路基工程智能壓實檢測指標研究

【摘" " 要】：為了對路基的壓實質量進行連續實時監控，利用傳感器技術、GPS定位等關鍵技術研發了一款路基智能碾壓系統，由數據采集、傳輸及應用層3大部分組成，可以實現對關鍵指標的遠程監測及預警。采集不同碾壓遍數下同一位置的智能壓實檢測指標（CMV）、動態回彈模量及壓實度，建立了不同土質CMV與動態回彈模量及壓實度的相關關系，確立了目標CMV值。

【關鍵詞】：路基工程；智能壓實檢測指標；動態回彈模量；壓實度

Study on Compaction Meter Value of Intelligent Compaction for

Subgrade Engineering

DUN Changpeng1，HOU Ziyi2

（1.Tianjin Traffic and Transportation Infrastructure Maintain Group Co.Ltd. ，Tianjin 300201，China；2.School of Civil and Transportation ofHebei University of Technology， Tianjin 300401，China）

【Abstract】：In order to carry on the continuous real-time monitoring to the subgrade compaction quality， an intelligent compaction system was set up on vibratory roller， in which the technology of sensors and GPS positioning were used. The system was composed of data collection and transmission and applying parts. It can realize remote monitoring and warning of main items. The relation among compaction degree and value of intelligent compaction（CMV） of different soil as well as dynamic resilient modulus was built up. The target value of CMV was established.

【Key words】：subgrade engineering；CMV；dynamic resilient modulus；compaction degree

壓實度是保證路基施工質量的主要指標，傳統的路基壓實度檢測方法包括灌砂法、環刀法和核子濕度密度儀法，只能檢測個別點的壓實度，不能全面反映路基的壓實質量。20世紀70年代，瑞典GEODYNAMIK與DYNAPAC公司聯合開發了一種壓實計的產品并提出了智能壓實檢測指標CMV（compactionmeter value）[1]。壓實計法從技術上實現了利用CMV間接預測壓實度的可能性，但他如同汽車的儀表盤一樣，僅顯示瞬時的CMV值，既沒有記錄功能，也無法將CMV與具體的碾壓位置相匹配，因此只能提供部分參考，而無法提供準確的信息反饋。德國在21世紀初探索用力學方法研究連續壓實問題，引入了振動模量Evib這一新的壓實指標[2]。美國的caterpillar 壓實度檢測系統由加速度與角位移傳感器、無線數據傳輸模塊、控制盒、實時移動GPS接收模塊、場外GPS基站等組成，可測試CMV、跳振值RMV（Resonance Meter Values）和機器驅動力MDP（Machine Drive Power）[3～4]。

國內對于路基壓實質量連續檢測系統研究相對較晚，鄧學欣等[5]通過分析振動輪與土壤的力學模型建立相應運動方程，得到振動壓路機振動輪與土壤剛度、阻尼關系，由此研制出的振動壓路機壓實度檢測儀可對路基壓實進行實時監控；徐光輝等[6]在分析現有連續壓實質量控制方法后，提出動力學監控方式，由此得到適用于粗粒土的壓實度檢測方法。影響壓實度自動連續檢測的因素較多，與土質、含水率、碾壓速度、碾壓遍數、土層厚度等有關。本文結合實體工程介紹路基智能壓實檢測指標并與壓實度建立關系。

1 智能壓實指標

計算智能壓實指標首先要對壓實信號進行采集，輸入到計算智能壓實指標CMV（compaction meter value）的加速度信號采集器中。利用快速傅立葉（FFT）技術對信號進行頻譜分析，分析各頻率成分在不同受力狀態下的幅值；然后截取一個周期內的訊號，再將各階訊號的其他幅值截取在分析結果中，求基頻訊號波幅和一次諧波幅值。

（1）

式中：A0為基頻信號幅值；A1為一次諧波幅值；C為固定常數。

在試驗段將CMV值和標準壓實度檢驗方法測得的壓實度值之間建立相關關系，就可以進行實時壓實度的監測控制。

CMV檢測系統由加速度傳感器、數據處理單元及車載顯示終端組成。采集到的加速度信號經過頻域濾波處理可以得到一次諧波與二次諧波的幅值，按照CMV的計算方法便可得到每一時刻的CMV指標，將CMV值與GPS所采集到的實時坐標進行關聯分析，即可確定碾壓平面上每一位置的CMV值。這一計算過程在數據處理單元中進行，隨后數據處理單元將采集到的原始數據通過串口線發送至車載智能平板電腦，經過專業軟件解算后，可以形成CMV指標的云圖，通過顏色進行壓實效果區分。

2 路基智能壓實監控模型

2.1 壓實過程監控參數

對碾壓質量有重要影響的因素是碾壓機械的組合、技術水平、碾壓工藝及碾壓方法等；影響土基壓實質量的關鍵指標是壓實軌跡、速度和壓實度。當壓實度達到規定要求后再進行碾壓，則效果不明顯，可能會出現過壓情況；碾壓速度較快，雖然可以提高效率，但會降低壓實度、出現不平整的問題；因此，為了使碾壓效果較好，需要合理控制碾壓遍數、速度、壓實度，對壓實過程中的工藝參數進行實時監測，以便控制路基壓實質量，達到“過程控制”的監控要求。

建立土基壓實質量評價模型，見圖1。

智能壓路機用壓實度指標控制，普通壓路機用壓實遍數再借助GPS坐標來實現全路幅的壓實質量控制，避免漏壓、欠壓以及過壓。壓路機加載參數主要包括激振振幅、頻率、行駛速度、壓路機重量等信息；工程信息主要是工程項目名稱、起止樁號、碾壓面積、碾壓時間等內容。

2.2 壓實過程技術要求

實時監控壓路機的軌跡、遍數、壓實度等指標，實現壓實過程的管理。采用 GPSRTK 高精度定位，利用軌跡監測技術，可獲得 2～3 cm的動態定位精度；碾壓速度2.5～4.0 km/h；壓實度檢測值與試驗測量值的相關系數高于0.7。

2.2.1 軌跡和遍數監控

用GPS可實現碾壓軌跡監控，但民用GPS誤差大（定位誤差＞3 m），利用RTK（Real - time kinematic實時動態載波相位差分）技術和算法來提高定位精度。施工車輛安裝檢測終端，可通過監控中心對碾壓軌跡進行監控和回溯。

追溯碾壓遍數比施工軌跡更困難，需要通過特定的算法和技術將多機的壓實軌跡轉換為指定路基的遍數，然后通過實時監控及信息交互共享遍數，將壓實遍數實時顯示在虛擬平臺上，不同的壓實遍數用不同顏色表示；保證在多機協同作業時進行質量控制，并通過壓實導航來解決欠壓、漏壓點。壓實遍數和壓實區域在多機協調作業下的實時路基監控效果，通過不同顏色和多機協調作業，共享顯示出來。

2.2.2 壓實度監控

智能壓實系統采用加速度傳感器來監測路基的壓實質量，通過計算得到壓實度值。將壓實質量信息與壓路機實時GPS坐標相匹配，就可以了解施工面上任一點的壓實質量信息，起到路基壓實質量實時過程監控，可確保路基壓實的均勻性。

1）測試方案。為了分析CMV與壓實度的相關性，對南寧沙井—吳圩高速公路（以下簡稱“沙吳高速公路”）施工段進行了CMV指標、動態回彈模量及灌砂法壓實度的數據采集，選擇2個試驗段獨立展開試驗。沙吳高速公路SWK2+700～SWK2+800樁號區間為黏土質礫，K14+000～K14+100樁號區間為粉土質礫，兩段的壓路機型號、施工工藝及試驗方法完全相同。

為避免試驗數據集中在較小范圍影響應相關性校驗結果，將試驗區劃分為3遍區、5遍區、7遍區3個碾壓條帶，確保不同條帶下壓實度、動態回彈模量及CMV值有明顯差異。每個碾壓條帶的松鋪厚度控制為30 cm，碾壓速度為3 km/h，壓路機由A點行駛至B點后按原路線倒回后記做碾壓一遍。

試驗時，先由安裝智能碾壓設備的壓路機進行碾壓作業，采集CMV指標；壓路機作業完成后，立即進行每一個測試點的動態回彈模量測試，每一個檢測點采集4次動態回彈模量，第一次測試結果往往受地表平整度等因素影響，與后三次差異較大，因此取每個測試點2、3、4次測試結果的平均值作為該點的動態回彈模量；回彈模量測試結束后，用灌砂法在原地采集各測試點的壓實度值，壓實度采集結束后，所有的數據即已獲取，整理后便可以進行相關性分析；測試結束后，以CMV為橫坐標、動態回彈模量與壓實度為縱坐標，進行線性擬合。

2）結果及驗證。根據試驗結果，統計兩種土質的灌砂法數據、動態回彈模量ETML及對應點的CMV值。見表1。

CMV與壓實度的相關性擬合方程

（2）

（3）

CMV與動態回彈模量擬合方程

（4）

（5）

式中：x為CMV值；y為壓實度值，%。

兩種土質下CMV與傳統指標的相關系數都＞0.7，具有較強的相關性。

由于智能碾壓系統主要用于下路堤質量監控，現行規范中規定高速公路下路堤的壓實度標準為93%，因此可采用93%的壓實度所對應的CMV作為目標CMV值，通過擬合方程可得，黏土質礫的目標CMV為32.7，粉土質礫的目標值為30.2。

3 結論

利用智能壓實系統，借助GPS坐標可以實現全道面的壓實質量控制，避免漏壓、欠壓以及過壓；振動壓路機的加載參數主要包括激振頻率、振幅、行駛速度、壓路機工作質量等信息。通過試驗設計采集不同碾壓遍數下的CMV、動態回彈模量及壓實度，利用最小二乘法分別建立了兩種土質CMV與壓實度的相關關系及CMV與動態回彈模量的相關關系，結果表明CMV與壓實度與動態回彈模量具有較強的相關性，滿足工程使用要求。

參考文獻：

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[6]徐光輝，高輝，王哲人.路基壓實質量連續動態監控技術[J].中國公路學報，2007，20（3）：17-22

收稿日期：2023-05-10

作者簡介：頓長朋（1982 - ）， 男， 高級工程師， 從事公路工程施工技術研究工作。