公路路基智能連續(xù)壓實(shí)技術(shù)研究進(jìn)展

曾鐵權(quán)+高立虎

摘 要：由于傳統(tǒng)的路基壓實(shí)質(zhì)量控制方法以“點(diǎn)”控制方法為主，屬于事后控制，發(fā)現(xiàn)問題不能及時(shí)在壓實(shí)施工過程中處理，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)路基壓實(shí)質(zhì)量控制方法的局限性，急需一種能實(shí)現(xiàn)碾壓面的全覆蓋式檢測(cè)和控制、實(shí)時(shí)反饋和解決問題的新方法。智能連續(xù)壓實(shí)控制系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)壓實(shí)質(zhì)量控制的弊端，成為了交通領(lǐng)域的焦點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能壓；施工質(zhì)量；路基壓實(shí)；實(shí)時(shí)反饋

中圖分類號(hào)：TU751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）01-0118-01

連續(xù)壓實(shí)控制（Continuous Compaction Control，簡(jiǎn)稱CCC），是在路基壓實(shí)過程中，通過處理從振動(dòng)壓路機(jī)得到的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)，得到反映壓實(shí)狀態(tài)的控制指標(biāo)。將CCC技術(shù)與壓路機(jī)調(diào)節(jié)功能結(jié)合起來，又稱為“智能壓實(shí)（IC）”，是CCC技術(shù)與壓路機(jī)進(jìn)一步結(jié)合的能夠合理控制及實(shí)時(shí)反饋壓實(shí)質(zhì)量的系統(tǒng)。由于對(duì)壓路機(jī)信號(hào)處理方式不同，形成了幾種不同的智能連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)。本文將介紹路基智能壓實(shí)儀的應(yīng)用和幾種評(píng)價(jià)指標(biāo)，這對(duì)以貴港至隆安高速公路為代表的南方高速公路路基施工具有重要意義，因?yàn)槟戏降貐^(qū)地下水豐富，降雨量大，如何確保路基壓實(shí)效果，對(duì)提升公路服務(wù)品質(zhì)具有重要意義。

1 智能連續(xù)壓實(shí)儀測(cè)量指標(biāo)

1.1 CMV指標(biāo)

Caterpillar公司的CAT智能壓實(shí)系統(tǒng)中用來表征材料壓實(shí)狀況為CMV，是無量綱值。在科研人員的早期調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)了振動(dòng)輪加速度信號(hào)在振動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生畸變，而且當(dāng)土層剛度逐漸變大時(shí)，現(xiàn)象會(huì)愈加顯著。使用傅里葉變換處理加速度信號(hào)，土層壓實(shí)度使用一次諧波幅值與基波幅值的比值來表征。CMV與土層密度、剛度和模數(shù)的關(guān)系屬于在試驗(yàn)性質(zhì)的，這種關(guān)系的影響因素有：壓路機(jī)型號(hào)、振幅和頻率、行駛速度等，因此在使用CMV指標(biāo)時(shí)有必要要進(jìn)行相應(yīng)的校正[1]。計(jì)算公式如下式（1.1）：

式中：Aπ--振動(dòng)輪豎直方向基波成分的加速度幅值；A2π--振動(dòng)輪豎直方向二次諧波成分的加速度幅值；C--常數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況標(biāo)定通常取C為300。

1.2 MDP指標(biāo)

面對(duì)如今壓實(shí)技術(shù)存在的一些缺陷，而且CMV指標(biāo)只可以使用在振動(dòng)壓路機(jī)上，Caterpillar公司使用全球衛(wèi)星定位技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，再次研發(fā)出了最新一代壓實(shí)技術(shù)--Cat MDP壓實(shí)測(cè)量技術(shù)。這是一種通過檢測(cè)滾動(dòng)阻力來計(jì)算土層硬度的方法，結(jié)果能較為真實(shí)的反映壓實(shí)情況。如果土層較軟時(shí)，壓路機(jī)克服滾動(dòng)阻力所需要的能量大；如果土層較硬時(shí)，壓路機(jī)克服滾動(dòng)阻力所需要的能量小。這樣就可以確定碾壓后土層的硬度和承載力是否符合要求。計(jì)算公式如下式（1.2）：

式中：MDP--機(jī)械驅(qū)動(dòng)功率，KJ/s；Pg--需要移動(dòng)機(jī)械的總功率，KJ/s；W--壓路機(jī)質(zhì)量，KN；A--振動(dòng)加速度，m/s2；g--重力加速度，m/s2；α--爬坡角度；v--振動(dòng)行駛速度，m/s；m、b—指定機(jī)型的機(jī)械內(nèi)在能量損耗率，KJ/m、KJ/s。

1.3 CCV指標(biāo)

日本Sakai公司提出一種壓實(shí)度指標(biāo)為CCV，為無量綱值，它代表壓實(shí)層的剛度。它利用安裝在鋼輪上的加速度傳感器記錄機(jī)器和壓實(shí)面層的相互作用，隨著壓實(shí)面層剛度的增加，鋼輪進(jìn)入跳振狀態(tài)，加速度傳感器記錄了不同振動(dòng)頻率下的值，經(jīng)過處理器處理得到CCV值。車載顯示裝置可以實(shí)時(shí)繪制CCV分布圖[2]。計(jì)算公式如下式（1.3）：

式中：A1.5Ω和A2Ω--振動(dòng)輪激振頻率二次諧波分量振幅值；A3Ω--振動(dòng)輪激振頻率三階諧波分量振幅值。

1.4 Ks指標(biāo)

Ammann公司提出了一種基于土層剛度的壓實(shí)度指標(biāo)Ks，是以綜合參數(shù)模型來表征垂直振動(dòng)的土壤-振動(dòng)輪-機(jī)架系統(tǒng)。為了確定振動(dòng)輪的慣性力和偏心力信號(hào)，需要測(cè)量振動(dòng)輪的偏心位置和加速度。通過對(duì)頻譜的分析和振動(dòng)輪實(shí)測(cè)加速度峰值的積分，可以得到振動(dòng)輪的位移[1]。計(jì)算公式如下式（1.4）：

式中：md--振動(dòng)輪的重量；Zd--振動(dòng)輪的位移；moeo--偏心塊力矩；ω--振動(dòng)輪的角速度。

1.5 Evib指標(biāo)

Bomag公司提出了一種壓實(shí)度指標(biāo)Evib。振動(dòng)過程中，基于振動(dòng)壓實(shí)力和鋼輪貫入壓實(shí)材料的相互關(guān)系，測(cè)出一個(gè)與壓實(shí)材料變形模量直接相關(guān)的測(cè)量值，這個(gè)測(cè)量值即振動(dòng)模量Evib（MN/m2）。被壓實(shí)材料與壓路機(jī)鋼輪之間的相互作用力由安裝在振動(dòng)鋼輪上的加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量[3]。計(jì)算公式如下式（1.5）、式（1.6）：

1.6 Omega指標(biāo)

Bomag公司通過把振動(dòng)參數(shù)和振動(dòng)輪集中在彈性空間上，提出了測(cè)量指標(biāo)Omega。忽略機(jī)架的加速度，通過采用2個(gè)加速度計(jì)來測(cè)量振動(dòng)輪的加速度，可以計(jì)算出相位滯后，還可以測(cè)量接觸力Fs。通過測(cè)得的振動(dòng)輪加速度可以計(jì)算得到振動(dòng)輪的位移[4]。Omega指標(biāo)公式如下式（1.7）：

其中：md--是振動(dòng)輪的重量；mf--機(jī)架的重量；Zd--振動(dòng)輪的位移；moeo--偏心質(zhì)量塊的力矩；Ω--激振力的頻率；g--重力加速度；ad--振動(dòng)輪的加速度。

1.7 R值指標(biāo)

長(zhǎng)安大學(xué)開發(fā)了一種CMS-01（Compaction Monitoring System）壓實(shí)度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)。該儀器由于性能優(yōu)越且得到了長(zhǎng)時(shí)間理論與試驗(yàn)的驗(yàn)證，在測(cè)量路基壓實(shí)度時(shí)具有較高的可靠度，目前已經(jīng)應(yīng)用于多處道路施工段。整套設(shè)備包含傳感儀、處理器、顯示屏等。傳感儀可以測(cè)得壓路機(jī)壓實(shí)過程中的垂直加速度；處理器可以將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存；顯示屏可以顯示實(shí)測(cè)R值與壓實(shí)遍數(shù)曲線。對(duì)比實(shí)測(cè)壓實(shí)度R值與標(biāo)定的曲線，判斷壓實(shí)效果是否符合施工的要求。

2 路基智能壓實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用效果

智能連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)和控制路基壓實(shí)施工的全過程。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反饋壓實(shí)即的壓實(shí)效果，避免了人員憑目測(cè)和施工經(jīng)驗(yàn)作業(yè)，大大減少了因人為因素造成的漏壓或過壓現(xiàn)象。壓實(shí)完成后，檢測(cè)人員可以對(duì)照壓實(shí)記錄顯示的薄弱區(qū)域進(jìn)行有針對(duì)性的檢測(cè)，結(jié)合抽檢點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果來反映整條路段的壓實(shí)度，使得施工質(zhì)量分布均勻性大為提高。

3 結(jié)語

隨著智能連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)在交通領(lǐng)域的推廣，路基的壓實(shí)質(zhì)量能夠比較準(zhǔn)確地得到控制。推翻了“只重視結(jié)果驗(yàn)收，不重視過程控制”的落后思想，大幅度地提升了工程質(zhì)量。隨著智能壓實(shí)系統(tǒng)的完成，相關(guān)規(guī)范的建立，相信這項(xiàng)技術(shù)一定可以施工中得到更好的應(yīng)用。

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