基于智能壓實實時管控平臺的壓實質量及均勻性檢測分析*

彭 勃,阮 坤,柳 昊,賈 豪,張新銳

(1.中國路橋工程有限責任公司,北京 100011; 2.東南大學交通學院,江蘇 南京 211189)

0 引言

截至2021年底,全國公路總里程達528萬km,其中高速公路里程達16.91萬km,均位居世界第一位[1-2]。交通量的增大、汽車行駛速度的不斷增加,導致對公路服役性能要求不斷提高。路基壓實作為公路施工的關鍵步驟,對公路服役性能有重要影響。路基的充分壓實能提高路基結構的強度、剛度及穩定性,保障道路結構的工作使用性能。道路現場施工數據表明,路用材料的壓實度每增加1%,對應的承載能力能提高10%～15%。反之,路基壓實度不足會引起沉降、滑坡、翻漿、凍脹等病害,進而破壞道路結構,縮短其使用壽命[3-6]?，F有壓實施工工藝和質量檢測方法主要通過事后的單點檢測及針對問題路段的二次施工確保壓實質量,缺乏過程性監控體系和智能化管控技術,具有隨機性、滯后性,造成大量的人力、物力浪費[7-9]。

因此,將傳感技術與自動控制技術引入道路壓實施工領域,提出智能壓實技術。該技術包括兩方面內涵[10-13]:①連續壓實控制技術 通過在壓路機上安裝加速度、定位等傳感設備獲取壓實過程中的實時數據,進行數據的處理轉換得到實時的壓實計量指標,作為路基路面結構壓實質量的連續實時表征。②反饋調節技術 以壓實計量指標的目標合格值及指標與壓路機工作參數的相關關系建立調控準則,通過計算機自動控制技術,根據實時反饋的指標對壓路機工作參數進行實時調節,達到施工全過程壓實效果最佳的目的。

但目前智能壓實技術處于新興發展階段,在指標研究與壓實質量、均勻性評價方面仍不完善。當前智能壓實技術廣泛采用CMV(compaction meter value)指標作為壓實質量評價依據,通過計算加速度頻域分布圖中二次諧波分量與基頻分量的比值得到。該指標能在一定程度上反映振動壓實系統的非線性畸變程度,進而反映壓實程度,但未考慮加速度頻譜圖中高次諧波的影響。隨著壓實過程的不斷進行及振動壓實系統非線性的不斷增強,高次諧波分量幅值不斷增加,CMV指標逐漸失效,無法準確表征壓實質量,因此該指標的使用范圍受振動壓實系統運動狀態的限制[6,14-17]。其次,現有智能壓實技術研究主要集中在利用指標實現壓實質量的表征,對壓實均勻性的評價涉及較少,導致路面壓實效果評價體系尚不完善,在實際使用過程中可能出現壓實質量滿足要求但仍出現路基不均勻沉降等病害的問題[18-20]。此外,在智能壓實技術的實際使用過程中還存在設備間數據傳輸困難,缺乏可視化管控平臺的限制。

因此,本研究基于上述智能壓實技術研究中存在的不足,提出智能壓實評價指標AICV(acceleration intelligent compaction value)作為壓實質量與壓實均勻性的評價依據,建立基于智能壓實技術的壓實效果評價體系。在此基礎上,研究數據處理與傳輸技術,開發智能壓實實時管控平臺,實現壓實施工過程的智能化、數字化管控。最后,根據現場試驗數據分析壓實質量與壓實均勻性,并對比CMV與AICV指標,驗證AICV指標的準確性與可靠性。

1 基于智能壓實技術的壓實效果評價體系

本文針對CMV指標未考慮加速度頻譜圖高次諧波分量導致適用范圍受限的問題,優化計算方法并提出AICV指標,在CMV指標與AICV指標的基礎上,分別提出路基壓實質量與均勻性的評價方法,建立智能壓實效果評價體系。

1.1 連續壓實計量指標

振動輪豎向加速度具有測量方便、觀測精度高、與受力直接相關的優點,因此被廣泛應用于智能壓實技術中。具體應用方法為:在振動輪質心處安裝加速度計實時采集振動輪豎向加速度信號,再對其進行處理轉換建立連續壓實計量指標,作為壓實質量與均勻性的評價依據。因此本文基于上述方法,首先研究CMV指標,再針對CMV指標適用范圍受限的不足,優化計算方法并建立AICV指標。

1.1.1CMV指標

CMV指標是目前使用最廣泛的連續壓實計量指標,計算方便,通過定義加速度頻譜圖中二次諧波分量幅值與基頻分量幅值的比值,實現壓實質量的表征。該指標的建立依據為[21-22]:壓實初始階段振動輪對路基施加正弦激振力,振動壓實系統近似為線性系統,測得的加速度信號主要為正弦信號。隨著壓實程度的不斷提高,產生振動輪周期性脫空及振動輪與路基接觸寬度不斷變化的現象,振動壓實系統的非線性程度不斷提高,測得的加速度信號發生非線性畸變現象,表現為加速度頻譜圖中出現諧波分量。因此CMV指標通過二次諧波分量幅值相對值的大小反映振動壓實系統非線性畸變程度,進而反映壓實質量:

(1)

式中:C為放大系數;A2ω為加速度頻譜圖中二次諧波分量幅值;Aω為加速度頻譜圖中基頻分量幅值。

CMV指標在反映振動壓實系統非線性畸變程度時只考慮了二次諧波分量,當系統非線性程度進一步增加并出現高次諧波分量時,該指標逐漸失效,因此CMV指標的適用范圍受振動壓實系統運動狀態的限制。為提高連續壓實計量指標在系統不同運動狀態下表征壓實質量的普適性,需對CMV計算方法進行修正與改進。

1.1.2AICV指標

針對CMV指標未考慮加速度頻域信號高次諧波分量幅值的不足,改進計算方法并提出AICV指標。有關研究表明,在實際壓實施工過程中,加速度頻域信號一般不會出現五次及更高次諧波分量[23],故AICV指標中只考慮二次諧波、三次諧波、四次諧波分量的影響。AICV計算如下:

(2)

式中:A3ω和A4ω分別為加速度頻譜圖中三次和四次諧波分量幅值。

1.2 路基壓實質量評價方法

在指標建立的基礎上,對比分析現有研究中的壓實質量評價方法并進行改進,以CMV與AICV指標的目標合格值作為壓實質量的評價依據,建立路基壓實質量評價方法。

目前壓實質量評價方法主要有3類[24-26]:①通過連續壓實計量指標確定路基的最薄弱區域,針對最薄弱區域進行現場壓實度測量,以現場壓實度作為壓實質量的判定標準;②對各碾壓遍數下的連續壓實計量指標進行比較分析,以相鄰兩遍碾壓過程中指標的相對變化幅度作為壓實質量的判定標準;③以初始校準區域中建立的連續壓實計量指標目標合格值作為壓實質量的評價依據,以評價路段中指標達到目標合格值區域的比例作為壓實質量的判定標準。對比分析上述方法可知,方法①仍采用傳統壓實質量檢測手段,不屬于智能壓實技術的應用范疇;方法②在實踐中會增加壓實遍數,影響工程進度且實施較復雜。因此本文采用方法③,在初始校準區域內建立連續壓實計量指標與壓實度的回歸關系,根據壓實度的合格值計算指標的目標合格值;該方法精度較高,同時避免了方法②增加碾壓遍數的缺點,在實踐中使用便利。

1.3 路基壓實均勻性評價方法

連續壓實計量指標分布情況總體滿足正態分布特征,因此本文利用正態分布的3σ準則建立壓實均勻性評價方法。該準則基于小概率事件和假設檢驗的思想,以(μ-3σ,μ+3σ)作為指標的可能取值區間,其中μ表示樣本平均值,σ表示樣本標準差?；谏鲜鰷蕜t,以CMV指標與AICV指標是否出現在(μ-3σ,μ+3σ)區間內作為壓實均勻性的判定標準,當指標量值落在區間外時,表明路基部分區域出現欠壓或過壓情況,壓實均勻性不滿足要求。

2 智能壓實實時管控平臺

本文基于物聯網技術實現了智能壓實施工數據的傳輸與交互,在此基礎上開發了智能壓實實時管控平臺,設計了工程概況模塊、壓實質量與均勻性分析模塊及用戶信息模塊,實現了壓實施工全過程數據的實時可視化監測。

2.1 智能壓實施工數據傳輸與交互技術

采用物聯網技術進行了數據傳輸的研究,實現從設備到界面的全過程數據傳輸與交互。具體實施方式如下:智能壓實路面傳感器設備通過IOT接入物聯網平臺,通過MQTT協議上傳傳感器數據。物聯網平臺作為數據中轉站,連接系統端和設備端。當平臺接收設備上報數據后,先對數據進行處理轉換,再利用數據訂閱與推送機制,將接收并處理后的傳感器數據推送到系統平臺,流轉入后臺數據庫進行存儲。

2.2 管控平臺關鍵功能模塊

1)工程概況模塊 包括工程基本概況與工程進展信息,方便用戶查詢項目基本信息及近期施工進度,同時以輪播圖形式對現場施工圖片進行展示。

2)壓實質量與均勻性分析模塊 基于路基壓實質量與均勻性評價方法,對連續壓實計量指標數據進行二維可視化繪圖,統計壓實質量與壓實均勻性不滿足要求的區域,并將其設置為紅色,實現對路基智能壓實效果的實時可視化評價。此外,該模塊可導出指定區域的連續壓實計量指標數據,生成壓實質量與均勻性分析報告,采用圖表形式供用戶對壓實質量與均勻性進行進一步統計分析。

3)用戶信息模塊 提供注冊用戶信息的查詢與管理功能。在該模塊中,管理員可對注冊用戶信息進行編輯,包括添加用戶賬號、修改或刪除已注冊的用戶信息。

3 智能壓實現場試驗驗證

本文依托山東省沾臨高速項目對基于智能壓實技術的壓實效果評價體系與智能壓實實時管控平臺進行現場試驗驗證,通過分析CMV,AICV指標與壓實度的相關關系驗證指標的有效性,并建立指標的目標合格值,在此基礎上分析現場壓實質量與壓實均勻性,最后對比了兩種指標的穩定性。

3.1 現場試驗工況

試驗現場位于沾化—臨沂高速(沾臨高速)濱州段。路基壓實施工順序依次為:預壓、整平、靜力壓實1遍、振動壓實3遍、靜力壓實1遍。由于智能壓實技術面向振動壓實工況,因此本文對振動壓實階段進行驗證分析,以最后一遍振動壓實過程中的連續壓實計量指標作為最終壓實質量與均勻性的評價依據?，F場施工采用三一SSR260AC—8H3振動壓路機,參數如表1所示。

表1 壓路機工作參數Table 1 Operating parameters of the roller

選取4個試驗條帶,各條帶長度均為200m,如圖1所示。其中條帶1～3為初始校準條帶,用于建立CMV指標與AICV指標的目標合格值,每間隔20m進行一次現場取樣,獲取現場壓實度,并計算一次指標量值。條帶4為評價條帶,用于評價壓實質量與壓實均勻性,每間隔20m計算一次指標量值。

圖1 壓實條帶及取樣點分布Fig.1 Distribution of compaction strips and sampling points

3.2 CMV,AICV與壓實度的相關關系

基于初始校準條帶現場取樣的壓實度數據及壓路機實測的CMV,AICV數據,分別建立CMV,AICV與壓實度的相關關系,驗證2種指標反映壓實質量的有效性,利用壓實度的合格值計算2種指標的目標合格值,作為壓實質量的評價依據。CMV,AICV與壓實度的相關關系如圖2所示。

圖2 CMV,AICV與壓實度的相關關系Fig.2 Correlation of CMV, AICV with compaction

由圖2可知,CMV,AICV與壓實度間均表現出強相關性,且指標量值均隨壓實度的增加而增加,該結論驗證了將CMV,AICV作為壓實質量評價依據的有效性。對比兩者可發現AICV與壓實度的相關性強于CMV與壓實度的相關性,主要原因為:在AICV的穩定性優于CMV,在圖中表現為數據點的離散性更小,因此擬合得到的相關系數更高。

高速公路壓實度合格標準為96%,本文根據圖2的回歸關系式算得CMV與AICV的目標合格值分別為57.14,82.85,將其作為壓實質量的評價依據。

3.3 現場壓實質量分析

以CMV,AICV作為壓實質量的評價依據,根據評價條帶壓實質量的發展特征分析CMV,AICV量值隨碾壓遍數的變化原因,進一步將指標量值與目標合格值對比判斷路基壓實質量。不同碾壓遍數下評價條帶CMV,AICV變化情況如圖3所示。

圖3 不同碾壓遍數下評價條帶CMV,AICV變化Fig.3 Changes in CMV, AICV of evaluated strips under different milling traverses

由圖3可知,AICV量值普遍高于CMV量值,但兩者的變化趨勢基本保持一致。2種指標均隨碾壓遍數的增加而增加,表明該條帶壓實質量隨碾壓遍數的增加而不斷提高。此外,2種指標的增幅均隨碾壓遍數的增加而減小,CMV平均值、AICV平均值在第1遍碾壓與第2遍碾壓間分別增長了19.15%,17.93%,在第2遍碾壓與第3遍碾壓間分別增長了8.20%,9.52%。主要原因為:在壓路機工作參數保持不變的情況下,路基的塑性變形發展隨碾壓遍數的增加逐漸趨于穩定,因此壓實質量也逐漸提高并趨于定值,CMV與AICV的增幅隨碾壓遍數的增加而減小。此外,對比各遍碾壓過程中CMV,AICV量值與目標合格值可知,第3遍碾壓完成后路基壓實質量滿足要求。

3.4 現場壓實均勻性分析

以CMV,AICV作為壓實均勻性的評價依據,基于正態分布3σ準則對評價條帶上第3遍碾壓的CMV,AICV數據進行單變量統計,比較2種指標的穩定性,進一步將指標量值與正態分布置信區間對比判斷路基壓實均勻性。針對連續壓實計量指標分布情況總體滿足正態分布的特征,基于3σ準則對評價條帶上第3遍碾壓的CMV,AICV數據進行單變量統計,統計數據如表2所示。

表2 CMV與AICV的單變量統計數據Table 2 Univariate statistics for CMV and AICV

由表2可知,對于相同路基壓實質量下測得的2種指標,AICV的標準差σ低于CMV,說明AICV的離散性低于CMV,在實際工程中評價壓實質量與壓實均勻性時具有更好的穩定性。此外,評價條帶第3遍碾壓時測得的各位置處CMV與AICV均處于正態分布置信區間(μ-3σ,μ+3σ)內,因此碾壓完成后的路基壓實均勻性滿足要求。

4 結語

1)CMV,AICV與壓實度間均表現出強相關性,指標量值均隨壓實度的增加而增加,其中AICV指標由于離散性更小表現出的相關性更強。

2)CMV,AICV隨碾壓遍數的增加而增加,但增幅隨碾壓遍數的增加而減小,主要原因在于路基壓實質量的發展逐漸趨于穩定。對比CMV,AICV量值與目標合格值可知,現場壓實質量滿足要求。

3)AICV的離散性低于CMV,在實際工程中評價壓實質量與壓實均勻性時具有更好的穩定性。對比CMV,AICV量值分布情況與置信區間位置可知,現場壓實均勻性滿足要求。