連續(xù)壓實控制技術(shù)發(fā)展綜述

徐光輝，雒澤華，田 波

1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031

2. 中國工程機械工業(yè)協(xié)會路面與壓實機械分會，北京 100101

3. 交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088

連續(xù)壓實控制技術(shù)發(fā)展綜述

Summary of Development of Continuous Compaction Control Technology

徐光輝1，雒澤華2，田 波3

1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031

2. 中國工程機械工業(yè)協(xié)會路面與壓實機械分會，北京 100101

3. 交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088

0 引言

填筑工程是指將建筑材料（巖土、水泥、瀝青等）按照一定要求堆積并經(jīng)過壓實機具（壓路機）碾壓而成的土工結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，覆蓋鐵路、公路、機場、大壩、市政、港工等諸多領(lǐng)域。決定填筑工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素是填料組成和碾壓控制。在控制好填料質(zhì)量的前提下，工程質(zhì)量的焦點集中在壓實質(zhì)量控制上。壓實質(zhì)量不好的填筑體會造成嚴(yán)重的工程隱患和后果。傳統(tǒng)的壓實質(zhì)量控制方法以“點”式抽樣檢驗為主，由于其固有的局限性，已成為制約壓實質(zhì)量，特別是壓實均勻性的瓶頸。而連續(xù)壓實控制作為一類新的壓實質(zhì)量控制方法，由于能夠克服傳統(tǒng)檢測方法的弊端，實現(xiàn)碾壓面的全覆蓋式檢測和控制，因而得到了國內(nèi)外的廣泛重視。

所謂連續(xù)壓實控制（CCC），是指在填筑碾壓過程中，根據(jù)填筑體與振動壓路機相互動態(tài)作用的原理，通過連續(xù)量測振動壓路機振動輪豎向振動響應(yīng)信號并進行技術(shù)處理，建立檢測評定與反饋控制體系，實現(xiàn)對整個碾壓面壓實質(zhì)量的實時動態(tài)監(jiān)測與控制。其基本工作原理是：將振動傳感器置于振動壓路機的振動輪上，其他處理和顯示裝置放在振動壓路機的駕駛室內(nèi)，通過對振動輪動態(tài)響應(yīng)的實時量測與處理，得到與填筑體壓實質(zhì)量有關(guān)的參數(shù)，并實時顯示在駕駛室的顯示裝置上，從而實現(xiàn)在碾壓過程中的連續(xù)控制。隨著不同量測方法和設(shè)備的出現(xiàn)，連續(xù)壓實控制被分為多種方法，各有其特征。

目前以振動壓路機為工具來檢驗壓實質(zhì)量的方法，世界上公認的稱謂為“連續(xù)壓實控制”，美國則將其稱作“智能壓實（IC）”。本文將對連續(xù)壓實控制技術(shù)的發(fā)展歷史、方法、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用和存在的問題等進行概要性論述，以便使讀者對這項技術(shù)的全貌有一個綜合性的了解。

1 連續(xù)壓實控制技術(shù)的發(fā)展歷史

1.1 初期

早在20世紀(jì)60年代，美國就有人產(chǎn)生了利用振動壓路機碾壓過程中的振動反應(yīng)信息來評定和檢測壓實質(zhì)量的想法，但由于受電子量測技術(shù)的限制，一直沒能得到實現(xiàn)。進入70年代，瑞典人將這種想法變成了現(xiàn)實。1975年，瑞典的GEODYNAMIK與DYNAPAC公司聯(lián)合開發(fā)了一種壓實計產(chǎn)品，初步實現(xiàn)了連續(xù)壓實檢測與控制。

壓實計可以在振動壓路機碾壓過程中進行量測，在施工過程中對壓實質(zhì)量進行連續(xù)的控制，因此是一種覆蓋全面的連續(xù)控制方法。盡管后來證明這種方法存在許多局限性，但利用振動壓路機碾壓過程中的振動進行連續(xù)測試，應(yīng)該說是一種思維方式的轉(zhuǎn)變，其思想是先進的。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)形成期

進入80年代后，北歐一些國家陸續(xù)加入到研究之中，從方法原理、量測設(shè)備、處理軟件和標(biāo)準(zhǔn)等多個方面進行了廣泛的研究。于90年代初期正式提出了“連續(xù)壓實控制”的概念，并在一些實際工程中進行了應(yīng)用。

從90年代開始，這項技術(shù)已陸續(xù)被歐洲一些國家納入有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，如：瑞典的BYA92、ATB V g 2004，德國的ZTVE-StB-93（94、95、2007、2009）、TP BF-StB E2 94，芬蘭的Tielaitos91，奧地利的RVS 8S.02.6等。法國、荷蘭、愛爾蘭等國家也正計劃將其納入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中。2011年中國頒布了首部連續(xù)壓實控制技術(shù)的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB 10108—2011。據(jù)了解，歐盟正在制定歐洲統(tǒng)一的連續(xù)壓實控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，美國也在研究制定標(biāo)準(zhǔn)中。

1.3 發(fā)展期

進入21世紀(jì)以來，研究的重點已轉(zhuǎn)移到如何進行智能壓實的方向——壓路機如何自動調(diào)頻、調(diào)幅以適應(yīng)填筑體的變化。將CCC技術(shù)與壓路機振動工藝參數(shù)調(diào)節(jié)功能結(jié)合起來又稱作“智能壓實（IC）”，是CCC技術(shù)與壓路機進一步結(jié)合的產(chǎn)物，被歐美譽為筑路技術(shù)的“第三次革命”。德國BOMAG公司在這方面處于領(lǐng)先水平，盡管還存在諸多問題，但其思想是先進的，初步實現(xiàn)了智能壓實的想法。

此外，隨著CCC技術(shù)在歐洲一些工程中的應(yīng)用，特別是在相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定以后，美國有關(guān)部門（主要為聯(lián)邦公路局等）也開始關(guān)注這項技術(shù)。從2000年起開始有使用這項技術(shù)的相關(guān)報道。2004年12月，美國聯(lián)邦公路局公布了一個“FHWA智能壓實戰(zhàn)略計劃”，主要是通過利用計算機、模型和革新軟件，將用于土和瀝青的壓實設(shè)備智能化，以達到改善工序、使路面性能更均勻、減少人員、提供長期的壓實質(zhì)量記錄等目的。這個計劃將建立一套系統(tǒng)的方法，鼓勵工業(yè)和交通部門發(fā)展智能壓實技術(shù)，更新有關(guān)建筑標(biāo)準(zhǔn)等。2005年3月，美國明尼蘇達州的交通研究部門和聯(lián)邦公路局（FHWA）根據(jù)工程實踐中的具體應(yīng)用情況，并經(jīng)過獨立的測試，給出了CCC技術(shù)的論證報告。該報告指出：自2000年以來，美國已有北卡羅萊納州、威斯康星州和路易斯安那州的交通部門以歐洲的CCC技術(shù)為基礎(chǔ)，啟動了國家資金項目，旨在為美國的建筑業(yè)建立連續(xù)壓實控制技術(shù)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。美國的發(fā)展目標(biāo)是，利用CCC技術(shù)推動智能壓路機的進步。

2 主要方法與應(yīng)用條件

連續(xù)壓實控制目前主要有兩類方法，其一是基于壓路機振動響應(yīng)信號的諧波比（以及修正）、評定指標(biāo)為無量綱量的經(jīng)驗方法；其二是基于力學(xué)原理、評定指標(biāo)為具有明確物理意義的力學(xué)量的力學(xué)方法。

2.1 經(jīng)驗方法

經(jīng)驗方法就是壓實計方法，是通過判別振動輪動態(tài)響應(yīng)信號的畸變程度來評定被壓填料的壓實質(zhì)量，而信號畸變程度是通過振動輪響應(yīng)信號的基頻與一次諧波的比值來給出的（諧波比原理），但是為什么采用這種諧波比值，并無理論上的依據(jù)可循，只能說是一種經(jīng)驗法而已。實踐表明，這種方法對于碾壓某些填料（一般為細粒料）時有一定的控制效果，可能采用DYNAPAC壓路機進行控制時效果會更好一些。

目前，在歐洲已經(jīng)很少有人研究這種方法了，但在美國和中國仍然有人研究和使用，其用途已有所改變，主要用于對碾壓遍數(shù)的控制。此外，由于這種原理的控制方法缺少必要的控制信息，故很難用于智能壓路機上。

2.2 力學(xué)方法一

這種力學(xué)方法是由德國BOMAG提出的，其評定指標(biāo)為填筑體的振動模量。公開的一些資料顯示，德國初期也是采用壓實計方法判斷壓實質(zhì)量的，只不過所乘系數(shù)不同而已。后來又提出一個基于能量概念的指標(biāo)BTM（也稱作OMEGA），是無量綱量的。目前，中國有些進口壓路機上仍有此設(shè)備，可以提示壓路機駕駛員當(dāng)前碾壓輪跡的大致情況，用于碾壓過程的監(jiān)測，屬于早期產(chǎn)品。在20世紀(jì)90年代末期，其相關(guān)研究開始由諧波比指標(biāo)向具有力學(xué)意義的指標(biāo)（如剛度系數(shù)和彈性模量）轉(zhuǎn)化。評定指標(biāo)主要是根據(jù)振動壓路機與填筑體之間的相互作用、采用有關(guān)力學(xué)理論進行復(fù)雜的推導(dǎo)和計算得到的，以此指標(biāo)進行壓實質(zhì)量控制。

以振動模量為特征的力學(xué)方法要求振動壓路機的振動輪位移與填筑體的變形相協(xié)調(diào)（即緊密接觸、無彈跳現(xiàn)象），這是一般振動壓路機很難達到的，需要專用智能壓路機才能避免彈跳問題，因此這種方法一般都與特定壓路機捆綁在一起使用，并且此類產(chǎn)品價格昂貴。

2.3 力學(xué)方法二

動力學(xué)是本研發(fā)團隊于1998年提出的，評價指標(biāo)為填筑體結(jié)構(gòu)抗力。其基本原理是：將填筑體的振動碾壓看作是一種動態(tài)試驗過程（振動壓實試驗），振動壓路機為動態(tài)加載設(shè)備；在碾壓過程中，振動輪同時受到來自機械設(shè)備本身的激振力和填筑體結(jié)構(gòu)體的抵抗力（反力）作用，二者的共同作用引起振動輪的振動響應(yīng)。根據(jù)動力學(xué)和系統(tǒng)識別原理，可以通過對振動輪動態(tài)響應(yīng)的實時量測、處理以及實際修正，得到填筑體結(jié)構(gòu)抗力指標(biāo)，從而進行相應(yīng)的壓實質(zhì)量控制，一般適用于振動性能穩(wěn)定的壓路機。

2.4 其他方法

除了上述幾種方法外，國內(nèi)外很多研究者也在積極探討其他新方法和新指標(biāo)，如采用振動輪加速度、速度或位移以及時間序列等進行控制，或針對壓實計值（諧波比）進行修正，但大部分限于發(fā)表論文，在實際工程中進行應(yīng)用的報道很少。

2.5 應(yīng)用條件

對于填筑工程的壓實控制來說，無論采用何種控制方法，其結(jié)果應(yīng)具有一致性，否則就會引起施工質(zhì)量控制管理的混亂。連續(xù)壓實控制技術(shù)之所以得到認可，也正基于這一點，這也是可以應(yīng)用在工程中的必要條件之一。因此，對于連續(xù)壓實控制而言，無論采用哪種具體方法，事先都必須檢驗連續(xù)控制結(jié)果與常規(guī)檢測結(jié)果（各種模量、彎沉、地基反力系數(shù)、壓實度等）之間的一致性，這也是衡量這項技術(shù)是否可以應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

連續(xù)壓實控制與對比試驗

如何衡量這種一致性，各國規(guī)范都進行了規(guī)定，可以采用相關(guān)校驗試驗（對比試驗）進行。一般取9～18組對比試驗數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計方法，計算兩種試驗結(jié)果的相關(guān)系數(shù)，達到一定要求時便可以應(yīng)用。瑞典規(guī)范規(guī)定連續(xù)指標(biāo)與常規(guī)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)不小于0.60時可以使用（主要是對壓實計方法而言的），其他國家都規(guī)定相關(guān)系數(shù)不小于0.70時方可使用。

3 在中國的發(fā)展與應(yīng)用情況

3.1 初期引進與仿制

20世紀(jì)80年代，中國一些專業(yè)書籍中開始介紹瑞典壓實計方法，并試圖在填筑工程中進行應(yīng)用。中國水電部門曾引進和仿制瑞典壓實計，在一些大壩上嘗試應(yīng)用，但沒有得到推廣，可能與壓實計評定指標(biāo)與常規(guī)檢測指標(biāo)之間沒有較好的相關(guān)性有關(guān)。同一時期，一些公路部門也不斷嘗試在路基填筑碾壓過程中采用壓實計方法進行壓實質(zhì)量控制，但由于壓實計評定指標(biāo)與壓實度之間沒有什么相關(guān)性，兩種結(jié)果缺乏一致性，導(dǎo)致推廣工作受阻，得不到工程界的認可。此外，一些壓路機廠商也曾嘗試在振動壓路機上加裝壓實計產(chǎn)品，基本是以仿制的為主，甚至采用一些縣級電子廠生產(chǎn)的壓實計產(chǎn)品，完全把這項技術(shù)看作是一個普通電子產(chǎn)品，結(jié)果可想而知。

中國連續(xù)壓實控制的歷史在某種程度上可以說就是壓實計方法不斷嘗試應(yīng)用的歷史。這種現(xiàn)象一直持續(xù)到21世紀(jì)初，乃至現(xiàn)在。出現(xiàn)這種局面的主要原因與壓實計原理比較簡單、易于仿制有關(guān)；而力學(xué)類方法涉及的理論和測試技術(shù)較復(fù)雜，如果不進行深入的理論研究和大量工程實踐，是很難掌握和仿制的。截止到目前，無論是在公路還是鐵路領(lǐng)域，仍然存在應(yīng)用壓實計產(chǎn)品的現(xiàn)象，其中有少部分是出于研究目的，更多的則是國內(nèi)外廠商出于商業(yè)目的，動用種種資源進行的強行推廣，但用途已有所改變，不再是連續(xù)壓實控制，而是數(shù)字化施工了，主要以控制碾壓遍數(shù)和三維坐標(biāo)定位（高精度GPS）為主。

正因為存在上述這些問題，導(dǎo)致很多人特別是公路界人士錯誤地認為連續(xù)壓實控制就是壓實計控制，對這類方法產(chǎn)生疑慮，在一定程度上也推遲了這類技術(shù)在中國的推廣應(yīng)用[1]。

3.2 自主研發(fā)與建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

針對壓實計方法的局限性，國內(nèi)很多研究者都進行了探索性研究，但研究成果以發(fā)表論文的居多。本研發(fā)團隊1993年承擔(dān)了公路領(lǐng)域第一個連續(xù)壓實控制方面的科研項目，拋棄了壓實計方法只對壓路機響應(yīng)信號進行信號處理的思路，提出了基于評定和控制路基填筑體結(jié)構(gòu)抵抗力的動力學(xué)方法，承擔(dān)并完成了東北三省、交通部、鐵道部和國家自然科學(xué)基金在內(nèi)的十余項科研項目。在二十余年的研發(fā)過程中，從理論體系、測試技術(shù)、工程應(yīng)用到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進行了一系列的獨立研究與開發(fā)，形成了一套具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系。以動力學(xué)方法為基礎(chǔ)，本研發(fā)團隊2011年主編了中國首部連續(xù)壓實控制技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程》（TB 10108—2011）[2]，2015年主編了中國鐵路總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程》（Q/CR9210—2015）[3]，目前正在主持編寫交通部有關(guān)連續(xù)壓實控制方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

在鐵路路基連續(xù)壓實控制標(biāo)準(zhǔn)中，主要規(guī)定了實施的4個步驟：設(shè)備檢查，規(guī)定使用前對振動壓路機的振動性能等進行檢測，且檢測結(jié)果必須符合要求；相關(guān)校驗，建立常規(guī)檢測指標(biāo)與連續(xù)指標(biāo)（VCV）之間的相關(guān)性，只有滿足要求（相關(guān)系數(shù)不小于0.70）才可以采用；過程控制，規(guī)定了如何在填筑碾壓過程中進行壓實程度、壓實均勻性和壓實穩(wěn)定性的控制；質(zhì)量檢測，給出如何確定壓實薄弱區(qū)的方法和在該區(qū)進行常規(guī)檢驗的原則。

3.3 連續(xù)壓實控制系統(tǒng)及功能

連續(xù)壓實控制系統(tǒng)主要包括加載設(shè)備（振動壓路機）、量測設(shè)備、控制軟件和壓實信息管理平臺（后臺與遠程）。從20世紀(jì)80年代起，眾多廠家對這類技術(shù)的量測設(shè)備都進行過研制，但由于具體方法的不同，大部分的測試效果都不十分理想，甚至帶來了負面效果。究其原因，主要還是所建立的連續(xù)評定指標(biāo)存在缺陷，此外對存在的“測不準(zhǔn)”現(xiàn)象沒有很好地把握。實際上，量測設(shè)備只是獲取相關(guān)壓實信息的技術(shù)手段，相對還是比較容易實現(xiàn)的，關(guān)鍵在于所建立的技術(shù)原理是否可靠，對散體壓實成型的技術(shù)特征和專業(yè)知識是否有深入的理解和正確把握。不管是哪類方法，一個優(yōu)良的連續(xù)壓實控制系統(tǒng)一般需要實現(xiàn)以下功能。

（1）碾壓全過程管理與監(jiān)控。實時監(jiān)控碾壓時間、遍數(shù)、層數(shù)、長度、寬度等與施工管理密切相關(guān)的諸多參數(shù)。根據(jù)相關(guān)信息生成施工進度圖，有效地進行工程管理。

（2）壓實工藝監(jiān)控。目前有些振動壓路機的振動性能并不穩(wěn)定，常常出現(xiàn)激振力急劇下降和明顯波動的情況，影響壓實和控制效果。需要根據(jù)相關(guān)壓實信息，實時監(jiān)控壓路機振動性能是否平穩(wěn)，并提供相應(yīng)預(yù)警。

（3）壓實程度控制。壓實程度是最重要的控制要素之一。在碾壓過程中，按照設(shè)定的目標(biāo)值，可以實時地連續(xù)監(jiān)控填筑體的壓實程度（圖1（a）），及時給出壓實質(zhì)量平面分布圖，便于現(xiàn)場管理和質(zhì)量控制。

（4）壓實穩(wěn)定性控制。碾壓遍數(shù)不是一個定數(shù)，它會隨壓實工藝和填料等發(fā)生變化。通過壓實狀態(tài)的變化信息可以判定壓路機的壓實功效是否發(fā)揮到最大、壓實是否穩(wěn)定（圖1（b））。其目的在于優(yōu)化壓實遍數(shù)，避免“過壓”和“欠壓”現(xiàn)象的發(fā)生。

（5）壓實均勻性控制。碾壓面性狀的不均勻分布不但會導(dǎo)致將來發(fā)生不均勻的沉降變形，還存在驗收不合格的風(fēng)險。因此需要根據(jù)壓實信息進行判定和控制，使整個碾壓面處于比較“均勻”的壓實狀態(tài)。

（6）最小風(fēng)險控制驗收檢驗。傳統(tǒng)的抽樣檢驗點不一定正好選在壓實薄弱區(qū)域上，因而可能會造成“漏檢”現(xiàn)象，而最小風(fēng)險控制的核心是選取壓實薄弱區(qū)域進行常規(guī)驗收檢驗，最大程度地降低常規(guī)檢驗不合格的風(fēng)險。

3.4 工程應(yīng)用

連續(xù)壓實控制技術(shù)在中國的應(yīng)用是從20世紀(jì)80年代開始的，但大多以試驗性應(yīng)用為主，沒有真正用于生產(chǎn)實踐。這項技術(shù)的正式應(yīng)用還是從鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頒布（2011年）開始的。目前這項技術(shù)已在滬昆高鐵貴州段、呼準(zhǔn)鄂鐵路、京沈高鐵、石濟高鐵等項目中開始了普遍應(yīng)用。在使用過程嚴(yán)格執(zhí)行了連續(xù)壓實標(biāo)準(zhǔn)。2013年3月，由原鐵道部簽發(fā)的鐵總辦[2013]3號文件把“連續(xù)壓實控制技術(shù)”作為四項新技術(shù)之一，計劃在中國鐵路建設(shè)中全面采用。目前很多計劃開工的鐵路項目，都在招標(biāo)文件里明確了必須采用連續(xù)壓實控制技術(shù)的相關(guān)規(guī)定。這些舉措將對提高中國鐵路路基整體工程質(zhì)量起到促進作用。

圖1 連續(xù)壓實控制的壓實成果

此外，近年來連續(xù)壓實控制技術(shù)在公路、機場、水壩等建設(shè)中也有一些應(yīng)用，但控制內(nèi)容可謂五花八門，這與沒有統(tǒng)一規(guī)定有關(guān)，因此建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是下一步要做的重點工作。

4 結(jié)語

本文對連續(xù)壓實控制技術(shù)進行了綜合性論述，限于篇幅，很多問題沒有展開論述和分析，留待以后逐步解決。連續(xù)壓實控制技術(shù)的推廣應(yīng)用，首先對各類填筑工程的碾壓質(zhì)量控制大有好處，可以打破“只重視結(jié)果驗收，不重視過程控制”的固有的陳舊觀念，使工程質(zhì)量得到更大的提高；其次可以在一定程度上推進振動壓路機的科技進步，向著“智能碾壓”的方向發(fā)展，帶動產(chǎn)業(yè)的升級換代，使中國的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)有機會、有能力走向國際。

目前這項技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，正在實現(xiàn)壓實信息的遠程傳輸和監(jiān)控，使工程管理者可以遠程及時查看現(xiàn)場施工碾壓信息，掌控工程質(zhì)量，真正做到信息化施工和管理，提高填筑工程的施工和管理水平。相信隨著技術(shù)的成熟、相應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善，這項技術(shù)必將在中國相關(guān)領(lǐng)域得到更好的發(fā)展。

[1]徐光輝. 中國交通領(lǐng)域連續(xù)壓實控制發(fā)展概述[J]. 建設(shè)機械技術(shù)與管理, 2014(8):43-45.

[2]TB 10108—2011.鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程.

[3]Q/CR9210—2015.鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程.

國家自然科學(xué)基金項目（51178405）