公路水穩層振動壓實質量實時監控與評估研究

劉東海，林 敏，李子龍

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

公路水穩層振動壓實質量實時監控與評估研究

劉東海，林 敏，李子龍

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

目前通常采用挖坑取樣法檢測路基水穩層壓實質量，不僅破壞路面整體結構，干擾后續施工作業，而且用有限個試坑樣本反映整幅路段壓實質量，存在一定偏差。研制開發了公路水穩層振動碾壓質量實時監控系統，建立了壓實質量實時監測指標(Compaction Value，CV)與水穩層壓實度之間的質量評估模型，提出了水穩層全工作面壓實質量快速評估方法，可分析壓實均勻性和判斷碾壓薄弱區域，實現了100%施工區域水穩層壓實質量的實時監控與反饋控制，為確保高等級公路水穩層施工質量提供了新的技術手段。

道路工程；水穩層施工；壓實質量；實時監控；質量評估

0 引 言

高等級公路水泥穩定碎石基層(簡稱“水穩層”)作為瀝青面層的下承層，其壓實質量是影響路面使用性能和耐久性能的重要因素。根據JTG F 10—2006《公路路基施工技術規范》規定，一般采用灌砂法對水穩層壓實質量進行檢測。但由于試坑樣本有限，往往不能全面反映整個工作面的壓實質量，個別未完全壓實的區域可能不易控制；另外，灌砂法屬于事后控制，費時費力，無法快速獲得檢測結果，容易對后續道路施工作業帶來影響。

目前國內外已有較多關于道路碾壓質量連續控制的研究，主要集中在道路智能碾壓(Intelligent Compaction, IC)技術方面[1]，其由連續碾壓控制技術(Continuous Compaction Technology, CCC)[2]發展而來。CCC是一種提供100%覆蓋碾壓區域的QC/QA(質量控制/質量保證)方法。許多國外公司紛紛推出各自的壓實效果實時監控系統，比較有代表性的有德國BOMAG的碾壓可變控制BVC(BomagVario Control)[3]、瑞士AMMANN的ACE(Ammann Compaction Expert)[4-5]、瑞典Geodynamik的碾壓度量計(Compactometer)[6-7]及美國Caterpillar的基于壓路機凈輸出(Machine Drive Power，MDP)[8-9]的碾壓過程監測系統等。另外，Q. XU等[10]將IC技術應用于瀝青混凝土的壓實質量實時監測，以獲取最優的碾壓遍數。國內，徐光輝等[11]以土石路基結構在碾壓過程中的抗力變化來評價壓實狀態的變化，提出了更適用粗粒土的壓實質量連續監控技術。利用鐘登華等[12]研制開發的心墻堆石壩施工質量實時監控技術，劉東海等[13-15]針對心墻壩料、土石壩料、堆石壩料等提出了碾壓質量快速評估方法，實現了這些被壓土石料壓實質量的實時監控。李智等[16]采用圖像處理技術來分析瀝青內部微觀結構，從而快速評論混合料壓實情況。譚憶秋等[17]基于光纖光柵傳感技術，分析應變響應變化與壓實度之間的關系，實現了對瀝青路面壓實過程的監測。但是，上述研究并非針對水穩層混合料，由于料性存在較大差異，上述技術是否適用于水穩層混合料還需做進一步的研究。

目前國內外針對公路水穩層的研究主要集中在材料特性及配合比設計方面，如沙愛民[18]、周衛峰等[19]?，F有對于水穩層施工質量的控制，也只是通過控制振動參數[20]，以及人為方式控制碾壓速度、碾壓遍數、碾壓時間等方法來實現[21]，但沒有涉及在施工過程中對水穩層壓實質量的實時監控與評估。因此，有必要結合高等級公路水穩層施工工藝及料性的特點，深入研究水穩層壓實質量實時監控與評估方法，這對于提升高等級公路水穩層施工質量、確保公路使用壽命具有重要實踐意義。

筆者將利用課題組前期開發的公路路基壓實質量實時監控系統[22]，首先研究壓實質量實時監測指標CV[15,22]與公路水穩層混合料壓實度的表征關系，進而在研制開發公路水穩層振動壓實質量實時監控系統的基礎上，深入研究水穩層混合料壓實質量實時監控與評估方法，最后是工程應用研究。

1 水穩層振動壓實質量實時監控方法

1.1 監控指標確定

利用課題組前期參考CMV[3]定義，提出的壓實質量實時監測指標CV(Compaction Value)作為公路水穩層壓實質量的實時表征指標[15,22]。通過安裝在碾輪上的加速度計，獲取振動輪的加速度值，經傅里葉變換，得到加速度的各諧波分量，則CV可定義為

(1)

式中：A2，A4分別是加速度頻譜圖中基頻和二次諧波的幅值；a為常數，為使CV值不致過小，筆者取300。

現有研究表明，壓實材料密度越大，振動輪的加速度畸變也越大，諧波分量也越多，CV值也就越大[15,23]。盡管CV在心墻壩料、堆石料及二灰土路基料上與壓實度存在較好的相關性[13-15, 22]，其可作為上述被壓料的壓實質量實時監測指標，但水穩層混合料作為半剛性基層材料與上述材料存在較大的差異，CV能否對水穩層混合料的壓實質量進行精確表征，筆者將進行進一步的試驗研究。

1.2 監控系統開發

在課題組前期研發的公路路基壓實質量實時監控系統基礎上，定制開發了公路水穩層振動壓實質量實時監控系統(RTM-WSL)，系統組成如圖1。該系統主要由GPS基準站、GPS流動站、壓實質量實時監測裝置(CV采集儀)、控制機、無線數據傳輸單元(DTU)、服務器(包括數據服務器和應用服務器)和監控客戶端等部分組成。

圖1 公路水穩層振動壓實質量實時監控系統結構Fig.1 Structure of the RTM-WSL system

通過安裝在壓路機上的壓實質量實時監測裝置及GPS接收機，實時采集壓實質量監測指標CV及壓路機的動態坐標(采用RTK實時動態差分技術，經基準站差分計算，水平定位精度達到2～3 cm)。然后，將實時采集的CV值和坐標數據在控制機內根據時間同步進行數據匹配，再由控制機通過DTU經GPRS網絡發送至位于遠程服務器上的數據庫中。接著，服務器端的應用程序讀取上述數據，動態繪制碾壓軌跡線，并計算壓路機行進速度、碾壓遍數、振動頻率和實時CV值等施工參數，并將結果傳送至PC客戶端上顯示，用于水穩層碾壓質量的實時監控。

1.3 監控流程

應用RTM-WSL系統對水穩層碾壓過程進行實時監控，主要包括如下3個步驟：

1)監控準備。首先，對水穩層需要監控的區域進行單元規劃，包括設置監控區域的邊界坐標、高程以及監控標準(標準碾壓遍數、標準行進速度、標準CV值等)。然后，對將要碾壓的工作面進行碾壓層設置，主要參數包括碾壓層名稱、高程、邊界坐標等。接著，進行施工車輛派遣，確定待監控工作面施工的壓路機編號。最后，開啟碾壓監控客戶端。

2)過程監控。將監控區域激活，進行碾壓監控，監控客戶端通過讀取服務器端的實時計算結果，動態顯示碾壓軌跡、碾壓遍數、行進速度、振動頻率和CV值，并可對任意位置處的碾壓情況進行信息查詢。當該施工單元碾壓結束后，關閉過程監控。

3)成果輸出。碾壓監控結束后，系統可根據監測到的壓路機軌跡點坐標以及CV值，生成碾壓遍數和碾壓CV值的圖形報告，作為反饋指導施工的依據。

具體監控流程如圖2。

圖2 水穩層振動壓實質量實時監控流程Fig.2 Real-time monitoring process of vibration compaction quality

2 水穩層振動壓實質量全工作面評估方法

利用開發的RTM-WSL系統，可對水穩層的壓實質量進行全工作面評估。具體評估步驟如下：

1)CV實時采集

在壓路機對水穩層進行碾壓過程中，RTM-WSL系統實時采集當前碾壓位置處的壓實質量監測指標CV及其對應的坐標，并通過DTU單元無線發送至遠程數據庫服務器中進行儲存。

2)壓實質量評估模型建立

尹冉等[24]研究表明，含水率ω對水穩層混合料的壓實度K有重要影響。這些影響因素與壓實度之間的關系可通過現場試驗建立。具體步驟如下：首先，設置試驗條帶，并在條帶上設置試驗點，如圖3。接著，記錄每一遍壓路機通過試驗點的時間，并在終遍后對試坑進行灌砂法試驗，測得壓實度K，并取部分混合料烘干，可計算得到含水率ω；然后，將獲取的壓實度值與RTM-WSL系統獲取的CV值進行匹配；最后，再將采集到的CV值、含水率與壓實度K構成樣本進行回歸分析，建立水穩層壓實度評估模型，如式(2)，并需對該模型進行顯著性檢驗。

K=f(CV,ω)

(2)

3)采樣點壓實質量實時評估

利用步驟2)中建立的模型，以及RTM-WSL系統實時采集的CV，可快速計算水穩層混合料的壓實度。

4)全工作面壓實質量插值

壓路機行進速度一般控制在3 km/h，安裝在壓路機上的壓實質量實時監測裝置(CV采集儀)按照一定的間隔時間(2～3 s)采集CV值，則采樣點間距為2 m左右，故由其計算得到的壓實質量(壓實度)也是離散的。因此，為評估全工作面任意位置處水穩層的壓實質量，需對離散的采樣點進行空間插值。鑒于Kriging插值法具有逼近程度高，外推能力強，且能考慮數據空間相關性等優勢，筆者選用Kriging法[14,22]對CV與壓實度進行全工作面的插值。

5)壓實度均勻性分析

變異系數可以衡量施工路面的壓實度均勻情況[25]。碾壓工作面壓實度的變異系數可由式(3)計算：

(3)

式中：COV為變異系數；KSD為壓實度標準差；KMN為壓實度平均值。

將Kriging插值后的全工作區域劃分成足夠小的網格(文中實例取0.5 m×0.5 m)，得到每個網格上的壓實度值，則可統計得到KSD和KMN。

一般地，變異系數越小，水穩層混合料壓實質量的均勻性越好，對于延長路面疲勞壽命、提高路基承載力越有利[25]。

6)CV控制標準確定

根據實際施工中的水穩層壓實度K控制標準，可由步驟2)建立的回歸模型式(2)，可推求得到CV的控制標準。

7)評估結果與施工反饋

根據上述步驟得到的水穩層任意位置處的壓實質量及設定的質量控制標準，可分析壓實質量合格或不合格區域，并用不同顏色在壓實質量云圖中標識，以示區別。據此，來反饋指導現場施工，及時地對不合格區域采取相應補救措施，以保證全幅路段的水穩層的壓實質量。同時，可根據下式計算全工作面壓實質量的合格率：

(4)

式中：μ為全工作面壓實質量合格率，μ越大說明現場施工過程中，壓實質量控制的越好。；SD為壓實質量云圖中壓實質量實時監測指標CV大于合格值的區域的面積；SA為整個碾壓工作面的面積。

3 工程應用

以天津市濱海新區西外環高速公路某標段工程為例，該標段路基填筑雙層水穩層混合料，使用徐工220單鋼輪壓路機進行碾壓。共設置2個試驗段。長40 m，寬2×2 m的碾壓試驗條帶。綜合考慮壓路機行走速度、條帶長度和壓實振動監測裝置的采樣頻率，在試驗段1中兩個條帶平行各布置8個試驗點，并用噴漆標示，如圖3。試驗段2中設置8個檢驗點作為模型驗證樣本。

圖3 試驗布置Fig.3 Arrangement of field tests

碾壓過程中，利用RTM-WSL系統實時監控壓路機碾壓軌跡、行走速度、碾壓遍數、振動頻率和CV值，系統監控界面如圖4。壓路機每遍通過試驗點時，記錄其通過的時間，并與服務器中的CV值對應，保證采集到相同位置不同遍數下的CV值。為保證模型精度，試驗段1中條帶1在振動壓路機碾壓第4遍之后進行試坑試驗，用灌砂法共采集了8個試坑樣本值。試坑數據采集后繼續完成碾壓。條帶2在振動壓路機碾壓終遍(即第8遍)后進行試坑試驗，采集8個檢驗樣本值。

圖4 公路水穩層振動碾壓質量實時監控系統界面Fig.4 User interface of the RTM-SWL System

圖5為水穩層試驗段1碾壓遍數與CV關系圖。由圖5可見，CV與碾壓遍數有很強的正相關關系，R2為0.922 9，在試驗碾壓8遍以內，CV隨遍數基本呈負指數規律增加。發現在同個測點的情況下，CV隨碾壓遍數增加而增加的相關性更強(見表1)。

圖5 CV與碾壓遍數關系Fig.5 Correlation between CV and numbers of rolling pass

表1 不同測點處碾壓遍數與CV相關系數

圖6為1#測點位置的碾壓遍數和CV的關系(R2=0.982 3)，表明CV可以作為表征壓實度的指標。進而，對試坑取樣處的壓實度K與CV值和含水率ω之間進行相關性分析，得

K=0.004CV-2.476ω+0.853

(5)

圖6 1#測點處CV與碾壓遍數關系Fig.6 Correlation between CV and numbers of rolling pass at Pit No.1

經試坑試驗發現，由于在水穩層混合料在攪拌和運輸過程中級配及含水率均控制較好，碾壓時水穩層混合料的含水率基本能保證在最優含水率4.4%左右，且料性均勻，因此，在試坑點處，這些參數基本不變化，即與壓實度的相關性不顯著。并經計算，含水率與壓實度之間的相關系數R2為-0.051。 剔除含水率之后，如圖7，發現CV與壓實度之間也呈較強的線性關系，兩者相關系數R2為0.719，且有如下回歸關系：

K=0.004CV+0.744

(6)

圖7 CV與壓實度K的關系Fig.7 Relationship between CV and compactness K

圖8為實測的壓實度值與模型計算的壓實度值的比較圖，最大絕對誤差為4#測點的2.7%，平均絕對誤差為1.24%。因此，從上述分析結果可見，采用CV來表征水穩層各層的壓實質量是可行的，精度能滿足工程要求。需要指出的是，若設計配合比改變或實際施工中水穩層混合料的含水率及混合料級配不能保持基本不變(即料性不均勻)時，則需要考慮上述因素，重新建立回歸模型。

圖8 檢驗點壓實度實測值與計算值的比較Fig.8 Comparison between the measured compactness and the calculated one of test point

利用式(3)分析施工工作面壓實質量的均勻性(圖9)，得到試驗段1和試驗段2水穩層混合料的變異系數分別為0.72%，0.72%，表明水穩層壓實均勻性較好。

圖9 全試驗段壓實度均勻性統計Fig.9 Statistics of compaction uniformity with 100% coverage of the test route

根據工程現場試驗實際情況，采集的壓實度為振動壓實之后的值，不包含最終靜壓。并通過試驗表明，將振動壓實的壓實度設置為JTG F 801—2012《公路工程質量檢驗評定標準》規定極值的94%，在靜壓后可達實際施工要求95%以上。因此水穩層混合料振動壓實度的控制標準為K≥94%即可認為合格。根據式(6)，求出對應的CV控制標準為CV≥49。由此，若CV值小于49，則壓實質量不合格。利用第2節介紹的方法，根據Kriging插值得到的全工作面CV與壓實度云圖，如圖10。

圖10 CV與壓實度分布云圖Fig.10 Distribution nephogram of CV and compactness

然后，分析判斷該水穩層碾壓遺漏的不合格區域，見圖10陰影部分。由于式(6)得出壓實度與CV之間是線性相關的，所以壓實度與CV的云圖分布規律相同。由式(4)可得，試驗段1的碾壓合格率為100%，試驗段2的碾壓合格率為97.7%。據此，在碾壓結束后，還需對不合格區域進行補碾，以確保水穩層壓實質量。

4 結 語

筆者針對高等級公路水穩層碾壓質量控制的要求和特點，結合濱海新區西外環高速公路項目，將壓實質量實時監測指標CV作為高等級公路水穩層混合料壓實質量實時表征指標，通過實驗得到了水穩層混合料壓實度K跟CV之間的關系，并建立兩者之間的回歸模型。結果顯示CV與壓實度之間有很強的線性相關關系，所建立的模型精度較高?；谠撃Ｐ鸵约皩崟r采集的CV，實現了施工路段水穩層振動壓實質量的實時監控與評估，并利用Kriging插值方法生成施工全作業壓實質量云圖，可分析壓實均勻性和判斷碾壓薄弱區域，為現場施工及時采取應對措施提供了依據。

筆者的方法可有效避免常規采用有限個試坑采樣評價全路段壓實質量的片面性，實現了100%工作面水穩層壓實質量的有效控制，為確保高等級公路水穩層施工質量提供了新的技術手段。需要指出的是，由于試坑樣本較少，可能會影響所建立的壓實質量評估模型的精度，進一步提高模型精度是后續所需做的工作。

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Real-Time Monitoring and Assessment of Vibration Compaction Quality of Highway Water Stable Layer

LIU Donghai, LIN Min, LI Zilong

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, P. R. China)

The commonly-used inspection method of water stable layer compaction quality relies on spot sampling tests at current time. However, this method not only damages the pavement structure and interferes with subsequent construction operations, but also has a certain deviation, because of using the limited test pit samples to show the compaction quality of the whole road. Therefore, a real-time monitoring system for vibration compaction quality of highway water stable layer was developed, and a quality assessment model between the real-time monitoring compaction values (CV) and the compactness of water stable layer was established. Then, a fast compaction quality assessment method of water stable layer was proposed to analyze the compaction uniformity and judge the weak area of compaction. The proposed method realizes the real-time monitoring and feedback control of the water stable layer compaction quality with 100% coverage of construction zone, and provides a new technical measure to ensure the construction quality of highway water stable layer.

highway engineering; water stable layer construction; compaction quality; real-time monitoring; quality assessment

2015-05-21；

2015-12-24

國家自然科學基金項目(51479132)；天津市科技支撐計劃重點項目(BZCZDSF01800)

劉東海(1974—)，男，浙江舟山人，教授，博士，博士生導師，主要從事大型工程系統仿真與優化,施工質量實時評估與安全分析方面的研究。E-mail：liudh@tju.edu.cn。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.11

U416.2

A

1674-0696(2016)06-051-06