路基智能壓實技術探究

黨曉 侯子義

（1.河北工業大學土木與交通學院，天津 300401；2.廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530022）

一、引言

壓實度是控制路基施工質量最主要的指標。公路工程中一般采用灌砂法、環刀法和核子密度儀等方法檢測路基壓實度，其中灌砂法最為普遍。但傳統壓實質量檢測方法存在著以下問題：檢測點位和數據存在一定的局限性；檢測結果滯后于壓實過程，費時費力；不能實時監控壓路機工作狀態與壓實過程，壓實工藝和參數調整滯后。

近年來，基于振動壓路機與被壓材料動力學特性，通過檢測振動輪加速度信號并利用信號處理和軟件程序實時在線檢測壓實度控制壓實質量技術得到廣泛關注。智能壓實即壓路機操作人員結合實時反饋能夠直觀地觀察到所碾壓區域的壓實程度。想要實現這一目標，以壓路機、路基、感應設備、顯示設備組成的整體就要建立實時的響應機制，從而準確地指導施工。

二、試驗儀器

（一）壓路機

采用的壓路機為路基施工中常用的振動壓路機。

（二）加速度傳感器

振動壓路機受工作環境影響較大，因此，加速度傳感器需具備較高的靈敏度，以確保信號采集的準確性。本文采用的LC0107T型號IC壓電加速度傳感器，能夠滿足檢測智能壓實指標CMV值的使用需求。

三、建立CMV與傳統指標的相關關系

（一）CMV 的計算

在實際應用時，第一步先將壓實信號采集到加速度信號采集器中，然后運用快速傅立葉（FFT）技術開始頻譜分析，得到不同受力狀態下各個頻率成分的幅值，最后截取一個周期內的信號并去掉其他各階信號幅值，找到基頻信號幅值和一次諧波幅值。智能壓實系統對應的智能壓實指標CMV可以用式（1）表示：

式中，A1為一次諧波幅值，A0為基頻信號幅值，C為固定常數，然后在試驗段用標準壓實度檢驗方法測得的壓實度值和CMV值之間建立相關關系，就可以實時監測控制壓實度。

（二）CMV 的檢測與展示

CMV檢測系統由加速度傳感器、數據處理單元及車載顯示終端組成，系統采集到的加速度信號經過頻域濾波處理后，可以得到一次諧波與二次諧波的幅值。按照CMV的計算方法便可得到每一時刻的CMV指標，將CMV值與全球定位系統GPS所采集到的實時坐標關聯分析，即可確定碾壓平面上每一位置的CMV值。這一計算過程在數據處理單元中實施，隨后數據處理單元將采集到的原始數據通過串口線發送至車載智能平板電腦，經過專業軟件解算后，可以形成CMV指標的云圖，并通過紅、黃、綠3種顏色區分壓實效果的好壞。

（三）測試方案

為了分析CMV與壓實度的相關關系，本文采集了施工段的CMV指標、動態回彈模量及灌砂法壓實度等，涉及到黏土質礫和粉土質礫兩種土質，選擇兩個試驗段獨立展開試驗，黏土質礫的試驗段位于廣西南寧沙井至吳圩高速公路k2+700～k2+800樁號區間，粉土質礫的試驗段位于沙吳高速公路k14+000～k14+100樁號區間，為了確保采集結果的可比性，兩個地點的壓路機型號、施工工藝及試驗方法完全相同。

為避免試驗數據集中在較小的范圍而影響相關性校驗結果，將試驗區劃分為3遍區、5遍區及7遍區3個碾壓條帶，這樣可以確保不同條帶下的壓實度、動態回彈模量及CMV值存在明顯差異，試驗中對每個碾壓條帶的松鋪厚度控制為30cm，碾壓速度為3km/h，壓路機由A點行駛至B點再按原路線倒回后記做碾壓一遍。試驗時，首先由安裝智能碾壓設備的壓路機開展碾壓作業采集CMV指標。作業完成后立即測試，在每一個測試點采集4次動態回彈模量，第一次測試結果往往受到地表平整度等因素的影響，數據與后3次差異較大，因此取每個測試點2、3、4次測試結果的平均值作為該點的動態回彈模量，回彈模量測試結束后，在原地采集各測試點的壓實度值，壓實度采集結束后，即可整理數據開展相關分析。

測試結束后，以CMV為橫坐標，壓實度與動態回彈模量為縱坐標開展線性擬合。

（四）結果及驗證

試驗結束后，統計兩種土質的灌砂法數據、動態回彈模量ETML及對應點的CMV值，匯總結果如表1所示。

表1 實驗數據統計

黏土質礫的擬合方程為y=0.34397x+81.75453，其相關系數r 為0.813，粉土質礫的擬合方程為y=0.35442x+82.2894，相關系數r為0.780，其中x值為CMV，y為壓實度值（%）。CMV與動態回彈模量的校驗結果，黏土質礫的擬合方程為y=0.812x+3.57135，其相關系數r為0.834，粉土質礫的擬合方程為y=0.874x+1.81463，相關系數r為0.834。從結果可以看到，兩種土質下CMV值與傳統指標的相關系數都大于0.7，具有較強的相關性。

由于智能碾壓系統主要用于下路堤質量監控，現行規范中規定高速公路下路堤的壓實度需大于等于93%，因此可采用93%壓實度所對應的CMV作為目標CMV值，通過擬合方程可得，黏土質礫的目標CMV值為32.7，粉土質礫的目標CMV值為30.2。

為驗證CMV指標預測壓實度的準確性，在沙吳高速公路全線范圍內隨機確定點位復核壓實度，通過手持GPS精準定位測試點，保證CMV與壓實度的高度位置匹配。

校核結果如表2所示，計算壓實度與實測壓實度的組差在±2范圍內，滿足工程應用的需求，但同時也表明，當施工面壓實度位于臨界值時，容易出現誤判，因此除壓實度外，智能碾壓系統對施工工藝監控也尤為重要。

表2 壓實度誤差統計

四、結語

振動壓路機智能化連續施工路基壓實度檢測系統所包含的設備管理、實時監控、歷史回放等多項功能模塊，能夠提供高效、精準的檢測壓實度值、碾壓遍數、碾壓層厚等施工參數，滿足及時指導施工的需求。通過高速公路的試驗路段建立了黏土質礫和粉土質礫兩種土質下，CMV值與灌砂法壓實度的相關關系，系統的壓實度檢測與灌砂法的試驗壓實度結果相對誤差小于2%。