砂礫石壩粗粒料壓實質(zhì)量實時檢測指標(biāo)探討

莫林謀，季 平，華天波，梁 濤

(1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司四川分公司，四川 成都 610073；2.中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

現(xiàn)如今在國內(nèi)砂礫石壩的填筑工程中，控制壓實質(zhì)量主要采取控制碾壓參數(shù)和試坑檢測的“雙控”法，即主要依靠人工控制填筑施工的碾壓參數(shù)(主要包括鋪層厚度、振動碾壓機的行車速度與碾壓遍數(shù))和人工現(xiàn)場挖坑取樣檢測等手段[1]。人工現(xiàn)場取樣檢測這種常規(guī)的質(zhì)量控制方法對于推動我國砂礫石壩的建設(shè)起到了積極作用，然而隨著填筑規(guī)模的擴大，這種傳統(tǒng)的壓實質(zhì)量控制管理機制已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代機械化施工的要求。為了實現(xiàn)快速、實時、準(zhǔn)確地對壩料壓實質(zhì)量的監(jiān)控，探求合適的壓實質(zhì)量實時檢測指標(biāo)，研發(fā)一種連續(xù)壓實質(zhì)量控制方法很有必要，它對提高砂礫石壩施工質(zhì)量、加快施工進度具有十分重要的意義。

進入21世紀(jì)以來，多種新型壓實質(zhì)量檢測方法相繼誕生，國內(nèi)外多家研究機構(gòu)和企業(yè)研發(fā)了用于檢測各種碾壓材料壓實質(zhì)量的檢測方法，主要集中在路基工程、鐵路交通等領(lǐng)域[2- 6]。由于水電工程施工的復(fù)雜性和特殊性，上壩填筑的土石料粒徑和級配較為分散，專門用于砂礫石壩填筑施工質(zhì)量控制的儀器設(shè)備較少涉及，現(xiàn)有的相關(guān)檢測設(shè)備也基本是從其他工程領(lǐng)域沿用過來，在砂礫石壩大粒徑的粗粒料檢測過程中存在隨機性大、精確度差、實際使用效果不佳等問題，因此亟需研究適用的壓實質(zhì)量實時檢測指標(biāo)和方法用于砂礫石壩粗粒料的填筑施工質(zhì)量控制。

1 研究工程概況

某水利工程的攔河大壩為混凝土面板砂礫石壩，大壩壩殼料由爆破堆石料和河床砂礫石料組成，上游混凝土面板作為大壩防滲結(jié)構(gòu)。水庫總庫容22.49億m3，正常蓄水位1820m，大壩壩頂高程1825.8m，最大壩高164.8m，壩頂寬度12m，壩頂長度795m，覆蓋層深度94m。在大壩填筑過程中，壩料的壓實質(zhì)量直接關(guān)系到壩體的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定，有效控制其壓實質(zhì)量是保證大壩安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

2 實時檢測指標(biāo)

鐘登華和劉東海等人[7- 10]的研究表明，振動輪加速度a與被壓材料的壓實狀況有著密切關(guān)系，但是單一的振動加速度檢測結(jié)果存在較大的不確定性和波動性。由此我們對碾輪振動加速度的檢測結(jié)果進行處理，根據(jù)土體反力測試原理，選定如下4個衍生指標(biāo)。

(1)加速度峰值ap：該指標(biāo)描述的是碾輪振動過程中加速度信號振幅的變化規(guī)律，其計算公式如下：

ap=max{|ai|}(i=1，2…n)

(1)

式中，ai—某個時間點的加速度數(shù)值，m/s2；n—一段時間內(nèi)采集的加速度數(shù)據(jù)個數(shù)。

(2)加速度均方根值arms：該指標(biāo)反映的是碾輪振動過程中的有效振動加速度，其計算公式如下：

(2)

式中，ai—某個時間點的加速度數(shù)值，m/s2；n—一段時間內(nèi)采集的加速度數(shù)據(jù)個數(shù)。

(3)加速度峰值因素CF：該指標(biāo)是交變電流中常用的評價指標(biāo)，用來說明交流電源輸出峰值負(fù)載電流的能力[11]。本文將其引入來描述碾輪振動加速度波形的變化規(guī)律，其計算公式如下：

(3)

式中，C—放大系數(shù)，本文中取為10；ap—加速度峰值；arms—加速度均方根值。

從CF值的物理意義可以看出，其實際上是一個綜合了加速度峰值變化趨勢和均方根值變化趨勢的檢測指標(biāo)，描述的是土體對碾輪輸出峰值加速度的能力，即土體對碾輪產(chǎn)生最大反作用力的能力，是一個無量綱值。

(4)加速度諧波比值CMV：該指標(biāo)為加速度信號進行調(diào)諧分析后得出的二次諧波幅值與基頻幅值的比值(諧波比)[12- 14]，其計算公式如下：

(4)

式中，C—放大系數(shù)，通常取300；A1—加速度頻譜圖中二次諧波對應(yīng)的幅值；A0—加速度頻譜圖中基頻對應(yīng)的幅值。

由文獻[15- 16]可知，CF指標(biāo)綜合了ap和arms指標(biāo)的變化趨勢，其在表征土體壓實程度方面比ap和arms指標(biāo)具有更好的效果。因此在本文中，作者進一步對CF和CMV指標(biāo)在砂礫石壩粗粒料上的檢測效果作對比分析，評估其適用性和優(yōu)劣性，得出較適宜表征砂礫石壩粗粒料壓實程度的實時檢測指標(biāo)。

3 現(xiàn)場試驗

為分析評估實時檢測指標(biāo)CF和CMV在砂礫石壩粗粒料上的檢測效果，本次研究在不同的粗粒料上分別進行了不同碾壓參數(shù)的對比試驗，觀察各指標(biāo)在不同試驗條件下的數(shù)據(jù)表現(xiàn)情況。分析各指標(biāo)與碾壓參數(shù)和試坑檢測指標(biāo)的相關(guān)性，以及各指標(biāo)在相同壩料上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，以評判各指標(biāo)表征砂礫石壩粗粒料壓實質(zhì)量的優(yōu)劣。

3.1 試驗設(shè)備

本次試驗采用江蘇東華測試DHDAS系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，檢測的主要物理量為碾輪豎向振動加速度及其主振頻率，測試系統(tǒng)主要由傳感器、振動數(shù)據(jù)采集儀和監(jiān)測分析軟件客戶端組成。試驗采用的碾壓機為中大機械YZ系列32t單鋼輪振動壓路機如圖1所示，傳感器均豎向安裝在碾輪內(nèi)側(cè)機架上。

圖1 振動碾壓機(中大YZ32)

3.2 試驗方案

在壩面的砂礫石料和堆石料區(qū)分別選取了5個條帶進行現(xiàn)場碾壓試驗，砂礫石料和堆石料的級配設(shè)計曲線如圖2所示。碾壓試驗條帶的長度均為50m，寬度均為2.2m(碾輪寬度)，如圖3所示。單個網(wǎng)格大小為2.2m×5m，將每個碾壓條帶劃分為10個試驗網(wǎng)格，對每個網(wǎng)格進行編號①～⑩，其中奇數(shù)區(qū)為緩沖區(qū)，在偶數(shù)區(qū)間進行挖坑檢測，獲得常規(guī)壓實質(zhì)量指標(biāo)。

圖2 堆石料和砂礫石料級配曲線

圖3 堆石料現(xiàn)場碾壓試驗圖

4 試驗數(shù)據(jù)分析

4.1 與碾壓參數(shù)的相關(guān)性分析

在Origin軟件中繪出每個碾壓區(qū)域測得的檢測指標(biāo)的散點圖，堆石料某試驗區(qū)的數(shù)據(jù)如圖4所示。對各檢測指標(biāo)與碾壓遍數(shù)的相關(guān)性進行分析，目前在相關(guān)領(lǐng)域已有研究成果的相關(guān)性分析多為線性模型[7- 10]，函數(shù)表達式為：

y=ax+b

(5)

式中，a、b—回歸系數(shù)。

由圖4數(shù)據(jù)點的趨勢可以發(fā)現(xiàn)：圖中y隨著x的增大而有增長趨勢，但是其增長速率逐漸變慢，并且當(dāng)x進一步增大時，y逐漸趨于某一常數(shù)，可知該曲線可能有一條水平漸近線。

由此可以假設(shè)數(shù)據(jù)點的趨勢線為雙曲線型，雙曲模型的函數(shù)表達式可表示為：

(6)

式中，a、b—回歸系數(shù)。

接下來對線性模型和雙曲模型兩種回歸模型進行分析比對，計算兩種模型中每個碾壓區(qū)域內(nèi)實時檢測指標(biāo)與碾壓遍數(shù)的決定系數(shù)(R2)，以判定更合適的回歸模型。為了減小偶然誤差對試驗結(jié)果產(chǎn)生的干擾，對碾壓條帶各試驗網(wǎng)格的決定系數(shù)(R2)取切尾均值，結(jié)果見表1。

圖4 堆石料上實時檢測指標(biāo)隨碾壓遍數(shù)變化趨勢

對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，實時檢測指標(biāo)在同種壩料不同碾壓區(qū)域的檢測值范圍不盡相同，而在現(xiàn)場的實際檢測過程中，要求數(shù)據(jù)的波動不能太大。因此本文引入標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vσ來評價實時檢測指標(biāo)在不同試驗區(qū)間的穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vσ是反映數(shù)據(jù)離散程度的指標(biāo)，計算公式如下：

表1 CF和CMV指標(biāo)與碾壓遍數(shù)的決定系數(shù)(R2)(碾壓機振碾10遍)

(7)

計算結(jié)果見表1。由表1可知，從與碾壓參數(shù)的相關(guān)性角度分析，在堆石料和砂礫石料上，CF指標(biāo)無論采用線性模型還是雙曲模型，與碾壓遍數(shù)n的相關(guān)性均比CMV指標(biāo)要高，其中采用線性模型時與碾壓遍數(shù)的決定系數(shù)(R2)分別達到0.776和0.921，具有很強的線性相關(guān)性；從數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的角度分析，在堆石料和砂礫石料上，CF的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vσ均比CMV要小，離散程度較低。綜合以上分析結(jié)果來看，CF指標(biāo)更適合作為砂礫石壩粗粒料壓實質(zhì)量的實時檢測指標(biāo)。

4.2 與試坑檢測指標(biāo)的相關(guān)性分析

文獻[2]指出，在土體填筑碾壓過程中，可以采用實時檢測指標(biāo)的必要條件是實時檢測指標(biāo)與常規(guī)指標(biāo)之間的決定系數(shù)(R2)不得小于0.70，該系數(shù)通過試驗段上的對比試驗進行確定，一般要求測得不少于18組對比試驗數(shù)據(jù)[17- 18]。然后進行統(tǒng)計回歸處理，得到?jīng)Q定系數(shù)(R2)、相關(guān)方程以及實時檢測的目標(biāo)值，運用該目標(biāo)值進行過程控制。由于堆石料和砂礫石料采用的主要壓實質(zhì)量控制指標(biāo)分別為孔隙率和相對密度[1]，下面將分別分析實時檢測指標(biāo)與相對密度和孔隙率的相關(guān)關(guān)系。

對該砂礫石壩的堆石料上5個試驗條帶的偶數(shù)區(qū)間進行挖坑檢測，共取得25組標(biāo)準(zhǔn)試坑檢測指標(biāo)樣本，結(jié)果見表2。

對檢測結(jié)果進行回歸分析，如圖5所示。

對檢測結(jié)果進行回歸分析，方法同上述堆石料分析方法，回歸模型的決定系數(shù)(R2)分別為CF∶0.993(線性模型)、0.991(雙曲模型)，CMV∶0.807(線性模型)、0.842(雙曲模型)，CF指標(biāo)與壓實質(zhì)量控制指標(biāo)(相對密度Dr)的相關(guān)性均比CMV指標(biāo)要高。因此CF指標(biāo)更適宜作為砂礫石料壓實質(zhì)量的實時檢測指標(biāo)，其與相對密度的相關(guān)方程為CF=6.068Dr+10.574，現(xiàn)場相對密度Dr要求控制在0.9以上，對應(yīng)CF的目標(biāo)控制值為16.03，即在砂礫石料碾壓過程中CF≥16.03時，即達到壓實標(biāo)準(zhǔn)。

表2 堆石料區(qū)實時檢測與試坑檢測結(jié)果統(tǒng)計

在砂礫石料區(qū)由于受現(xiàn)場試驗條件所限，僅對各個條帶的一個試驗區(qū)進行試坑檢測，檢測結(jié)果見表3。

圖5 實時檢測指標(biāo)與試坑檢測指標(biāo)的回歸分析

表3 砂礫石料區(qū)實時檢測與試坑檢測結(jié)果統(tǒng)計

5 結(jié)語

通過對某面板砂礫石壩的堆石料和砂礫石料10個碾壓條帶的現(xiàn)場試驗可知，在不同壩料上CF與碾壓遍數(shù)n的相關(guān)性均較高，并且CF指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vσ較小，均低于10%，離散程度較低，因此CF指標(biāo)較適宜作為本工程砂礫石壩粗粒料壓實質(zhì)量的實時檢測指標(biāo)。進一步建立CF指標(biāo)與常規(guī)壓實指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系式，對應(yīng)常規(guī)壓實指標(biāo)的控制標(biāo)準(zhǔn)，CF指標(biāo)的目標(biāo)控制值分別為18.22和16.03，即在本工程的堆石料和砂礫石料碾壓過程中，當(dāng)CF分別達到18.22和16.03時，可認(rèn)為該壩料已達到所要求的壓實質(zhì)量，后期可進一步研發(fā)實時檢測裝置，以實現(xiàn)對壩體碾壓過程中壓實質(zhì)量的實時控制。