路基智能压实技术探究

党晓 侯子义

（1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；2.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530022）

一、引言

压实度是控制路基施工质量最主要的指标。公路工程中一般采用灌砂法、环刀法和核子密度仪等方法检测路基压实度，其中灌砂法最为普遍。但传统压实质量检测方法存在着以下问题：检测点位和数据存在一定的局限性；检测结果滞后于压实过程，费时费力；不能实时监控压路机工作状态与压实过程，压实工艺和参数调整滞后。

近年来，基于振动压路机与被压材料动力学特性，通过检测振动轮加速度信号并利用信号处理和软件程序实时在线检测压实度控制压实质量技术得到广泛关注。智能压实即压路机操作人员结合实时反馈能够直观地观察到所碾压区域的压实程度。想要实现这一目标，以压路机、路基、感应设备、显示设备组成的整体就要建立实时的响应机制，从而准确地指导施工。

二、试验仪器

（一）压路机

采用的压路机为路基施工中常用的振动压路机。

（二）加速度传感器

振动压路机受工作环境影响较大，因此，加速度传感器需具备较高的灵敏度，以确保信号采集的准确性。本文采用的LC0107T型号IC压电加速度传感器，能够满足检测智能压实指标CMV值的使用需求。

三、建立CMV与传统指标的相关关系

（一）CMV 的计算

在实际应用时，第一步先将压实信号采集到加速度信号采集器中，然后运用快速傅立叶（FFT）技术开始频谱分析，得到不同受力状态下各个频率成分的幅值，最后截取一个周期内的信号并去掉其他各阶信号幅值，找到基频信号幅值和一次谐波幅值。智能压实系统对应的智能压实指标CMV可以用式（1）表示：

式中，A1为一次谐波幅值，A0为基频信号幅值，C为固定常数，然后在试验段用标准压实度检验方法测得的压实度值和CMV值之间建立相关关系，就可以实时监测控制压实度。

（二）CMV 的检测与展示

CMV检测系统由加速度传感器、数据处理单元及车载显示终端组成，系统采集到的加速度信号经过频域滤波处理后，可以得到一次谐波与二次谐波的幅值。按照CMV的计算方法便可得到每一时刻的CMV指标，将CMV值与全球定位系统GPS所采集到的实时坐标关联分析，即可确定碾压平面上每一位置的CMV值。这一计算过程在数据处理单元中实施，随后数据处理单元将采集到的原始数据通过串口线发送至车载智能平板电脑，经过专业软件解算后，可以形成CMV指标的云图，并通过红、黄、绿3种颜色区分压实效果的好坏。

（三）测试方案

为了分析CMV与压实度的相关关系，本文采集了施工段的CMV指标、动态回弹模量及灌砂法压实度等，涉及到黏土质砾和粉土质砾两种土质，选择两个试验段独立展开试验，黏土质砾的试验段位于广西南宁沙井至吴圩高速公路k2+700～k2+800桩号区间，粉土质砾的试验段位于沙吴高速公路k14+000～k14+100桩号区间，为了确保采集结果的可比性，两个地点的压路机型号、施工工艺及试验方法完全相同。

为避免试验数据集中在较小的范围而影响相关性校验结果，将试验区划分为3遍区、5遍区及7遍区3个碾压条带，这样可以确保不同条带下的压实度、动态回弹模量及CMV值存在明显差异，试验中对每个碾压条带的松铺厚度控制为30cm，碾压速度为3km/h，压路机由A点行驶至B点再按原路线倒回后记做碾压一遍。试验时，首先由安装智能碾压设备的压路机开展碾压作业采集CMV指标。作业完成后立即测试，在每一个测试点采集4次动态回弹模量，第一次测试结果往往受到地表平整度等因素的影响，数据与后3次差异较大，因此取每个测试点2、3、4次测试结果的平均值作为该点的动态回弹模量，回弹模量测试结束后，在原地采集各测试点的压实度值，压实度采集结束后，即可整理数据开展相关分析。

测试结束后，以CMV为横坐标，压实度与动态回弹模量为纵坐标开展线性拟合。

（四）结果及验证

试验结束后，统计两种土质的灌砂法数据、动态回弹模量ETML及对应点的CMV值，汇总结果如表1所示。

表1 实验数据统计

黏土质砾的拟合方程为y=0.34397x+81.75453，其相关系数r 为0.813，粉土质砾的拟合方程为y=0.35442x+82.2894，相关系数r为0.780，其中x值为CMV，y为压实度值（%）。CMV与动态回弹模量的校验结果，黏土质砾的拟合方程为y=0.812x+3.57135，其相关系数r为0.834，粉土质砾的拟合方程为y=0.874x+1.81463，相关系数r为0.834。从结果可以看到，两种土质下CMV值与传统指标的相关系数都大于0.7，具有较强的相关性。

由于智能碾压系统主要用于下路堤质量监控，现行规范中规定高速公路下路堤的压实度需大于等于93%，因此可采用93%压实度所对应的CMV作为目标CMV值，通过拟合方程可得，黏土质砾的目标CMV值为32.7，粉土质砾的目标CMV值为30.2。

为验证CMV指标预测压实度的准确性，在沙吴高速公路全线范围内随机确定点位复核压实度，通过手持GPS精准定位测试点，保证CMV与压实度的高度位置匹配。

校核结果如表2所示，计算压实度与实测压实度的组差在±2范围内，满足工程应用的需求，但同时也表明，当施工面压实度位于临界值时，容易出现误判，因此除压实度外，智能碾压系统对施工工艺监控也尤为重要。

表2 压实度误差统计

四、结语

振动压路机智能化连续施工路基压实度检测系统所包含的设备管理、实时监控、历史回放等多项功能模块，能够提供高效、精准的检测压实度值、碾压遍数、碾压层厚等施工参数，满足及时指导施工的需求。通过高速公路的试验路段建立了黏土质砾和粉土质砾两种土质下，CMV值与灌砂法压实度的相关关系，系统的压实度检测与灌砂法的试验压实度结果相对误差小于2%。