隧道棄渣填筑高速公路路基及壓實度的測定

高宇

摘要：利用隧道棄渣作路堤填料，不僅可降低公路建設成本，還可保護當地的生態環境，具有顯著的經濟與社會效益。本文提出用隨車式壓實度實時連續檢測系統來測量路基的壓實度，其優點在于方便、快捷、準確的對壓實度進行全面連續檢測，以便于進行壓實質量控制。該成果可直接應用于路基土壓實工程，可提高壓實效率，減輕壓實度檢測工作量，便于壓實質量控制。

關鍵詞：隧道棄渣；壓路機；檢測；壓實度；加速度

1.概述

隨著國家西部大開發的不斷推進和國家高速公路網的不斷完善，山區高速公路建設越來越多，在不同地區高速公路建設過程中橋隧所占比例逐步提高。然而這些隧道所產生的大量棄渣，常見的處理方法是簡單的將隧道棄渣堆砌，堆放于公路路基兩側或附近臨河、溝谷區域，這種方式不僅占用了大量的土地資源，也對當地的自然環境造成了極大的破壞，增大水土流失、破壞植被、預埋安全隱患。因此，將這些隧道棄渣重新利用，對于公路建設的成本降低、生態環保具有重要意義。

對于在公路施工中，壓實是整個工序至關重要的一環，壓實度是否合格是判定工程質量優劣的一條重要標準 。傳統的壓實度檢測技術存在一些缺點，如取樣點少、代表性差，不能提供全面的壓實信息；費工、費時、勞動量大、費用昂貴；需要熟練的操作技巧，試驗結果復現性差；無法在壓實過程中測量或估計壓實的程度，壓實不足或壓實過度，所以人們一直在尋求一種能夠在壓實過程中連續對壓實度進行測量的方法。本文提出隨車式壓實度實時連續檢測系統，利用ICP 加速度傳感器連續測量路基壓實度，并通過實驗來驗證該方案的可行性 。

2.理論分析

壓實過程就是增加單位體積內土壤顆粒的數量，減少孔隙率的過程。

振動壓路機在作業時，因振動輪的振動使其對鋪層材料作用一個往復沖擊力，振動輪對鋪層每沖擊一次，被壓實材料中就產生一個沖擊波。同時，這個沖擊波在被壓實的材料內沿著縱深方向擴散和傳播，被壓實材料顆粒之間的摩擦力也由初始的靜摩擦狀態逐漸進入到動摩擦狀態。所以在進行振動壓實時，在被壓材料層中作用有內力和外力。內力包括料粒間的粘結力、摩擦力和料粒的重量； 外力包括由于振動作用傳遞給被壓材料顆粒的慣性力和上層材料的重力。

材料受強迫振動后，由于各料粒的質量及所處的位置不同，所產生的慣性力也就不同。此時，料粒間的粘結膜發生張緊現象，若慣性力不大，難以克服料粒間的摩擦力和粘結力，則各顆粒仍處于原始位置；若慣性力很大，足以破壞顆粒間的摩擦力和粘結力，在這種情況下，料粒在其自重力和上層物料重力的作用下相互脫離，發生位移，就會占據最低穩定位置，排除氣相和液相，互相楔緊、擠緊、達到密實 。

3.現場試驗

為了驗證所提方案的可行性，需要進行現場實驗。所需主要設備有：18t振動壓路機1臺ICP加速度傳感器一個，數據采集儀等。先把加速度傳感器如圖1所示安裝到振動軸或最能反映振動輪振動情況的位置上，隨后把數據傳輸線接到采集儀ICP接口上，再把筆記本電腦與采集儀用網線連接好，打開數據采集軟件， 設置好采集參數準備現場采集，在壓路機振動輪起振時，開始數據的采集。本實驗采集儀型號是DH5901，2通道動態數據采集、通道帶寬0～200kHz、A/D分辨率12Bit、最大靜態誤差：≤±0.3%，采集軟件為DHSDAS5901。現場采集數據時，如果出現自譜窗口顯示高頻部分幅度過大或其他不太正常現象，應及時調整傳感器的位置、排除干擾源。

圖1 加速度傳感器安裝位置

4.試驗結果分析

在本實驗中我們采取用灌砂法測定其壓實度，壓路機每碾壓一遍，選取三個點進行標定， 表1為壓實度與碾壓遍數的關系。

表1 壓實度與碾壓遍數的關系

碾壓遍數 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

壓實度（%） 75.3 81.9 86.7 91.6 93.2 95.5 97.1 98.2 97.1 96.8

從上表可以看出，隨著碾壓遍數的逐漸增加，壓實度的不斷變大且壓實度的增量越來越小，壓到一定程度后壓實度不會再增加，而過多的碾壓可能會導致壓實度的下降。

據現有技術水平和對采集的振動加速度信號的分析和處理，我們可以用振動加速度信號來反映壓實度值，其方法主要有下面兩種：直接分析信號幅值或有效值的幅值法和對信號進行頻譜分析的諧波法 。本文采用有效幅值法進行試驗。

加速度傳感器輸出的是電壓信號，所以采集到的電壓信號大小也就間接反映出了振動輪振動加速度的變化情況。隨著振動壓路機碾壓遍數的增加，振動輪的振動信號的幅值或有效值也隨著增加，對采集到的信號分析和處理后，得出加速度隨著碾壓遍數的變化如下表2所示：

表2 加速度有效值與碾壓遍數

碾壓遍數 1 2 3 4 5 6 7 8

加速度（ ）

28.1 34.1 37.63 40.08 45.45 52.83 52.18 51.93

從上表可以看出，隨著碾壓遍數的增加，激振信號有效值的確也在相應的增加，從而也證明了激振信號有效值可以反映出路基土壤的壓實度。

路基對振動輪反作用力越大，加速度就越大，即在振動輪沒有跳振的情況下，路基的壓實度越好。這樣就可以利用加速度的變化情況與用灌砂法測的壓實度

進行對比，并建立一個數據庫，形成內置專家系統，再通過軟件編程即可實現壓實度值的直接讀取見圖2。

圖2 壓實度與振動輪加速度之間關系圖

根據圖2可求出線性回歸曲線為 ，此即有效加速度與壓實度的關系，相關系數 ， ，認為加速度與壓實度兩個變量有很強的線性相關性。根據這一原理可以有效防止了“欠壓”和“過壓”的發生。采用這種方法可以實時地、有效地控制壓實質量。

5.結論

（1）隧道棄渣作為建筑垃圾的一種，將它重新利用是一項科學而又環保的系統工程；

（2）利用加速度傳感器測量路基壓實度的方法是可行的；

（3）壓實度連續檢測技術可以再壓實過程中測量和評估壓實狀態，有效地提高工作效率，保證工程質量，可獲得明顯的經濟。

參考文獻

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