智能压实：需要的只是更多机会

谭忠华

导语：

压实是道路施工过程中最重要的环节之一。路面材料需要达到最佳的密实度，才能保证充分的支撑力、稳定度与强度；高质量、均匀的压实是良好、持久的路用性能的保障。均匀性，是压实之关键。

智能压实（Intelligent Compaction，简称IC）指的是使用配备现场测量系统与反馈控制功能的振动压路机，对土壤、骨料基层或者沥青路面材料等进行的压实。基于GPS的绘图系统以及自动记录结果的软件应该是智能压实设备的组成部分；通过集成测量、文档记录、控制系统等，IC压路机可以实现压实过程的实时监测与纠正。此外，IC压路机还使用带有彩色标记的图表持续记录碾压遍数、材料刚度测量值、压路机的准确位置等信息。图1中的宝马格VarioControl系统，即为典型的IC压路机组成。

IC压路机使用了振动压路机的结构。具备自动反馈系统（Automatic Feedback Control，简称AFC）的IC压路机，通过装配的部件将信息输入文档记录系统和反馈控制系统，由后者实时处理这些数据，再通过显示屏展示给压路机操作手。典型的IC反馈系统如图2所示。

压路机的准确位置、通过某个特定位置的速度与遍数等均可借助GPS绘出。使用IC技术进行施工的流程如图3所示，IC数据处理与分析流程，如图4所示。压实度计或加速度计装在振动轮里面或者上方，用于监测所施加的压实作用力、频率及被碾压材料的响应，通过该仪器的读数可以确定碾压的效果。计算被碾压材料的响应的方法通常为厂家独有，故而产生了各种类型的智能压实测量值（Intelligent Compaction Measurement Values，简称ICMV）。

在IC压路机中，附加的温度仪器被用来监测沥青路面材料的表面温度。这十分重要，因为在某些温度范围内进行碾压可能会产生不利的效果。图5为使用红外传感器测量沥青表面温度的例子。

用于压实沥青路面材料的IC压路机采用双钢轮配置，如表1所示。对两个振动轮的监测与自动反馈控制增加了智能压实的难度。此外，进行沥青路面材料压实的时机与面层温度也至关重要。因此，将IC技术用于沥青路面材料碾压时，需要额外的仪器与考虑。

ICMV：孰优孰劣？

连续压实控制（Continuous Compaction Control，简称CCC）是指在压实过程中利用连续压实仪检测振动轮的动态响应信号，根据被压材料与振动压路机的相互作用，经过处理后得到能反映土体压实状况的控制指标。由于振动轮响应信号的处理方式不同，故而形成了几种连续压实控制技术。国内外学者对此进行了大量的研究，并且研制出基于不同工作原理的压实检测仪器，包括落锤频谱式路基压实度快速测定仪、瑞雷波法压实仪、核子密实度计、电涡流压实度计等，其中以安装在振动压路机上的连续压实度仪应用最广。

1974年，瑞典的Heinz Thurner博士将振动轮谐波与土壤压实特性联系在一起，第一次对“ICMV”这个概念进行了研究。他使用一台安装了加速度计的戴纳派克光轮振动压路机，在粒状土上进行了现场试验。结果表明，一次谐波振幅激振频率下的振幅比、压实效果与土石料刚度密切相关。1975年，Heinz Thurner博士与?ke Sandstr?m合作成立了Geodynamik公司，继续对ICMV进行研究。

1976年，Geodynamik与戴纳派克共同开发了压实度仪Compactometer，其工作原理是使用安装在振动压路机上的加速度传感器检取系统在振动激励下的响应信号，通过滤波器和信号的傅立叶变换得出振动信号的基波和二次谐波分量，然后用二次谐波与基波的比值来反映压实程度。这就是CMV（Compaction Meter Value，压实度值）测量方法。1980年，Thurner、Sandstr?m、Forssblad、Hansbo、Pramborg、Machet等人在巴黎的第一次国际压实会议上析出了5篇关于CMV测量技术的文章。

1983年，Geodynamik公司将示波器的值（OMV）用于振荡压路机。OMV为取自振动轮横向加速度幅值的无量纲值。悍马公司曾经将OMV测量技术用在他们的光轮振荡压路机上，然而，描述OMV与土壤特性两者关系的英文文献几乎无迹可寻。

同年，宝马格开发了一个土壤压实检测系统——Terrameter BTM 01。借助加速度计的数据，检测系统中的Omega值既反映了作用于材料的能量大小，也间接反映了材料的压实状况。1985年，Hoover在实地研究三种不同类型粒状土的Omega值之后，发布了一份鼓舞人心的研究报告。2000年，宝马格公司在第三代压路机中引入了两个新技术，即Terrameter BTM-E和VarioControl。BTM-E第一次为压实状态提供了一个物理值，即土壤动态刚度模量EVIB（单位MN·m-2）。与Omega值不同，EVIB与振动压路机的参数无关，因而振动参数的改变对测量结果无任何影响。VarioControl系统能够产生可变换方向的振动，使振动方向根据物料的密实度在垂直和水平方向无级调节，由于振动方向决定传递给土壤的压实能量的大小，因此该系统可以使压实能量与土壤状态相匹配。

1990年代末期，安迈公司提出使用压路机集成的刚度测量值ks作为评价指标。ks使用测定的振动轮位移、估算的作用力和一个反映压路机与土壤的交互作用的弹簧-缓冲器模型，提供准静态刚度的量度。

戴纳派克、天宝（Trimble）、卡特彼勒等厂商将CMV测量技术作为ICMV系统的一部分，借助GPS系统，通过车载装置把CMV数据实时地显示出来。天宝还为光轮振动压路机提供了一个经过改造的连续压实控制系统。2004年，酒井公司提出了一个类似于CMV的无量纲参数——CCV（Compaction Control Value，压实控制值）。与CMV的不同之处是，CCV同时考虑了基频和次谐波频率。

MDP（Machine Drive Power，机器驱动力）是卡特彼勒的一项创新型土壤压实测量技术，该技术有助于操作者确认所碾压土壤的承载强度是否符合要求，进而得知是否可移至下一个作业区域。传统系统在地面被压实时测量其振动反应，而MDP测量的是抵消碾压阻力所需的能量。随着地面被进一步压实，其碾压阻力会降低，据此计算土壤刚度或承载强度。 2003年，为了评估MDP系统在粒状土、粘性土上的应用，爱荷华运输部、美国联邦公路管理局和卡特彼勒联合发起了一个共同研究项目。根据Tehrani、Meehan、White、Thompson等人的论文及报告，是年，美国开始对MDP测量技术进行现场测试研究；2008年，明尼苏达州的一个土方压实工程全面使用了这项技术。

宝马格、安迈和戴纳派克提供的AFC/IC系统，在振动轮跳动被确定或者达到预设的测量阈值时可以自动调节振幅和频率。Adam、Kopf等人在著述中称，将AFC用于土壤压实具有以下优势：使得更快地完成碾压作业（通过减少碾压遍数等）的可能性更大，以及提高土壤特性的均匀性。根据美国联邦公路管理局的联合资金交通项目——“加快实施智能压实技术在路基土壤、骨料基层、沥青面层中的应用（Accelerated Implementation of Intelligent Compaction Technology for Embankment Subgrade Soils， Aggregate Base， and Asphalt Pavement Materials）”最终报告的文献综述部分，现有技术文献没有很好地对上述优势进行量化。

目前，至少有6个制造厂商（安迈、宝马格、凯斯、卡特彼勒、戴纳派克和酒井，其中凯斯使用了安迈的技术）在压路机上使用了ICMV技术。每个厂商都使用了独有的软件进行专有数据过滤、记录和显示，这些不同的ICMV系统的特点如表2所示。不同厂商的压路机配置及显示软件如图6～10所示。

研究：进展与发现

压实是道路施工过程中最重要的环节之一。路面材料需要达到最佳的密实度，才能保证充分的支撑力、稳定度与强度；高质量、均匀的压实是良好、持久的路用性能的保障。均匀性，是压实之关键。一般而言，压实质量控制（QC）、质量保证（QA）均需要做现场抽查（核子密度仪或无核密度仪）或者芯样测试。

然而，这些传统的密实度控制方法存在以下问题。

（1）现场抽查是在某些随机位置进行的有限测试，其结果无法代表整个路面区域。

（2）一些薄弱、不合格的压实区域在现场抽查中没有被发现。

（3）路面上部的密实度检测结果在表明整个路面结构能力时的作用有限。

结果是，路面可能没有被均匀压实，从而导致早期损坏和糟糕的长期使用特性。智能压实技术正是为了解决这些问题而研发的。

1974年，Heinz Thurner博士研究了通过在碾压机械上安置加速度传感器来检测土石料的压实状态，拉开了IC技术研究的序幕；1976年，瑞典的 Geodynamik与戴纳派克公司联合开发了压实计，提出用CMV值（即压实计值）控制土石料的压实状态；20世纪80年代初，宝马格推出具有开创性的创新成果——可以在工作期间检测土壤压实程度的测量系统Terrameter BTM 01，让公司成为全球压实控制系统的创新领导者；安迈公司基于上述成果，将土石料的刚度参数作为评价指标，其在碾压过程中对土石料刚度的连续测定被视为土石压实质量控制的重大突破。

直到1990年代，智能压实技术在美国才有了第一例应用，远远落后于欧洲和日本。2007年，为了证明IC技术是行之有效的，也为了给各州智能压实施工规范的进展提供支援，美国联邦公路管理局发起了一个联合资金交通项目（TPF）——“加快实施智能压实技术在路基土壤、骨料基层、沥青面层中的应用（Accelerated Implementation of Intelligent Compaction Technology for Embankment Subgrade Soils， Aggregate Base， and Asphalt Pavement Materials）”。2008～2010年，美国联邦公路管理局在佐治亚、印第安纳、堪萨斯、马里兰、明尼苏达、密西西比、纽约、北达科他、宾夕法尼亚、德克萨斯、弗吉尼亚、威斯康辛等12个州开展了16个演示工程和开放日活动，并且对各州工作人员、当地的土方/摊铺施工承包商进行培训。安迈、凯斯、宝马格、卡特彼勒、戴纳派克、酒井、沃尔沃、拓普康（TopCon）、天宝等设备制造商和组件供应商为这个长达3年的项目提供了智能压实设备与技术支持。

该项目的目标包括：向美国各州交通运输部门人员及道路施工承包商展示如何将智能压实技术应用于路基、底基层及热拌沥青混合料（HMA）压实；为各州交通运输部门建立智能压实技术的专业知识基础；促进智能压实质量控制（QC）规范的发展；明确智能压实技术需要改进之处及其优先次序，确定智能压实设备及数据分析的进一步研究方向。

以下为该项目的主要发现。

（1）IC技术对现有支承层的绘图可以有效地确定薄弱位置，便于在压实上层之前采取纠正措施。

（2）借助IC技术追踪碾压遍数与HMA表面温度，为在最佳温度范围内保持全面碾压的一致性提供了必要的手段。

（3）IC技术在保证夜间摊铺施工等能见度低的条件下的均匀压实方面尤其有利。

（4）IC技术对路面施工各阶段的责任均有深远的影响，最终帮助建造更好、质量更一致的公路。

（5）使用IC压路机绘制现有支撑材料的图像，可以在随后的HMA摊铺之前确定薄弱位置。IC现场演示工程也表明，薄弱位置难以达到理想的压实度，甚至可能会在施工车辆的作用下出现早期破坏。

（6）IC压路机（被设置为低振幅、低频率）的绘图已经成功地在碎石底基层、稳定土底基层以及铣刨之后的沥青路面上演示。

（7）由于有限的抽查和所测量特性的差异（比如物理特性和材料配比），ICMV与HMA芯样密度的相关关系并不一致。

（8）与ICMV和HMA芯样密度的相关关系相比，ICMV和基于FWD（落锤式弯沉仪）/LWD（轻型落锤仪）的弯沉值或模量之间呈现出更明显的线性关系。

（9）ICMV与核子密度仪（NG）或无核密度仪（NNG）测量值之间具有相对较低的相关关系，可能是因为：ICMV反映的是整个路面结构及下部支撑的刚度，而NG/NNG仅仅测量HMA层最上面的6 inch；在测量过程中，ICMV尚未考虑温度效应，NG/NNG测量则与HMA温度无关。

（10）使用多线性回归改进了ICMV与现场抽查的相关关系分析。这些分析表明，ICMV受到机器设置（如振幅、振动频率等）、下层结构状况、HMA温度等多重因素的影响。

（11）智能压实数据可以用来为某个特定项目的特定材料创建压实曲线，该曲线用于确定最佳碾压遍数，从而避免过压与欠压。

（12）智能压实数据可用于建立半变异函数，作为压实均匀性之度量。一般而言，后续碾压的均匀性有所增加。

应用：瑕不掩瑜

2014年，美国联邦公路管理局公布了一份应用笔记，里面记录了智能压实技术在阿拉斯加州锡特卡机场加铺工程中的应用。

该工程采取的施工方案为先铣刨0.5 inch原有路面，再加铺2.5 inch新面层。施工承包商Knik建设有限公司使用两台IC压路机（悍马HD+ 140 VO），并根据美国联邦公路管理局的IC规范施工，见图11。施工时间为每晚7点至次日早晨7点。两名压路机操作手均表示，夜间作业时，难以辨清碾压标线，要不是可以通过车载显示器实时掌握压路机的位置和碾压遍数，根本无法保证对沥青面层的完全覆盖。

每次换班的时候，会对IC数据进行采集。数据采集包括对IC系统的数据存储进行设置，以及使用U盘等将原始IC数据从压路机拷贝至其他电脑终端。根据数据分析量的不同，这个过程大致花费15～60 min。IC数据可以通过悍马的HCQ软件检视，然后输出为与Veta软件兼容的格式。Veta是一款基于地图的查看和分析地理空间数据的工具（图12），当前由明尼苏达交通运输部门（MnDOT）和TPF-5（334）号联合资金交通项目提供研发资金。它可以单独查看每一遍碾压、覆盖范围的一致性以及沥青混合料温度，还可以方便地读取压路机的速度、频率和振幅设置，执行统计分析也十分迅速。

根据规范，在正式施工之前，需要对交通部门和施工承包商的工作人员进行关于IC作业的课室培训，对压路机操作手进行现场培训。在开始摊铺之前，维特根的代表来到现场，对这个项目的质量控制经理进行一对一的培训，内容涵盖IC设备的调试、电脑端项目设置、HCQ软件的使用、数据传输和分析等。该经理还参加了美国联邦公路管理局组织的讨论会，学习如何使用Veta软件。在项目开始之前接受培训，施工方得以在开始摊铺作业之前学会使用IC设备。

压路机操作手起初并不负责设备或者电脑的调试，车载显示器也花费了他们一段时间去适应。几个小时后，两名操作手已经可以利用实时数据确保合适的碾压遍数（通过试验段确定）。使用IC设备数日后，他们开始学习如何在电脑软件上设置新的工程项目。一个星期后，两人均可以熟练地设置IC设备和相关的电脑软件。

最后，Knik站在施工方的立场，总结了使用IC设备的优势。

（1）通过GPS设备采集的碾压遍数实时数据，几乎消除了漏压某个区域的可能性，也有助于获得均匀的压实度。在夜间摊铺时，由于压路机标线几乎很难看清，压实遍数的绘图显得尤其重要。对于缺乏经验的压路机操作手来说，这也是一个优秀的训练工具。

（2）沥青混合料温度的实时数据，确保了摊铺机之下的沥青面层的温度一致。这对于获得均匀的压实度至关重要。

（3）当压实度不能满足要求时，可以通过检视压路机的所有设定（速度、频率、振幅等）、碾压遍数和温度记录，查找出现的问题。

（4）通过开始摊铺之前绘制的图像，可以确定现有路面的薄弱位置。

与此同时，他们也指出了IC设备的一些不足之处。

（1）IC还是一种相对较新的技术，在使用过程中，有好几次因为IC系统崩溃而不得不重新启动。新系统的Bug给压路机操作手带来了不便。

（2）每个项目都会生成海量数据，如果不每天都进行采集与分析，这些数据很快就会达到难以控制的地步。这无疑增加了施工方的负担。

（3）ICMV值（劲度模量/刚度指数）与密实度之间并无关联，也根本无法区分沥青层刚度和下层材料刚度。这些ICMV值取决于压路机的设定，为了进行ICMV值的比较，在项目的整个施工过程中，速度、频率和振幅必须保持不变。

总体而言，施工承包商Knik建设有限公司对这次的IC技术体验持正面评价，并且表示将会在其他项目上继续使用该技术。

根据Intelligent Compaction网站的信息（图13），为了推广IC，2004～2015年，美国一共在177个项目中使用了该技术及相应的设备；2016年，有55个IC项目被各州、县列入计划中。

IC技术：价值已经得到证实

2014年，建设创新论坛（CIF）把年度新星奖（Nova Awards）颁给了智能压实技术。新星奖是对那些已经被证实可以改善建设质量或者降低建设成本的技术的认可。智能压实技术的入选理由是——“在改善压实质量、一致性和均匀性方面，智能压实的作用是其他技术无法比拟的。”

在2015年的沥青大世界展会（World of Asphalt）上，沃尔沃建筑设备推出了他们的第一个智能压实系统——Density Direct。该智能压实系统可以实时显示密实度计算结果，预示着智能压实技术在走向成熟的道路上又迈出了一大步。密实度算法及其在柔性路面上的使用是俄克拉荷马大学的专利，沃尔沃建筑设备与该大学合作，并且取得了对这一技术进行商业化的专有权利。

沃尔沃建筑设备的Density Direct与其他智能压实系统的重要区别在于，它可以实时显示密实度的计算结果（利用路面空隙率），而后者往往只提供基于材料刚度计算结果的智能压实测量值（ICMV）。Density Direct获得了《装备世界》（Equipment World）杂志的2016年创新奖，该杂志的编辑Chris Hill称，“沃尔沃建筑设备的智能压实系统让路面压实度终于不用靠‘猜了。”

和其他新兴技术一样，智能压实也有尚待解决的问题。不过，虽然智能压实还远远算不上业已充分发展，但是仍不失为压实技术的一大进步，故越来越多施工单位提出了将智能压实技术应用到工程项目中的要求，设备制造商也闻风景从，纷纷推出或者升级其智能压实系统与设备。

基于以上事实，我们现在可以大胆地下结论——IC技术虽然还不够完美，但是其价值已经得到证实。它需要的，只是更多机会。