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)壓實質(zhì)量控制的傳統(tǒng)方法主要依靠常規(guī)指標，存在很大局限性，主要表現(xiàn)在：1）由于常規(guī)試驗都是在工序結(jié)束后進行的，屬于結(jié)果控制，很難在碾壓過程中進行控制。2） 費時費力，對施工干擾大，取得的“抽樣點”值很難反映整個碾壓面壓實質(zhì)量情況。3）發(fā)現(xiàn)個別點不滿足要求時，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）抽樣檢驗適合樣本總體較均勻的情況，當填料不均勻時，抽樣點是否具有代表性值得懷疑[1]。

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

通過路基智能碾壓設備的應用，在保障施工質(zhì)量的同時，大幅提高壓實作業(yè)的效率，杜絕漏壓、少壓、超壓，減少資源、時間的浪費；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，降低后期維護成本，具有顯著的經(jīng)濟效益；通過采集AΩ 基礎頻率加速度幅值和A2Ω 二次諧波分量的加速度幅值并處理分析，將信息經(jīng)過評定控制體系計算轉(zhuǎn)換為振動壓實值（ECV），再將ECV 與現(xiàn)場實測壓實度數(shù)值進行數(shù)據(jù)收集和對比，得出相關結(jié)論，進而達到通過設備使用和過程控制減少檢測頻率，加快施工進度的效果。

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，通過設備檢測振動壓路機振動輪豎向振動反饋信號并實時采集，可以連續(xù)監(jiān)控碾壓質(zhì)量及實時評估。系統(tǒng)運用過程中通過建立起檢測評定與反饋控制體系，實現(xiàn)對整個碾壓面壓實質(zhì)量的實時動態(tài)監(jiān)測與控制[3]，并根據(jù)路基實際壓實情況，調(diào)整碾壓機械的碾壓參數(shù)（速度、頻率、振幅等），從而實現(xiàn)在線監(jiān)控和反饋指導施工[4]。

路基智能碾壓系統(tǒng)由移動信息傳輸模塊、設備傳感器、GPS 天線及定位接收機、計算機分析系統(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，在壓路機上增加了智能控制設備，以實現(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 與壓實度相關性試驗

3.1 試驗段施工

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

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

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

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

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

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

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

3.2 ECV 與壓實度相關性試驗結(jié)果

用傳統(tǒng)灌砂法對壓實度進行證實和復查，建立ECV 和壓實度的相關性。根據(jù)現(xiàn)場試驗方案，通過在后臺程序?qū)CV 進行采集，共采集有效ECV與灌砂法壓實度樣本18 組。試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 ECV 和壓實度試驗數(shù)據(jù)Table 2 ECV and compaction test data

從散點圖3 中觀察到，2 個參數(shù)的線性回歸決定系數(shù)為：

圖3 ECV 與壓實度的關系圖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。

建立多項式回歸方程為：

得到多項式回歸系數(shù)R2= 0.82。

多項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，為了計算簡便，選用線性擬合。

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

表3 壓實度與ECV 相關性分析結(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、壓實遍數(shù)、含水率等變量進行控制后，ECV 值和實際壓實度有88.9%的相關性。

4 智能碾壓系統(tǒng)在實際施工中運用的分析

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，及時掌控碾壓區(qū)域狀態(tài)，防止過壓或欠壓?？梢葬槍簩嵸|(zhì)量進行過程連續(xù)控制，實時輸出碾壓情況報告；通過分析對比在現(xiàn)場及時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)量具有真實可靠性[5]。

對比傳統(tǒng)碾壓和智能碾壓施工參數(shù)相關性，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行全過程監(jiān)控和及時反饋，相對于傳統(tǒng)機械壓實施工減少了因人為因素造成的漏壓、少壓情況及相關重復檢測的設備、人工成本，以后設備過度碾壓的造成的資源浪費，同時降低了旁站監(jiān)管人員的配置需求，提高了施工進度和驗收合格率，保證了路基施工質(zhì)量，進而延長了道路使用壽命，降低了通車后維護成本。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)的應用研究，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)在實際施工中有很重要的實施應用價值，但同時也有一些需要改進和繼續(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，實時顯示并且記錄作業(yè)面的壓路機信號、碾壓區(qū)域、碾壓遍數(shù)、碾壓日期與作業(yè)時間長短等參數(shù)；為施工人員適時提供作業(yè)數(shù)據(jù)，修正不合要求的作業(yè)方式，并在試驗檢測指導下通過預防漏壓、過壓來節(jié)省施工資源，提高一次性報檢合格率；對壓實度不合格的區(qū)域及時處理，提高驗收通過率，避免重復檢測，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)約機械、油耗、人員等成本，同時在人力資源等方面可獲得一定的經(jīng)濟收益。

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)境和特定設備進行的施工應用和研究，在填筑土體材料性質(zhì)發(fā)生變化、施工環(huán)境或施工設備發(fā)生顯著變化后，以前積累的試驗數(shù)據(jù)、參數(shù)和相關性不再具有通用性。需要針對不同條件，反復進行試驗總結(jié)研究，降低了在復雜環(huán)境下路基填筑施工效率；另外本系統(tǒng)擬合出的壓實度也不能完全代表路基填筑的實際質(zhì)量，也需要試驗檢測人員進行大量的抽檢工作，并與本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行對比關聯(lián)，以確保最終的路基質(zhì)量滿足設計要求。

3）本套系統(tǒng)高程數(shù)據(jù)應用不充分，現(xiàn)有智能碾壓系統(tǒng)運算僅停留在壓路機平面位置數(shù)據(jù)處理，分層碾壓數(shù)據(jù)完全依賴于手動，一旦錄入錯誤將造成數(shù)據(jù)累計偏差，無法反映現(xiàn)場真實情況。智能壓實系統(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）通過智能壓實系統(tǒng)對壓實過程的實時監(jiān)控，提高了施工管理人員對施工全過程管控力度。減少了重復檢測、機械調(diào)配，縮短了檢測時間，在一定程度上加快了路基施工進度，從而降低施工成本[8]。

5 結(jié)語

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

本工程通過路基智能碾壓設備的初步應用，在保障施工質(zhì)量的同時，大幅提高壓實作業(yè)的效率，杜絕漏壓、少壓、超壓，減少資源、時間的浪費；同時通過智能碾壓設備ECV 振動壓實值與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)匹配度驗證，達到過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)導向，減少驗收頻率，提高施工效率，可以在以后的施工中推廣。