振动压路机连续压实仪及控制指标研究

周保刚　谢立扬

摘要：通过对国内外压实连续控制的仪器类型进行介绍，全面解读了连续压实仪器的发展和控制指标，并分析了控制指标的差异和使用上的差别，为进一步开展压实连续控制仪器的研究、试验、开发和推广工作提供了一定依据，以便更好地对土壤和沥青路面压实进行有效地监控。

关键词：振动压路机；连续压实仪器；控制指标；土壤监测

中图分类号：U415.52 文献标志码：B

Abstract： The development and control index of continuous compaction meter were elaborated by starting with the introduction to several types of continuous compaction meters. The difference of control indices and how they are applied were analyzed， which provides basis for further research， test and promotion of the continuous compaction meter and helps to monitor the compaction of soil and asphalt pavement more effectively.

Key words： vibratory roller； continuous compaction meter； control index； soil monitoring

0 引 言

连续压实控制简称CCC，是指在压实过程中利用连续压实仪检测振动轮的动态响应信号，根据被压材料与振动压路机的相互作用，经过处理后得到能反映土体压实状况的控制指标。按振动轮响应信号处理方式的不同，形成了几种连续压实控制技术。基于这些技术多国学者进行了大量的研究，已研制出具有不同工作原理的压实检测仪器，如落锤频谱式路基压实度快速测定仪、瑞雷波法压实仪、核子密实度计、电涡流压实度计等，其中以安装在振动压路机上的连续压实度仪应用最广[1]。本文全面解读连续压实度仪的发展和控制指标，以便为有效监控沥青路面压实情况提供参考。

1 国内外连续压实度仪

目前在市场上使用的连续压实度仪主要由压路机生产厂家自己开发并使用，有以下几种类型。

Geodynamik开发的压实控制系统被广泛地用于Caterpiller、Ingersoll-Rand、Vibrobax的压路机产品上。它包括用于振动压路机和振荡压路机上的示波器，用于连续压实控制的文件系统、以及处理CCC数据的DC软件程序。

Ingersoll Rand 公司将智能控制技术应用于3种高频振动压路机上。3种HFA模型拥有8种振幅，每种设置都可以自动地调整振动频率。操作者可以通过这种设置选用高频低振幅完成薄层路面的作业；或者使用高振幅和低频率的搭配，完成厚实和坚硬路面的作业，从而降低破坏路面总体结构的风险，提高工作效率。

Bomag使用了一种特殊的沥青管理系统，使压路机压轮可感应出路面的硬度和温度。当路面材料变得坚硬时，压路机的压轮会自动调节能量输出方向，由垂直变为水平，以保证达到路面的压实要求，且不会伤害路面沥青造成过度压实。这套系统还能提示操作者路面温度的高低，帮助操作者决定距离摊铺机的远近。

Sakai公司的精确压实系统能够保持精确的工作速度来完成压实工作。当压路机启动时，所产生的冲击出现在系统显示屏上，一个简单的控制按钮能够帮助司机完成复位或完成每步幅8～12次的振动。精确压实系统在Sakai的SW850和SW900双钢轮压路机中使用。

Caterpillar的压路机采用 AccuGrade 压实技术，使压实更为简单容易。 该系统可以判断工作过程中的土壤压实效果并通过GPS进行位置测量，提高压实质量，显著降低运营成本，减少不必要的人力投入并优化生产率。

瑞士Ammann公司推出了“ACE”压实控制专家系统，这套系统可根据沥青或土壤情况，自动调整频率和振幅大小。 “ACE”系统可安装在任何压轮上。此外，它还配置一个红外温度仪，以防止压实在过高或过低的温度下进行。

国内西南交通大学的研发团队承担了交通领域第一个连续压实控制方面的科研项目，并提出了一套与动力学方法配套的量测系统——压实过程监控系统（CPMS V1.0）。该系统由振动传感器、数据采集装置、现场数据处理与控制软件、后台数据处理与管理以及信息传输软件等组成，可以装配在任何振动性能稳定的振动压路机上[2-3]。目前已经发展到CPMS V5.0，实现了信息化管理和控制。

2 连续压实度仪测量指标

2.1 CMV指标

A2Ω与AΩ的比值是一个非线性的值。对线性压路机-土壤系统，30 Hz的激振频率产生的振动轮加速度一次谐波为0，A2Ω与AΩ的比值将会为0。而压路机-土壤系统是非线性的，在压实过程中，振动轮加速度响应会产生失真，正弦波发生畸变。所以，通过用傅立叶变换分析激振频率的倍数， A2Ω与AΩ比值可以衡量压路机振动波形失真和非线性的程度。

用实测2个周期以上的振动轮垂直加速度谐波的频谱来分析CMV，如图1所示。显示的CMV是多于2个周期计算的平均值。Geodynamik公司的仪器测量时间通常大于0.5 s，采样时间可调。加速度计的1%失真率会影响CMV的精确度。Geodynamik报告指出，CMV在10以下时，可信度比较小。

CMV指标与土壤压实度、刚度的关系完全依赖于试验。影响CMV指标准确性的因素有：压路机的型号、振动的振幅和频率、前进的速度、土壤的类型和下基层土壤的压实情况。因此，在连续控制压实上应用CMV指标需要仔细的校正，且在随后的实地监测中，要严格保证校正的系数准确。目前戴纳派克公司、卡特彼勒和英格索兰公司都利用CMV进行了压路机压实度的监测。

2.2 Omega 标准

2.5 VCV指标

在西南交通大学制定的《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程》（TB 10108—2011）标准中，提出了连续压实指标VCV。VCV也是一个力学指标，其原理是将振动压路机压实过程看作是一种动态载荷加载过程。振动压路机作为加载设备，土壤是作业介质，根据压路机与土壤之间的相互作用，连续测量振动压路机振动轮垂直振动加速度信号，建立检测评定与反馈控制体系。通过路基结构的反作用力来分析和评定路基的压实状态，得到与土壤抵抗力有关的指标VCV，进而实现碾压过程中压实质量的连续控制，其工作原理如图5所示。VCV试验与平板载荷试验相似，只是加载方式和测试范围不同而已。

3 测量值评估

为了对各种测量指标进行比较，国外学者Adam和Kopf在一个弹性半空间里，对压路机振动进行有限元分析，以土壤模量为变量分析对压实参数测量值的影响，试验结果如图6所示。试验结果表明， CMV随着土壤模量E的增加而增加，但对于恒定的土壤模量，CMV大小依赖于振幅的变化。因此，对于相同的土壤来说，1个较大的偏心力会产生大的CMV。

在连续接触和局部隆起的模型中，Ev对土壤模量的变化很敏感，土壤模量的增加会使Ev值也增加。在连续接触的模型中，Ev对振幅的依赖性不强，而在部分隆起的模型中，Ev随着振幅的增加而增加。这种对振幅的依赖性在硬性土壤中会更加明显。类似于Ev，KS也随着土壤模量增加而增加，特别是在土壤部分隆起时。Mooney and Rinehart也验证了这种振幅与土壤刚度间的依赖性。在连续振幅下，Omega标准对土壤刚度很不敏感；在连续的土壤模型里，CMV、Ev和KS都表现出来对振幅的依赖性。但理想状况是测量值应不依赖于偏心力和振幅，尤其是对可变振幅控制的压实。

图7表明，对一个给定的相对振幅，数值推导出来的CCC量值是土壤模量的一个函数。在连续接触模型中，Omega、Ev和KS线性地随着土壤模量变化而变化，而CMV是相对稳定的。在部分隆起的土壤中，对于土壤模量的变化，CMV很灵敏，Omega的敏感性最小。

多个国家的研究结果都表明，CMV只有采用特定的压路机碾压一些细粒料时是有效的，而在很多情况下并不能真实地反映压实质量信息，这是许多国家放弃CMV这个指标的主要原因。

4 结 语

总体来讲，国外的连续压实技术各有特点，但都有一定的局限性，究其根源，主要还是控制指标引起的。中国虽然在这方面做了大量研究，但缺乏系统性和连续性，至今还没有一套成熟的产品在国内推广使用，今后还需要加大力度，进一步开展连续压实度计的研究、试验和推广工作，以便更好地对土壤和沥青路面压实进行有效的监控。

参考文献：

[1] 管会生，陆建新.BAOMAG压路机机载压实控制系统[J].筑路机械与施工机械化，2007，24（2）：52-54.

[2] 崔树华，汪学斌，周 峰，等.压实度实时检测技术发展与实践[J].建设机械技术与管理，2012（8）：18-22.

[3] 沈培辉，杨 平.路面压实密实度评价方法的研究现状及展望[J].工程与试验，2010，50（2）：1-3.

[4] 杨 璐，冯占强.智能压实技术发展概况[J].工程机械文摘，2011（1）：50-53.

[5] 徐光辉.中国交通领域连续压实控制发展概述[J].建设机械技术与管理，2014（8）：43-45.

[6] 官文龙.压实计方法在连续压实控制应用中的局限性分析[J].路基工程，2012（4）：51-54.

[责任编辑：杜敏浩]