适用于土石混填路基的智能压实技术应用研究

周毅恒 赵国强 张宏杰

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804； 2.上海城建市政工程(集团)有限公司 上海 200065)

在山岭、丘陵等地区修筑公路时，为遵循经济原则，往往就地取材，采用隧道、边坡开挖时得到的土石混合料填筑路基的方法得到了广泛的应用。土石混填路基压实过程中，由于粒径变化较大、含水状态不稳定等特点[1]，如果仍采用适用于细粒土的传统压实质量检测方法和评价标准，易产生压实不均匀、压实度不足等问题，而路基强度不足又是造成路面早期破坏(开裂、沉陷)的重要原因，往往引发工后不均匀沉降，路面结构损坏等病害；同时，传统检测方法还具有取样少、代表性差、滞后等缺点。

而随着我国智能化与信息技术的不断发展，一种在路基压实施工过程中，旨在通过分析压路机振动轮运动特性，实现对路基压实质量实时、全面检测的智能压实技术开始出现[2-3]。智能压实技术本质上是根据分析的振动响应获得智能压实测量值，识别连续分布的物理或力学量，进而直接指导施工，以得到更好的压实质量[4]。智能压实技术相对于传统的质量监测方法具有实时、全面的优势，但需要进行相关性校验，通过建立与常规质量验收指标之间的相关关系，得到回归公式，计算出目标控制值后，才能对路基压实质量进行评价与控制。目前，在我国的铁路路基与大坝施工中，智能压实技术应用广泛[5]。但适用于道路路基的智能压实技术研究还不够成熟，仍处于发展进程中。

土石混填路基填筑施工时，由于土石混填料的离散性大，容易造成压实质量控制难度大。本文依托某高速公路路段路基填筑工程，研究适用于土石混填路基的智能压实技术的应用，甄选与压实控制质量相关性较高的智能压实指标，与常规验收方法得到的回弹模量指标建立相关关系，计算得到目标控制值，实现实时监控和反馈施工控制[6-7]。

1 智能压实技术优化

1.1 技术原理

智能压实技术是指在填筑体填筑碾压过程中，根据土体与振动压路机相互动态作用原理，通过测量振动压路机振动轮竖向振动响应信号，采用适合于连续碾压质量控制要求的压实质量实时评估指标，建立检测评定与反馈控制体系，实现对整个碾压面压实质量的实时动态监测与控制。并根据路基实际压实情况，调整碾压机械的碾压参数(速度、频率、振幅等)，从而实现在线监控和反馈指导施工。智能压实系统工作原理见图1。

图1 智能压实系统工作原理

针对土石混填路基填料变异性大，压实不均匀的问题，在压实施工过程中，应对压实均匀性严格控制，因此通过智能压实技术采集的振动信号建立监测评定体系。为了对压实均匀性有较为可靠的反映，本文甄选Evib和CMV2个指标进行相关性试验。Evib采用弹性半空间理论下的集中参数模型，通过振动轮对土体加载过程中的受力变形曲线斜率表征土体刚度，进而得到Evib，称为振动模量。其计算方法见式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：b为振动轮与土体(沿压路机行进方向的)接触宽度，m；R为碾压轮半径，m；L为碾压轮(垂直于压路机行进方向的)宽度，m；zd为土体变形量，m。

谐波比CMV是早期用于智能压实测量的经验类指标，一般采用式(4)方法计算。

(4)

式中：A0为加速度振幅，m/s2；A1为加速度一次谐波分量的振幅，m/s2。

1.2 设备集成

智能压实检测实质上记录的是振动碾压过程中振动轮的运动状态，即振动轮的动态响应信号。优良的智能压实设备系统是实现精确连续压实质量控制的关键。本试验采用的智能压实系统由传感及解调模块(加速度计及解调仪)、高精度定位模块(GPS天线及定位接收机)、计算机分析，以及可视化模块(工业平板)3部分组成，其组成示意见图2。

图2 智能压实系统组成

对土石混填路基进行碾压时，压路机振轮的加速度变化较大，相较于细粒土路基有较大不同。所采用的加速度计是独立研发的适用于土石混填路基加速度采集的传感器和配套解调仪，具有体积小、质量轻、适用频率范围广、量程大、易于固定安装等优点。传感器配套有安装底座，可以通过螺丝快速固定于振动轮侧面轮轴处。

GPS定位模块主要用于对压路机振动轮位置精确定位，以便将智能压实测量值数据与振动轮碾压位置联系起来。土石混填路基碾压填筑时，对整个路段的压实均匀性控制有较高要求，因而对GPS定位模块的精度也有较高要求，以便于对压实薄弱与不均匀的区域定位及绘制压实状况图。

计算分析模块由工业平板和内置的连续压实控制软件组成，见图3。

图3 智能压实控制计算机可视化

在对路段智能压实控制时，工业平板置于振动压路机驾驶室内。智能压实软件用于对采集到的振动加速度信号进行分析，根据内置算法计算连续压实控制指标值，并结合GPS定位数据将各点的指标值储存在硬盘中或发送至云数据库，针对土石混填路基易产生压实不均匀的特殊性，实时快速地将碾压状况渲染为压实状况图，可用来实时评价压实均匀性，为驾驶员提供实时指导。

1.3 现场应用

智能压实技术尚未产生规范的、应用于土石混填路基的压实验收测量值指标。针对土石混填路基，使用智能压实测量值指标控制压实质量时，所采用的做法是：设立试验段，并选定合适的传统压实度或强度测试方法；初步选定智能压实测量值指标，并进行与传统指标的相关性标定试验；建立传统测试指标与智能压实测量值指标相关性，进而实现智能压实在相关路段的大规模应用。其具体的技术操作流程见图4。

图4 土石混填路基智能压实技术操作流程

1) 选定智能压实测量值指标及传统压实度或模量测试方法，用于标定智能压实测量值指标。针对土石混填路基，选用PFWD测试方法得到的回弹模量能更真实反映土体刚度。

2) 划定试验段，设计相关性试验，建立智能压实测量值指标与传统压实指标的相关性，由于土石混填路基压实过程中变异性较大，进行标定试验时应注意碾压材料及振动碾压参数应保持与后续压实一致。

3) 确定压实达到要求时传统检测指标的检测结果，并根据建立的相关性确定相应的智能压实测量值指标目标值；针对土石混填路基，甄选出应用效果最好的智能压实指标。

4) 根据确定的目标值进行智能压实控制，对压实薄弱或不均匀区域采取补压等必要措施。

5) 所有碾压区域到达智能压实要求后，选取压实测量值最小的区域，根据规范在智能压实测量值指标较小的区域进行压实验收。

2 智能压实技术适用性验证

2.1 试验工程概况

试验以浙江省杭绍台高速公路工程为依托展开，试验段位于台州段二标段二工区，路基施工类型为高填方土石混填路基，且试验段内存在填挖交界路段。标定试验段选取总长约150 m的路段，进行智能压实技术在土石混填路基的适用性验证现场研究。

通过现场和室内试验确定填筑材料的基础物理性参数，包括液限、塑限、塑性指数、最佳含水率、最大干密度、筛分颗粒含量(主要以大于5.0 mm颗粒含量的质量分数表示)以及最大颗粒直径等，结果见表1。

表1 填筑材料物理性参数

2.2 试验方案

本试验分别采用智能压实指标Evib和CMV，与传统的原位测试值建立相关性进行标定，以此确定智能压实技术的适用性。在150 m的试验段内，根据压路机振轮宽度尺寸，将试验区分为宽约2 m的矩形试验带作为标定区，试验区一侧每隔5 m设观测点，每条试验带共设15个测点，在试验带一侧用标杆标记，用于确定传统检测方法的测试位置，其试验段及测点示意见图5。本试验传统的原位测试值选用路基动态变形模量Evd。路基动态变形模量是路基中一点的动应力与动应变之比，它反映了路基承受动态作用荷载的能力，可通过便携式落锤弯沉仪测得。

图5 试验段及测点分布示意图

现场路基施工每层填筑厚度为40 cm。试验时先由推土机将填料整平，再由振动压路机按设定的振动参数进行振动碾压。压路机在碾压过程中智能压实控制系统实时记录智能压实测量值，每遍碾压结束后，在测点标记位置进行原位测试，为了解决由于智能压实测量值和路基动态变形模量测点标记位置难以重合的位置，采用GPS定位法精确定位。在手持式GPS定位系统和压路机GPS定位系统重合位置，测定各检测点的Evd，当测试结果达到要求时，即停止碾压。相关性标定试验完成后，建立2种智能压实测量值指标与Evd的相关关系，并分析其相关性优劣，选择较优指标用于后续试验结果分析。

2.3 试验结果

2.3.1相关性建立

根据现场试验，采集所有数据进行汇总，在足够样本数据的支撑下，结合相关性理论分析方法。将2种智能压实测量值指标在所有测试工况中得到的数据汇总后，按最小二乘法进行回归，分别得到2个指标的总体相关性。得到相同工况下CMV及Evib与Evd的相关性，见图6。

图6 相关性分析结果图

由图6可见，CMV与Evd的相关系数R2=0.60，Evib与Evd的相关系数R2=0.78，说明Evib在土石混填路基上与Evd的相关性明显优于CMV与Evd的相关性。适用于土石混填路基的智能压实技术宜采用模量类指标Evib作为智能压实测量值指标与模量类测试方法(PFWD、FWD、承载板试验等)测得的动态模量建立相关性，可以得到更好的智能压实控制效果。

2.3.2压实质量评价

参考JTG/T 3610-2019 《公路路基施工技术规范》，确定终压路基模量Evd的控制值为60 MPa。结合相关性分析结果，对应的Evib标定值为10 MPa。即当智能压实测量值Evib大于10 MPa，可认定路基强度已达到控制要求。将压实区域实测Evib值与换算后的标定值进行比较，得到所有压实区域中薄弱区，并针对性采取补压措施。

3 结论

1) 在国内，智能压实应用于土石混填路基施工的研究还在发展阶段，相应的理论和研究还未达到成熟水平，需进行更多的实践，寻求智能压实技术在土石混填路基填筑工程中更好的运用手段与应用效果。

2) 智能压实技术应用于土石混填路基填筑时，压实过程中测得的各种数据，采用最小二乘法与路基动态变形模量进行回归分析，与路基压实质量建立相关性，用于后续智能压实过程均匀性控制与压实质量评价。

3) 适用于土石混填路基的智能压实技术中，Evib与Evd的相关性相较于CMV，优势比较明显，因此Evib指标更适用于土石混填路基的智能压实技术。经过试验，对试验段土石混填路基压实质量控制值进行确定，Evib标定值为10 MPa。