式（4）求得，將x=3代入式中求得CMV=20.81，即A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際壓實(shí)度值為20.81。

圖5 CMV變化規(guī)律擬合

修正異常壓實(shí)度值后，需將其與常規(guī)壓實(shí)指標(biāo)回彈模量重新擬合，修正前后的數(shù)值擬合結(jié)果如圖6、表4所示。

圖6 異常值修正前后回歸分析對(duì)比

表4 異常值修正前后相關(guān)性校驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表4可以看到，壓實(shí)度值異常值修正之后其相關(guān)系數(shù)R2由0.78增大至0.87，說明壓實(shí)度值修正之后的回歸方程更符合數(shù)值相關(guān)性，且修正后的數(shù)值回歸方程斜率、截距均改變，回彈模量對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度值也將改變。表明異常值會(huì)影響目標(biāo)壓實(shí)度值，修正異常值可提高目標(biāo)壓實(shí)度值準(zhǔn)確度，有助于精準(zhǔn)控制路基連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量。

4 結(jié)論

綜上所述，路基是公路工程的基礎(chǔ)構(gòu)成，其施工質(zhì)量直接影響公路的路用性能。基于此，該研究以某高速公路土石路基作為研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)分析，大規(guī)模采集不同碾壓遍數(shù)對(duì)應(yīng)的路基連續(xù)壓實(shí)度值、回彈模量，并預(yù)處理壓實(shí)度值，修正異常值，進(jìn)行數(shù)值擬合，總結(jié)壓實(shí)度值與碾壓遍數(shù)的關(guān)系，得出以下結(jié)論:

（1）連續(xù)壓實(shí)度值、碾壓遍數(shù)擬合度為0.94，表明隨著碾壓遍數(shù)的增加，壓實(shí)度值變化規(guī)律明顯。壓實(shí)度值與碾壓遍數(shù)成正比，當(dāng)碾壓遍數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，壓實(shí)度值增長放緩，最終趨于穩(wěn)定。

（2）通過擬合分析壓實(shí)度值、碾壓遍數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨碾壓遍數(shù)的增加，路基壓實(shí)度值變化規(guī)律穩(wěn)定。

（3）結(jié)合壓實(shí)度值隨碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律修正異常壓實(shí)度值，并進(jìn)行重新擬合分析。對(duì)比修正前后的壓實(shí)度值與回彈模量的回歸分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)修正異常值有助于增強(qiáng)壓實(shí)度值與回彈模量的相關(guān)性，并提高目標(biāo)壓實(shí)度值的準(zhǔn)確度，從而提高路基連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量的檢測與控制效率。