堆石料压实质量实时监测指标与碾压参数的相关性分析

刘东海，李子龙，王爱国

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

堆石料压实质量实时监测指标与碾压参数的相关性分析

刘东海，李子龙，王爱国

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

为给高堆石坝施工质量的连续控制提供有效指标，提出了以实时监测的压实监测值(CV)作为堆石料压实状态的表征指标．在分析CV与碾压参数(行车速度、碾压遍数、压实厚度、激振力状态)之间相关性的基础上，建立了CV与上述碾压参数的多元回归模型．实例研究表明：CV与碾压参数的相关性显著，且其可由碾压参数精确表征；由于碾压参数对于堆石料压实质量有着显著影响，故间接验证了CV可作为堆石料压实状态的实时表征指标的可能性，为进一步研究CV表征堆石料压实质量指标(如干密度、孔隙率等)提供基础．

堆石坝；压实质量；实时监测指标；碾压参数；相关性分析

按现行规范规定，堆石坝填筑碾压质量主要通过施工过程中的碾压参数(压实厚度、碾压遍数、行车速度、激振力状态等)以及试坑检测的干密度(孔隙率)等参数来控制，且以控制碾压参数为主[1]．对于碾压参数的控制，Zhong等[2-4]采用填筑碾压质量实时监控技术，实现了对行车速度、碾压遍数、激振力状态、压实厚度的实时监控，并在糯扎渡、梨园、长河坝、溧蓄和南水北调中线等工程得到成功应用，但该技术尚不能在碾压过程中直接地监测坝料的压实质量(如干密度、孔隙率或压实度等)．

对于土石料压实质量的评估，传统的方法是通过试坑采样或快速检测法(如核子密度计、落锤弯沉计等)获取压实度(干密度)来评估[5]．但这些方法均为事后检测，显然不能满足碾压过程中对土石料压实效果的实时评估．为适应土石料压实质量实时监控的需要，Caterpillar公司采用碾压净功率指标来表征土料的压实特性变化[6]．White等[7]指出碾压机振动加速度频域分析指标CMV(二次谐波振幅与基波振幅之比值)是表征土料压实坚硬或松散程度的可靠指标．AMMANN公司采用机测土体刚度KB表征土料的压实特性[8]；Anderegg等[9]验证了KB与土体刚性间较强的相关关系．

然而，上述研究主要针对道路工程，由于堆石坝堆石料的压实特性与道路工程中土料(尤其是黏土料)的压实特性有很大的区别，故上述指标不能直接作为大坝堆石料连续质量控制的表征指标．此外，需要指出的是上述指标的监测仪器均为国外专利产品，费用昂贵．笔者利用课题组自主研发的土石坝压实状态监测仪[10]，来实时监测堆石料碾压过程中的压实监测值(compaction value，CV)．堆石坝碾压参数(行车速度、碾压遍数、压实厚度、激振力状态)是影响大坝压实质量的重要因素．本文针对堆石料碾压施工，首先分析CV与各碾压参数的相关性，进而建立CV与各碾压参数的回归模型，用以验证堆石料下CV与碾压参数具有的表征关系，从而来间接证明CV与堆石料压实质量的相关性，为进一步研究利用CV表征堆石料直接的压实质量指标(干密度、孔隙率等)提供依据．

1 堆石料压实状态实时监测指标——压实监测值CV

随着碾压遍数的增加，坝料逐渐密实，干密度逐渐增大，碾压机振动轮的垂直加速度信号畸变程度越严重，谐波分量也越多[11]，因此，可将加速度的二次谐波分量幅值与基波幅值的比值(或二次以上谐波分量幅值之和与基波幅值的比值等)作为反映坝料压实情况的监测指标．利用课题组研制开发的堆石料压实状态实时监测仪[10]，可实时获取压实监测值CV，其定义式为

式中：A0为频谱分析得到的基频对应的幅值；A2为二次谐波频率对应的幅值．尽管相关研究已表明，CV值越大，表示土料越密实，刚度越大[12]，但CV是否能表征堆石料的压实质量尚待进一步验证．考虑到碾压参数与堆石料的压实质量密切相关，本文将首先验证CV与碾压参数的相关性，进而来间接验证其能否作为堆石料压实质量的实时表征指标．

堆石料压实状态实时监测仪在碾压机上的安装如图1所示，其可实时采集碾轮的加速度信号，再利用傅里叶变换对加速度信号进行频谱分析，获得加速度频域波谱图，然后用式(1)实时计算得到碾轮所经过位置处堆石料的CV值[10]．

图1 土石坝压实状态实时监测仪Fig.1 Real-time monitoring device of earth-rock dam compaction state

2 CV与碾压参数的相关性分析

为验证CV与碾压参数的相关性，在溧阳抽水蓄能电站面板堆石坝工程施工现场进行了相关试验，并采用相关系数R来分析CV与各碾压参数的相关性，即

式中：xi、x分别为压实状态实时监测值CV的第i个样本和样本均值；yi、分别为碾压参数的第i个样本和样本均值．这里碾压参数可以是碾压遍数n、行车速度v、压实厚度h或激振力状态J．

2.1 CV与碾压遍数的相关性分析

选取料性基本均匀(以免坝料级配、含水率相差太大而影响分析结果)的碾压条带1条．填筑料为下水库库盆开挖的弱风化、新鲜的石料，最大粒径≤800,mm，小于5,mm的颗粒含量≤20%．整个条带选取10个测点，采用Dynapac 27,t振动碾压机以4,km/h速度匀速振碾8遍，记录每个测点每遍碾压后的压实监测值CV，得到80组观测值．图2所示为现场试验情况．

图3所示为10个测点位置处的碾压遍数和CV的关系．可见，在同一位置处，随着碾压遍数的增加，CV明显增大；但在不同位置处，由于压实厚度与行车速度的差异，使得同一遍数下各点的CV有较大的不同．

为消除铺料厚度与行车速度不同带来的影响，针对每个测点，用式(2)分析每个测点处碾压遍数与CV的相关系数，如表1所示．由表1可知，同一位置处碾压遍数与CV显著相关，平均相关系数达0.987，说明碾压遍数对CV值影响显著．

图3 不同位置处CV与碾压遍数的关系Fig.3 Relationship between CV and rolling passes at different positions

表1 不同测点处碾压遍数与CV的相关系数Tab.1 Correlation coefficients of CV and rolling passes at different positions

2.2 CV与行车速度的相关性分析

行车速度对堆石料压实效果有着较显著的影响，较低的行车速度能使坝料在压实力的作用下有足够的时间产生不可逆变形，使得坝料更加密实．

为研究行车速度与CV之间的关系，现场选取料性基本均匀的3个条带，每个条带各选取8个测点．试验时，振动碾压机以同一个振动状态在第1个条带上低速碾压(平均速度约2.0,km/h)，在第2个条带上以设计速度碾压(平均速度约4.0,km/h)，在第3个条带上超速碾压(平均速度约6.0,km/h)，获取各个测点在碾压机第2遍经过时的CV值．图4为第2遍下各测点处的CV值．由图2可知，随着碾压行车速度的增加，各点处的CV值均变小，两者存在着明显的负相关性．

图4 不同行车速度下各测点处CV值Fig.4 CV with different roller speeds at different positions

2.3 CV与压实厚度的相关性分析

压实厚度也是影响堆石料压实质量的一个重要控制参数．若坝料铺层太厚，由于振动碾压机的影响深度有限，在设定的碾压遍数下底层坝料因作用的能量不够，出现欠压现象．

为了分析CV与压实厚度的相关关系，进行了相关试验．取料性基本均匀的3个碾压条带，铺层厚度分别控制在约50,cm、80,cm和100,cm(误差±20%左右)，共标记10个测点，如图5所示．对每个条带，碾压机在同一振动状态下匀速碾压8遍，获得各测点处每遍碾压后的CV值．各测点处的压实厚度可利用堆石坝碾压质量实时监控技术获得[2-4]．

图5 CV与压实厚度相关性试验Fig.5 Correlation test of CV and compacted thickness

图6 所示为各碾压遍数下CV与压实厚度的关系．由图6可知，相同碾压遍数下随着压实厚度的增加，CV均有下降的趋势．CV与压实厚度的相关系数R如表2所示．由表2可知，不同遍数下相关系数的均值为-0.884，说明CV与压实厚度具有显著的负相关性．

图6 各碾压遍数下CV与压实厚度的关系Fig.6 Relationship between CV and compacted thickness under different rolling passes

表2 不同遍数下CV与压实厚度的相关系数Tab.2 Correlation coefficients of CV and compacted thickness under different rolling passes

2.4 CV与激振力状态的相关性分析

在堆石料密实度较低时，可采用小频率、大振幅进行碾压，使振动轮对地面作用能量向更深层传播，有利于深层坝料的碾压；在堆石料密实度较高时，应提高频率、减小振幅，使作用能量集中在浅层，有利于表层坝料的压实[13]．

为了分析CV与激振力状态的关系，进行如下试验：选取料性基本均匀的2个条带，每个条带各选取10个测点；对第1个条带在低频高振下碾压8遍，对第2个条带在高频低振下碾压8遍，获得每个测点不同遍数下的CV值．

图7为不同遍数下、不同测点处、不同激振力状态时的CV值．由图7可知，相同遍数下，各位置点处低频高振下的CV值均要大于高频低振下的CV值，说明激振力状态与CV存在着显著的相关性．

图7 不同遍数下不同测点处各振动状态时的CV值Fig.7 CV with different exciting-force and rolling passes at different positions

3 碾压参数对CV的表征模型

碾压参数(行车速度v、碾压遍数n、压实厚度h、激振力状态J)与坝料的压实质量密切相关，现有规范也将对碾压参数的控制作为堆石坝压实质量控制的主要手段[1]．但不同碾压参数对于压实质量的影响各不相同，可通过建立CV与各碾压参数的回归模型，即可用CV值来反映上述4个碾压参数对坝料压实质量影响的综合作用．

3.1 碾压遍数对CV的表征模型

由上文分析可知，碾压遍数与CV的关系最为密切．为了分析碾压遍数对CV的定量影响，使堆石料的料性、含水率、级配以及其他碾压参数保持一致，故本文针对同一测点，建立碾压遍数与CV的回归模型．用第2.1节试验得到的10个测点的80组碾压遍数与CV的观测样本，分别建立了10个测点处碾压遍数与CV的回归模型，如表3所示．

经F检验，上述10个模型在α=0.05置信度下的显著性水平均小于0.05，模型均通过检验．模型的决定系数R2均很大，平均相对误差均较小，说明模型的拟合度很好．由表3可知，CV与碾压遍数存在明显的线性正相关，故若在同种坝料及其他碾压参数相同的情况下，可用碾压遍数直接表征CV．

表3 10个测点处碾压遍数与CV的回归模型Tab.3 Regression models of rolling passes and CV at ten observed positions

3.2 多个碾压参数对CV的综合表征模型

实际施工中，由于行车速度、压实厚度及激振力状态存在差异，单纯只受碾压遍数影响的CV表征模型存在局限性，故需研究多个碾压参数共同作用下，其对CV的综合表征关系．

由于实际应用中碾压机激振力输出只有两种状态，且施工中设定某种激振力标准后，激振力基本无变化，故在建立碾压参数与CV的回归模型时，不考虑激振力状态．针对第2.3节中10个测点在同一种激振力状态下，碾压9遍共得到的90组(n，v，h，CV)样本，选取其中80组样本建立回归模型，另有10组样本作为所建模型的验证．利用SPSS软件进行多元回归分析，建立CV表征模型如下：

经F检验，在α=0.05置信度下显著性水平小于0.05，模型的决定系数R2为0.969,3．图8所示为CV实测值与计算值的比较．90组样本中CV计算值和实测值的最大误差为5.71，误差均值为1.95，最大相对误差为10%，平均相对误差为4.85%(含回归样本和验证样本)，误差基本符合工程要求．故可利用式(3)来反映碾压参数对压实质量的综合影响，为进一步利用CV值表征干密度、孔隙率提供理论依据．

图8 CV实测值与计算值比较Fig.8 Comparison between the observed value and the calculated value of CV

4 结 语

本文提出了以压实监测值CV作为堆石料压实状态的实时表征指标；在深入分析CV与碾压参数(行车速度、碾压遍数、压实厚度、激振力状态)之间相关性基础上，建立了CV与上述碾压参数之间的回归模型．经现场试验表明，CV与碾压参数具有显著的相关性，且CV可由碾压参数精确表征．由于碾压参数对于堆石料压实质量有着显著影响，从而也验证了将CV作为堆石料压实状态的实时表征指标是可行的．本文的研究不仅可为堆石料压实质量的“过程控制”提供新的可能途径，更为进一步研究利用CV来表征堆石料的直接压实质量指标(如干密度、孔隙率等)提供了基础．

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Correlation Analysis of Rolling Parameters and Real-Time Monitoring Index for Rockfill Dam Compaction Quality Evaluation

Liu Donghai，Li Zilong，Wang Aiguo
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

To provide an effective index for the continuous quality control of high rockfill dam construction，the compaction value(CV)was put forward as the real-time monitoring index of compaction state of rockfill materials . A multiple regression model was established based on the thorough analysis of correlation between CV and rolling parameters(roller speed，rolling passes，compacted thickness，and exciting-force state). The case study shows a significant relationship between rolling parameters and CV which can be characterized by the parameters accurately. Because the obvious relationship exists between compaction quality and rolling parameters，the feasibility of regarding CV as a real-time index for compaction quality evaluation of rockfill materials is proved indirectly. It provides a basis for the further study on the relationship between direct compaction quality index(such as dry density and porosity)and CV which can eventually be used to evaluate the compaction quality of an entire work area in real time.

rockfill dam；compaction quality；real-time monitoring index；rolling parameters；correlation analysis

TV5

A

0493-2137(2013)04-0361-06

DOI 10.11784/tdxb20130412

2012-11-27；

2012-12-20．

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB035904)；国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51021004)；国家自然科学基金资助项目(51079096)．

刘东海（1974— ），男，博士，教授.

刘东海，liudh@tju.edu.cn．