填筑工程連續壓實控制技術研究進展

馮永乾，江輝煌，吳龍梁，向衛國

(1.深圳市建筑工務署，廣東深圳 518031；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東深圳 518000)

引言

填筑工程主要是指由顆粒填料按照一定的堆積和碾壓要求填筑形成的土工結構或構筑物，涉及到公路、鐵路、市政、大壩和機場等諸多領域[1]。根據交通部“十三五”規劃，我國已步入填筑工程迅速建設階段。提高填筑工程技術水平和確保填筑工程質量關乎國運民生，責任重大。在控制好壓實機械和填筑材料的情況下，填筑工程的質量檢測方法是影響工程質量的關鍵因素。然而，常規的質量檢測方法存在代表性差、受外界因素影響大、缺乏過程檢測與重點檢測、無法實現壓實均勻性控制等缺點和不足[1，2]，難以滿足日益提高的工程技術和質量要求。隨著科學技術的進步和發展，連續壓實控制技術應運而生。連續壓實控制技術是1975年由瑞典的Dynapac和Geodynamik公司聯合提出的填筑工程質量檢測與控制技術[1，3]。該技術通過安裝在振動壓路機振動輪上的傳感器采集振動響應信號，根據振動響應信號的數據分析結果來評估填筑體的壓實程度，結合衛星地理定位(GNSS)技術實現壓實質量的連續控制。其系統構成如圖 1 所示。連續壓實控制技術能夠實現填筑工程實時的、全面的過程控制，相比常規的質量檢測方法具有顯著的優勢，被譽為填筑工程技術的“第三次革命”[4]。

圖1 連續壓實控制系統構成示意

經過40余年的發展和完善，連續壓實控制技術取得了較大的進步。隨著連續壓實控制技術在理論研究上的深入開展和在工程實踐中的大量推廣應用，該技術仍將不斷面臨新的問題和挑戰以滿足科學技術水平和生產力迅速發展的需求。為清楚認識連續壓實控制技術的研究現狀和瓶頸，促進該技術的進步，分別從理論研究、試驗研究、設備研制、技術標準與工程應用角度對連續壓實控制技術相關研究內容進行系統梳理，總結介紹連續壓實控制技術研究進展，得到相關的結論和建議，從而為連續壓實控制技術的發展和應用提供有益參考。

1 理論方面

壓實程度評估方法和壓實質量控制方法是連續壓實控制技術理論研究的基礎也是核心內容，是影響填筑工程質量控制的的關鍵因素[1-5]。成層填筑體的振動測量值問題關系到壓實程度評估的準確性，引起了業界廣泛重視和探討。上述三方面內容是連續壓實控制技術理論研究的焦點，以下將分別介紹其研究進展情況。

1.1 壓實程度評估方法

國外，Forssblad[6]通過試驗發現壓路機振動輪的加速度諧波幅值與填料的壓實程度有一定的聯系。在這一發現的基礎上，Thurner和Sandstom[7]基于信號處理的原理提出了壓實度值CMV，并采用壓實度值評價填筑體的壓實程度。Noshe[8]通過對半階諧頻和更高階諧頻的分析，提出了類似于CMV指標的CCV指標。此外，根據振動信號隨著填筑體的壓實而逐漸產生畸變的原理，國外學者還提出了其他類似的指標，例如THD[9-10]、RMV[1]等。其后，Bomag[11]基于壓路機行進時克服運動阻力所需的能量開發了另一種壓實度計指標MDP，并采用該指標評價路基的壓實狀態。瑞士Ammann公司[12-13]基于振動輪和機架垂直運動的兩自由度模型，建立了振動壓實的二階微分運動方程，通過求解計算得到了土體的剛度系數Ks，并以此評估填筑體的壓實程度。Krobe[14]將填筑體視為空間半無限彈性體，并將振動輪荷載視為集中荷載，通過力學方法推導得到了振動模量Evib指標。Ks和Evib指標的提出標志著連續壓實程度評估方法由基于諧波失真的經驗方法邁向基于力學原理的理論方法，促進了連續壓實控制技術的巨大進步。國內，在學習國外先進經驗并結合我國基本國情的基礎上，徐光輝等[1，15]從動力學的角度分析了振動輪與填筑體的相互作用，建立了振動輪加速度信號和抵抗力之間的關系，進而推導了響應指標與壓實程度的關系式，提出了采用抵抗力指標VCV評估填筑體的壓實程度。劉東海[16-17]提出了基于能量原理的壓實程度評估方法，該方法通過振動信號推求單位體積壓實功E，將壓實功作為連續壓實控制檢測指標，在公路路基層的壓實質量評估中取得了較好的應用效果。

當前的連續控制方法根據不同原理可分為四類：(1)基于振動信號頻譜分析的經驗性評估方法—壓實度計法，該方法的代表性指標包括瑞典的諧波比CMV、日本的諧波比衍生指標CCV；(2)基于力學原理的評估方法—剛度/模量方法，其代表性指標有瑞士的剛度指標Ks、德國的模量指標Evib；(3)基于動力學原理的評估方法—動力學方法，其代表性指標有我國的振動壓實值VCV；(4)基于能量原理的評估方法—能量方法，其代表性指標有美國的功率指標MDP，我國的單位體積壓實功指標E。盡管目前的壓實程度評估方法較多，但都建立在一定的理論假設基礎上。實際上，各類方法在理論求解中難以得到解析解，各種假設條件在工程應用中也難以一一滿足，因此一定程度上影響到其適用性。針對千差萬別的工程情況，采用何種壓實程度評估方法，目前在業界內仍然存在較大的爭議，尚未形成統一的標準或意見。研究和探索理論明確且貼近實際的壓實程度評估方法，仍然是當前連續壓實控制技術研究的重點和難點。

1.2 壓實質量控制方法

壓實質量控制是在壓實程度評估的基礎上進行的工程質量控制和評價。壓實質量控制方法是填筑工程質量控制的關鍵，關系到填筑工程的使用壽命和性能。國外，Michael[3]等根據不同工況分別給出了選項1，2a，2b，3a，3b，3c共計6種壓實質量控制方法的建議。其中，選項1是根據壓實程度評價指標較低的部位識別出薄弱區域，再針對壓實薄弱區域進行常規質量檢測和控制；選項2是根據壓實評估指標值的變化情況進行壓實質量的評價和控制；選項3是建立壓實評估指標與常規質量檢測指標的相關關系，再根據校準得到的壓實評估指標的目標值進行壓實質量控制。上述6種選項既可以單獨選用也可以組合應用，均具有較強的實用性。據悉該壓實質量控制方法已納入即將發布的美國連續壓實控制技術規范之中。奧地利、德國、瑞典等國家(地區)提出的壓實重量控制方法與上述6種選項類似，在壓實質量控制方法的思路上大體一致，僅在具體判別標準和規定上有所差異。2016年歐盟發布的歐洲地區統一規程PD CEN/TS 17006:2016[18]將壓實均勻性和壓實穩定性納為質量控制的重點，提出了基于統計學正態分布原理進行評估的方法。國內，徐立紅等[19]從加權平均、隨機分布等數理統計理論的角度進行研究，提出了可以考慮到空間問題的填筑體壓實程度和均勻性的評價方法，形成了相對可靠的質量評價體系。聶志紅等[20]基于某路基的現場壓實試驗數據，以壓實度計類指標為分析變量，基于隨機概率等統計學原理對試驗數據進行針對性的篩選和分析，提出了連續壓實檢測指標概率分布模型的質量評價方法。王翔等[21]根據地統計學基本原理，采用半變異函數模型研究動態檢測數據的空間變異性，并在采用指數模型進行最優化擬合的基礎上提出了路基壓實均勻性控制評價體系。胡遲春等[22]采用X-ray斷層掃描技術得到了不同壓實次數下試件的縱向空隙結構，并通過對試驗結果的計算評價瀝青混合料的壓實均勻性，工程實例表明該方法具有較好的適用性。高杰等[23]通過無核密度儀快速測定路基的壓實度，根據實測壓實度數據得到了壓實度的代表值、合格率和變異系數，并采用上述3個參數作為綜合評價路基壓實質量的指標。劉東海等[24]基于Dempster-Shafer證據理論和DBSCAN空間聚類分析方法，提出了可考慮碾壓參數的定量評價壓實薄弱區域的模糊綜合評價方法。該方法已經在堆石壩工程中取得了較好的應用效果。此外，我國關于連續壓實控制技術的規程[25-26]借鑒了國外經驗，針對我國基本國情分別規定了壓實程度、壓實均勻性和壓實穩定性這三方面的技術標準和要求，提出了全面、合理的連續壓實質量控制體系。

實際上，壓實程度、壓實均勻性和穩定性是控制填筑工程壓實質量的三要素[27]。壓實程度關系到碾壓層物理力學狀態的指標是否達到規定值的程度，是保障壓實質量的基礎。壓實均勻性關系到各部分物理力學形狀分布的一致性，對于上部結構的支承條件有重要影響。壓實穩定性決定了填筑結構在重復荷載作用下是否能夠保持長期的穩定狀態。隨著科技的發展和認知水平的提高，填筑工程質量合格標準不再僅僅局限于壓實程度的評估，包括壓實均勻性評價和壓實穩定性評價在內的壓實質量控制方法逐漸受到廣泛重視。將壓實程度、壓實均勻性和壓實穩定性有機結合起來進行綜合質量評價和控制是壓實質量控制方法發展的方向和趨勢。

1.3 成層填筑體的振動測量值問題

在連續壓實控制過程中，基于振動響應的壓實程度評估指標反映的是響應深度范圍內的整體信息。由于填料的填筑厚度通常小于振動壓路機的影響深度，因此，壓實程度評估指標值實際上是當前填筑層和下臥層信息的綜合測量值[3-5]。當填筑體豎向不均勻(即為成層填筑體)時，如何從理論上考慮各層填筑體性能參數的異同，將指標值在量測深度范圍內進行合理“分解”從而得到可以反映當前填筑層壓實程度的信息，是提高連續壓實控制技術可靠性和適用性的有效途徑。德國Bomag公司基于層狀黏彈性力學原理，采用類似于FWD反算模量的方法進行了填筑體性能參數分層問題研究，但尚未得出最終的研究結論；美國Michael[3]通過測量振動壓路機的激振力、位移以及填筑體內的應力和位移，反推振動測量值與填筑體各層性能參數的對應關系，得到了各層性能參數對測量值的貢獻不同的結論。此外，美國Soheil和George在其承擔的NCHRP24-45科研項目中也正在進行填筑體性能參數分層問題的研究。國內，田利鋒[5]通過開展現場試驗研究了不同性能參數填筑層的振動測量值與填筑體內應力分布的關系，得到了振動測量值與填筑體內應力分布情況有關的結論。此外，西南交通大學和哈爾濱工業大學的科研團隊從多層黏彈性體力學原理的角度，研究了填筑體性能參數成層的問題，得到了有益的參考結論。

目前，填筑體性能參數分層問題已受到廣泛的關注，但都停留在基于經典力學理論的分析和基于試驗的定性分析上，尚無滿意的理論解答更未發現已應用于工程實踐的成果。

總體上，連續壓實控制技術理論方面的研究主要集中在壓實程度評估方法、壓實質量控制方法和成層填筑體的振動測量值問題研究上。其中，壓實程度評估方法研究是連續壓實控制技術研究的基礎，也是當前研究的難點。壓實質量控制方法研究已逐漸成熟，其研究成果已經得到了大量的成功應用。成層填筑體的振動測量值問題仍然缺少適用的計算方法和應對措施，有待進一步的研究和探索。此外，工程經驗表明，碾壓參數對連續壓實控制技術的影響顯著[28]，而當前的施工技術水平難以對碾壓參數進行實時、全面、精確的控制，較大程度上影響到該技術的適用性。如何合理考慮碾壓參數的影響，將其引入連續壓實控制技術當中逐漸引起了業內的廣泛討論。

2 試驗方面

連續壓實控制技術涉及到信息、機械、巖土、力學等多個學科領域。影響壓實測量值的因素很多，不僅包括壓路機振動類型、行進速度、振動頻率、激振力和振幅在內的壓實工藝參數，還包括填料顆粒粗細、填料級配、填料含水量在內的填料特性參數。開展試驗研究是探索各因素影響規律和相互關系的有效手段。以下將從壓實工藝和填料特性對振動測量值影響方面的試驗研究進展進行闡述。

2.1 壓實工藝的影響

國外，Michael等[3]在美國華盛頓哥倫比亞特區高速公路段開展了振動壓路機的振動頻率、振幅和行進速度等工藝參數對振動測量值影響的現場試驗。研究了振動測量值CMV、CCV、Ks和Evib對不同壓實工藝的敏感性和可重復性。得到了力學指標Ks和Evib對于不同壓實工藝具有更好的可重復性的結論。Camargo等[29]開展了不同振幅下的振動壓實試驗，結果表明振動質量檢測參數(振動測量值)隨著振幅的改變而變化，得到了振幅的改變影響到振動輪的運行狀況進而改變振動測量范圍和振動測量值大小的結論。Van Susante和Mooney[30]通過試驗研究發現振動頻率對壓路機的振動模式產生了很大的影響，并進一步影響到壓實質量檢測參數(振動測量值)的大小。國內，張潤利等[31]根據連續壓實的基本原理，將振動輪的加速度與土體壓實系數近似為正相關，通過自主研發的軟件對比分析了連續壓實測試數據與壓實程度數據，研究了壓實系數、振幅、激振頻率等碾壓參數與振動測量值的關系。范娟等[32]以壓實度計指標為研究對象，基于正交原理進行了現場試驗設計，在滬昆高鐵芷江段開展了壓實工藝試驗，研究了振動壓路機振幅、振動頻率、行進速度和方向對振動測量值的影響。田利鋒[5]針對已有研究未能定量分析振動壓路機工藝參數對連續壓實指標的影響程度，設計了以振動壓路機工藝參數為影響因素的正交試驗，進行方差分析，量化了振動壓路機振幅、振動頻率、碾壓速度以及行駛方向對連續壓實指標的影響程度。

壓實工藝對振動測量值影響的試驗研究主要集中在不同類別的工藝參數對振動測量值的影響程度和各類振動測量值對某類工藝參數的敏感性兩方面內容。壓實工藝影響試驗原理相對簡單且可操作性較強，國內外已開展了大量類似的試驗工作，得到的結論也大同小異：(1)振動壓路機的振動頻率、振幅對振動測量值的影響較大，行進速度和行進方向對測量值的影響相對較小；(2)力學指標相比壓實度計指標對不同壓實工藝參數的可重復性更好，即力學指標對壓實工藝參數表現出更好的穩定性。

2.2 填料特性的影響

國外，Michael等[3]開展了5種振動壓實指標(MDP、CMV、CCV、Ks、Evib)與17種不同土壤的綜合評估試驗，研究了填料的類別、級配、含水量等特性對不同振動壓實指標的影響，得到了細粒料填料受含水量影響較大和粗顆粒填料受級配、下臥層支撐條件的影響較大的結論，給出了在進行振動測量指標與常規質量檢測指標的相關性分析時，針對填料特性采用多元回歸分析方法對振動測量值進行修正的建議。日本Sakai公司[33]開展了粉質黏土、級配碎石和堆石料三類填料的振動壓實試驗，研究了填料類別對振動測量值適用性的影響。試驗結果表明，填料為粉質黏土、級配碎石時壓實度計類指標與常規指標具有較好的相關性，而填料為堆石料時的相關性較差。Mooney和Rinehart[10]開展了不同類別填料的振動壓實試驗，得到了當填料為粗粒料時振動測量值與激振力呈正相關，而當填料為細粒料時振動測量值與激振力呈負相關的結論，證實了填料類別對振動測量值的影響顯著。國內，何廣杰等[34]開展了碎石材料振動壓實試驗，試驗結果表明碎石填料的振動壓實是一個強度、剛度和穩定性不斷變化的過程。振動壓實改變了填料的特性，而填料特性的改變勢必引起不同的振動響應結果。由此可見，填料特性對振動測量值的影響是動態的、雙向的和復雜的。在填料含水量對振動測量值的影響方面，張獻民[35]等通過開展大型振動壓實試驗，研究了不同含石量和含水量對混合料中細粒土的壓實度的影響，得到了含水量對細粒土壓實度影響較大的結論。此外，Anderegg[36]、Petersen[37]、徐光輝[1]和劉東海等[38]學者也認為含水量對填料的物理力學性質影響顯著(尤其是細粒填料)，均提出了應用連續壓實控制技術時多關注填料含水量變化的建議。各文獻關于含水量對振動測量值的影響機理總結概括如下：含水量變化時，一方面材料的物理力學性質發生了顯著變化，對振動的響應也隨之改變；另一方面，填料的物理力學性質對應的含水量不唯一，即填料在某一剛度或密實度條件下可對應兩種不同的(高/低)含水量。與此同時，振動測量值與常規質量檢驗指標對含水量的敏感性往往相差較大[39]，從而導致兩者在相關性校驗時的離散性很大，甚至無法達到連續壓實控制技術應用的基本條件。針對填料含水量問題，多個國家的連續壓實控制技術規范均指出需重視填料含水量的問題，但遺憾的是除美國明尼蘇達州試點規程提出了簡化的修正方法以外均未能給出具體的建議和措施，仍然停留在經驗應用層面。

目前，國內外針對連續壓實的試驗研究主要集中在壓實工藝和填料特性對振動測量值的影響研究方面。其中，填料含水量對振動測量值的影響是研究的熱點也是難點。針對工程實際中的壓實工藝參數和填料特性，通過開展現場校準試驗對振動測量值進行多元化修正是連續壓實控制技術發展的一個趨勢。

3 設備研制方面

3.1 連續壓實設備的研制

基于各類壓實程度評估方法，國內外設備廠商和科研單位研制出了數十種連續壓實設備和系統[40-47]。例如：基于CMV指標，瑞典Dynapac公司研發了DCA型壓實分析儀，中國水利水電科學研究院研發了YS-1型壓實度儀，徐工集團研發了SMC-960A型密實度測量儀等。上述設備的基本原理相同，以瑞典Dynapac公司的DCA型壓實分析儀為典型代表。DCA型壓實分析儀通過數據計算和處理并結合GPS定位技術，能夠以圖形的格式輸出CMV、碾壓遍數、振幅、頻率、GPS坐標等大量與振動壓實相關的數據，是研發時間相對較早的連續壓實控制設備。基于CCV指標研發的連續壓實控制設備以日本Sakai公司生產的壓實分析儀為典型代表，該設備的基本原理與DCA型壓實分析儀相近，同屬于基于頻譜分析原理的連續壓實控制設備。基于能量指標的連續壓實控制設備包括德國Bomag公司研制的OMEGA壓實度儀、Caterpillar公司研發的Compaction Viewer系統以及我國蘇交所研制的MSY-100 的壓實度測量儀，該類設備的基本原理是根據振動輪的振動加速度信號求解克服壓實填料阻抗所需的能量，從而根據能量值評價填筑體的壓實狀態。在基于能量指標的連續壓實設備中，Compaction Viewer系統具備數據采集和衛星定位功能，能夠實時顯示位置和壓實測量值，是目前應用較多的系統。該系統采用的是GPS定位技術，水平面精度為±10 mm，垂直面精度為±20 mm，可以在PC上實現數據的后處理和可視化監控，并能夠與土方工程AccuGrade應用軟件較好兼容。此外，天津大學基于每單位體積的壓實功率指標E開發了一個實時系統[17]，用于監測堆石壩施工中的壓實質量。該系統可以實現對壓實參數(即碾壓遍數，速度，振動狀態和壓實厚度)的全面監控。基于Ks指標研發連續壓實控制設備的主要生產廠商有Ammann公司和Case公司，以Ammann公司研發的Ace Plus系統為典型代表。Ace Plus系統每振動一周計算一次碾壓體的剛度系數Ks，并將Ks數據與通過車載GPS設備采集的X、Y和Z坐標相結合，以1 Hz的頻率報告Ks的平均值。該系統軟件安裝在平板電腦車載電腦內，能夠以圖形格式輸出實時振動碾壓參數。基于Evib指標，德國Bomag公司研發了Vario Control系統。該系統主要包括車載平板電腦、移動軟件和用于數據傳輸的USB記憶棒，可以接受任何能夠通過RS232接口提供GGA或PJK數據的GPS接收器，并以10 Hz的頻率報告并存儲GPS采樣坐標處的Evib。基于VCV指標的連續壓實控制系統主要包括中國鐵道科學研究院研發的CCC-800系統、西南交通大學研發的CPMS系統、北京天璣科技公司研發的ICC-900系統、西安依恩馳公司研發的RCC100連續壓實系統、上海華測導航公司研發的TC63壓實質量管理系統等。基于VCV指標的連續壓實控制設備以廣州中海達公司代理的北斗壓路機智能壓實設備為典型代表。中海達連續壓實設備主要包括基準站、車載顯示終端、移動軟件和用于存儲的數據采集盒等，該設備安裝有北斗工程接收機且支持多星多頻，校正后的定位精度為厘米級，目前已在我國鐵路和公路領域得到了較好的推廣應用。

3.2 智能壓實設備的研制

智能壓實是在填筑體碾壓過程中，在連續壓實控制技術識別和評估壓實程度的基礎上，采用人工智能技術建立決策和反饋控制體系，實現對填筑過程的動態監測和反饋控制，以求壓實效率的自動最優化[4，48-54]。實際上，連續壓實控制技術屬于數字化施工的范疇，是智能壓實技術的基礎。智能壓實技術屬于智能化施工的范疇，是連續壓實控制技術發展的高級階段[50]。

連續壓實控制技術誕生不久，智能壓實的思想便開始萌芽。20世紀80年代，北歐Bomag和Geodynamik等廠家開始著手智能壓實技術的初步研究。智能壓實技術的早期思想是將連續壓實技術和無級調幅定向振動技術進行集成，基于這一理念，于1992年成功研制出了世界上第一臺具備“智能”特征的振動壓路機。在隨后的幾年時間中，德國HAMM公司對該技術進行了深化，研制出了可以根據填筑體的壓實程度自動調節行駛速度、激振力和振動頻率的智能壓路機，Bomag公司也研發出了可根據作業工況的變化自動調節激振力方向智能振動壓路機和Variomatic/Variocontrol智能壓實系統，能根據識別出的填筑材料的壓實程度數據自動優化振動頻率和振幅以提高壓實效率。1996年智能壓實控制技術成功應用于瀝青路面壓實中，實現了真正意義上的工程應用。隨著連續壓實控制技術的進步，采用力學類指標評估壓實程度的理念被引入智能壓實技術之中，隨后于2001年研發出基于力學原理的瀝青壓實專家智能系統。2006年，美國Caterpillar公司也正式開始研究智能壓實技術，并研發出了CS、CP系列的智能壓路機。與之前的智能壓路機不同之處在于，CS、CP系列的智能壓路機是通過振動輪內獨特的鋼球改變偏心矩從而實現了振幅的變換和調整，這一理念在當時是相對先進的。

我國的智能壓實技術研究起步相對較晚，經歷了從向國外引進學習到自主創新的歷程，在該領域取得了一定的進步。廈工三明和福州大學等單位聯合研制出了YZC12串聯式智能振動壓路機，該智能壓實設備具備自動的無級變幅功能。遺憾的是YZC12型智能振動壓路機無法根據填筑層壓實信息準確、快速地反饋振動頻率和行進速度的最優工藝組合。石家莊鐵道大學研制的YZC16型壓路機能夠根據填筑體的固有頻率識別出不同類別的土壤，并在此基礎上進行振動頻率的自動調節。但是在實際壓實過程中，填筑體的固有頻率隨著壓實程度的變化而發生改變，先前設置的固有頻率數據與實際情況存在一定的差異。因此，嚴格意義上YZC16型壓路機并未達到“智能”的標準。徐工集團研發的XD142雙鋼輪振動壓路機基于PLC與CAN集成技術能夠實現故障自動報警，但是在碾壓過程中無法實時自動地調整振動頻率、振幅等工藝參數，未實現完全的智能化壓實。天津大學研制出了可調整碾壓參數的RCC碾壓模擬試驗裝置[55]。該裝置實現了碾壓機械的激振力、振動頻率和行進速度的多級協同調整，在智能壓實設備的研制上取得了新的突破。此外，作為智能化發展方向之一的無人駕駛技術也取得了一些進展。例如國防科技大學研制出了國內第一臺無人駕駛的振動壓路機—W1102DZ型振動壓路機。但W1102DZ型振動壓路機未能與連續壓實控制技術結合，無法實現振動壓實的智能化[4]。由此可見，我國的智能壓實設備研制目前仍處于初級階段，尚未實現真正意義上的智能化應用。

目前，國內外關于連續壓實控制技術的設備研制成果主要包括連續壓實設備研制和智能壓實設備研制兩個方面。其中，連續壓實設備和系統的研制取得了較大的發展，但是其實質性的進步依賴于壓實程度評估方法的改進和創新。智能壓實設備研制是目前的研究熱點，也是未來連續壓實控制技術設備研發的發展方向。實際上，智能壓實大體是沿著調節“振動頻率、振幅(激振力大小)和激振力方向”這三種模式演化的[4]。目前，智能壓實設備研制中的機械硬件性能研究取得了較好的發展，即較好解決了碾壓過程中壓實工藝參數“能否調節”的“硬件”問題。而解決好“如何調節”和“調節多少”的“軟件”問題則有待于壓實程度評估方法的發展和人工智能技術的進步。

4 技術標準與工程應用

4.1 連續壓實控制技術標準

自20世紀90年代起，歐洲一些國家陸續發布了關于連續壓實控制技術的規范和標準。例如：奧地利于1990年發布了RVS 8S.02.6，并分別于1993年和1999年進行了修訂。瑞典于1994年頒布了BYA92、ATB Vg，并于2004年進行了修訂。德國于1994年頒布了ZTVE-StB-93，并于1997年進行了更新，于2009年進行了部分修訂。另外，法國、荷蘭、愛爾蘭等國家也正計劃起草連續壓實控制技術標準和規范。2016年，歐盟頒布了PD CEN/TS 17006:2016(試用版)，并于2018年宣布正式實施。這標志著連續壓實控制技術在歐洲地區已經形成了統一的標準，即將開展大規模的推廣應用。美國絕大部分的州交通局均已頒布了州立智能壓實標準，美國地區的統一標準也已經完成起草，預計近年正式發布和實施。我國于2011年發布了首部連續壓實控制技術的國家行業標準TB 10108—2011，其后于2015年發布了中國鐵路總公司企業標準Q/CR 9210-2015，并于2017年頒布了中國第一份公路路基智能壓實的推薦性標準JT/T 1127—2017。各國家(地區)標準和規范的大體思路基本一致，主要是針對地域性差別，在連續壓實檢驗指標、質量控制方法和質量驗收標準等內容的具體規定和要求上有所差異。

4.2 成功的案例

隨著連續壓實控制技術相關標準和規范的發布與實施，該技術逐漸得到了普遍采用[56-64]，積累了大量成功的應用經驗。德國科隆—萊茵河高速鐵路項目對連續壓實控制技術進行了較好應用。該項目填料為級配良好的粗顆粒填料，碾壓設備采用了Bomag公司生產的具有良好性能的BW型振動壓路機。采用連續壓實控制技術進行大規模的路基碾壓施工時嚴格控制了碾壓厚度和碾壓速度，碾壓完畢后質檢部門結合連續壓實控制測試數據識別碾壓的薄弱區域，并在薄弱區域進行常規質量抽檢，以復核路基的壓實質量。德國的后勤中心也成功應用了連續壓實技術。該項目利用GPS技術并結合連續壓實控制平臺實時獲取碾壓厚度、碾壓遍數、行車速度等碾壓參數，大大提高了工程管理效率。同時，根據連續壓實控制測試結果合理優化了碾壓遍數，不僅節約了30%的工期和成本，而且有效避免了“欠壓”等質量問題。美國Amman公司在羅利地區的某瀝青路面壓實施工中也采用了連續壓實控制技術。該項目通過現場標定試驗并結合工程經驗建立了連續壓實控制指標Evib與壓實度、K30的一元回歸關系。結果顯示兩類指標之間的相關系數均在0.8以上，具有強相關性。通過率定得到的碾壓目標值成功實現了路面的連續壓實控制，有效提高了瀝青路面的壓實質量。我國于1993年開始對連續壓實控制技術進行了試驗性應用，其中在東北三省的高等級公路碾壓施工中應用較多。應用結果表明：當填料為細粒料時，VCV與彎沉檢測值/壓實度之間存在較好的線性相關性，采用連續壓實控制技術能夠取得較好的應用效果。隨著我國高速鐵路的快速發展，連續壓實控制技術于2008年開始應用于我國鐵路建設中，并積累了豐富的成功應用經驗。例如京滬高速鐵路鄒城段、滬昆高鐵婁底段和芷江段、石濟鐵路客運專線平原東站站場路基段和京沈客運專線TJ-10標段采用連續壓實控制技術均取得了成功的應用。上述成功應用了連續壓實控制技術的鐵路建設項目存在一些共同點：(1)填料性能優良，且填料含水量均控制在最優含水率附近；(2)施工過程控制嚴格，碾壓厚度、碾壓速度等施工工藝參數嚴格按照評審方案執行；(3)較高的工程管理水平，業主、監理、施工單位建立了有效的溝通平臺和管理機制，較好地實現了“運行-回饋-決策-響應”的良好施工模式。隨著成功經驗的積累，2013年由原鐵道部頒發的[2013]3號文件將“連續壓實控制技術”作為新技術在鐵路建設領域進行了全面推廣，積極促進了連續壓實控制技術在我國的發展和應用。此外，在2013年甘肅成州機場的建設項目中也成功應用了連續壓實控制技術。該機場項目的最大填高為60 m，對壓實質量要求較高。在碾壓施工過程中，采用了連續壓實控制技術結合現行鐵路標準TB10108—2011進行壓實質量控制，不僅確保了工程質量，還取得了較好的經濟效益。與此同時，連續壓實控制技術在168 m壩高的雅礱江官地碾壓混凝土壩、119 m壩高的金沙江龍開口碾壓混凝土壩和糯扎渡心墻堆石壩等工程項目上得到了初步應用，取得了良好的效果。由此可見，連續壓實控制技術已經在公路、鐵路、機場、大壩等多個領域得到了成功的推廣應用。

4.3 失敗的案例

連續壓實控制技術既有大量的成功應用經驗，也有不少失敗的案例。日本建設省土木研究所在20世紀80年代曾對壓實度計方法進行過較為細致的研究[33]。分別針對夾粉土礫、夾黏土礫和堆石料3種材料進行了對比試驗。試驗表明，CMV只對含有較多細顆粒的填料在某種程度上是有效的，而對于堆石料等粗粒堅硬填料的效果欠佳，因而在其高速公路建設中未進行推薦應用。中國在沈陽至丹東高速公路建設中曾計劃采用壓實度計方法進行壓實質量控制。該項目采用了粉土、黏性土、碎石等多種填料，各類填料的顆粒粒徑、級配存在巨大差異，且填料的含水量變化幅度較大。現場率定試驗表明CMV與壓實質量之間沒有很好的相關性，因而沒有能夠進行成功應用。哈爾濱至大連高速鐵路進行了試驗性應用，但受到碾壓機械性能的影響，激振力、振動頻率、振幅等碾壓參數均存在一定程度的不可控波動，導致實際的應用效果欠佳而無法滿足質量控制要求，因而未能在該項目展開大規模的工程應用。沈陽至鐵嶺高速公路、長春至扶余高速公路等項目涉及到溫度、含水量變化等諸多問題，使連續壓實控制技術的應用變得十分復雜，難以得到較滿意的應用結果。此外，還有很多工程項目由于沒能進行成功的應用而沒有進行相關報道，其失敗的原因不詳。

從有限的失敗案例報道和記錄來看，連續壓實控制技術未能取得較好的應用效果或者無法進行應用的主要原因總結如下。(1)壓實程度評估方法選擇不合理，選用的方法針對本工程項目的適用性不強。根據各類壓實程度評估方法的基本原理進行分析可知，各類方法自身存在一些局限性。例如壓實度計法是通過諧波失真的程度評估壓實質量，當現實中存在跳振情況時，諧波將會呈現出高度的非線性而無法得到準確的結果。而振動碾壓礫石、碎石等粗顆粒填料時，當填料達到一定壓實程度后十分容易產生跳振現象。力學方法將土體假定為開爾文體，未考慮土體壓實過程中的塑性變形，且該方法為了求解微分方程通常不考慮滯后角或者假定滯后角為某一個固定的值，這與土體的黏彈性特性不相符。當填料為黏性土等細顆粒填料時或者當填料的含水量變化較大時，這種假定將帶來更為明顯的偏差。實際上，很難有一種能夠全面貼近實際情況的壓實程度評估方法。因此，實際應用中需結合工程實際針對不同類別的填料選用不同的壓實程度評估方法。(2)碾壓參數變動大，連續壓實控制指標與壓實質量難以建立線性關系。由連續壓實控制技術的基本理論可知，該技術是通過建立連續壓實控制指標與常規質量檢測指標的聯系或者根據連續壓實控制指標的相對變化來間接評估填筑體的壓實質量，保持碾壓參數恒定不變是應用該技術的基本條件。然而，現實中的填筑工程所使用的填料通常是就地取材，填料的類別和性質差異較大。加上受到機械性能以及人為因素干擾的影響，包括機械工藝參數和施工工藝參數在內的碾壓參數往往難以做到實時的、全面的精準控制。(3)工程管理粗放，工程技術人員的水平參差不齊。傳統的壓實質量控制是在施工完畢后通過常規質量檢測進行“事后控制”，壓實的過程控制往往被忽視。而連續壓實控制技術是對壓實質量進行“事中控制”，壓實的過程控制直接影響到連續壓實評估結果的準確性。傳統的“重結果而輕過程”的思想在一定程度上限制了連續壓實控制技術的成功應用。另外，我國對連續壓實控制工程技術人員暫未實行統一的培訓和持證上崗，工程人員的技術水平參差不齊，這也是影響連續壓實控制技術成功應用的重要原因之一。

目前，連續壓實技術得到了越來越多的工程應用，既有成功的經驗也有失敗的教訓。工程應用研究表明[1-4，36-37，57-61，65]，雖然連續壓實控制技術的理論和方法有待于進一步研究和完善，但是在嚴格控制填料和碾壓參數的前提下，通過科學合理的工程管理與多方協調把控，采用連續壓實控制技術仍然能夠得到較為滿意的結果。

5 結論

我國將長期處于填筑工程迅速發展和建設時期，填筑工程質量控制中的傳統樣點檢測方法將逐漸被具有過程控制、全面覆蓋等顯著優勢的連續壓實控制技術所取代。然而，大量研究和實踐表明，當前連續壓實控制技術存在壓實程度評估方法的普遍適用性欠佳[1-3，36-37，65]、受碾壓參數不可控波動以及填筑體特性成層問題的影響大[3-5]、智能/連續壓實控制設備滯后于理論[1-3]等諸多欠缺和不足。因此，為了適應我國經濟和社會的高速發展與進步，改進和完善連續壓實控制技術基本理論，加強連續/智能壓實設備研發，提高工程管理和施工技術水平，從而促進連續壓實控制技術在我國取得更廣泛的成功應用具有重要的現實意義。本文通過對國內外連續壓實技術進行較為系統的梳理和總結，得到的主要結論和建議如下。

(1)智能/連續壓實控制技術是諸多學科和領域交叉的新興技術，單純以某一個專業為導向進行研究和探索往往難以得到滿意的結果。因此，多學科的協同研究是發展該技術的必然之路。

(2)探索更貼近實際的壓實程度評估方法、解決填筑體性能參數分層和碾壓參數波動問題是連續壓實控制技術理論研究的熱點。智能碾壓設備的研制是連續壓實控制技術設備研發的趨勢，也是連續壓實控制技術向智能化壓實發展的關鍵。

(3)建立業主、監理、施工單位多方溝通平臺與協調機制，規范連續壓實控制工程技術人員的培訓與考核，有利于促進連續壓實控制技術在我國更廣泛的應用。

(4)當前連續壓實技術的應用需針對工程實際進行充分的分析和可行性論證，理論結合試驗并借鑒類似工程經驗是該技術進行成功應用的有效途徑。