公路水稳层振动压实质量实时监控与评估研究

刘东海，林 敏，李子龙

(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

公路水稳层振动压实质量实时监控与评估研究

刘东海，林 敏，李子龙

(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

目前通常采用挖坑取样法检测路基水稳层压实质量，不仅破坏路面整体结构，干扰后续施工作业，而且用有限个试坑样本反映整幅路段压实质量，存在一定偏差。研制开发了公路水稳层振动碾压质量实时监控系统，建立了压实质量实时监测指标(Compaction Value，CV)与水稳层压实度之间的质量评估模型，提出了水稳层全工作面压实质量快速评估方法，可分析压实均匀性和判断碾压薄弱区域，实现了100%施工区域水稳层压实质量的实时监控与反馈控制，为确保高等级公路水稳层施工质量提供了新的技术手段。

道路工程；水稳层施工；压实质量；实时监控；质量评估

0 引 言

高等级公路水泥稳定碎石基层(简称“水稳层”)作为沥青面层的下承层，其压实质量是影响路面使用性能和耐久性能的重要因素。根据JTG F 10—2006《公路路基施工技术规范》规定，一般采用灌砂法对水稳层压实质量进行检测。但由于试坑样本有限，往往不能全面反映整个工作面的压实质量，个别未完全压实的区域可能不易控制；另外，灌砂法属于事后控制，费时费力，无法快速获得检测结果，容易对后续道路施工作业带来影响。

目前国内外已有较多关于道路碾压质量连续控制的研究，主要集中在道路智能碾压(Intelligent Compaction, IC)技术方面[1]，其由连续碾压控制技术(Continuous Compaction Technology, CCC)[2]发展而来。CCC是一种提供100%覆盖碾压区域的QC/QA(质量控制/质量保证)方法。许多国外公司纷纷推出各自的压实效果实时监控系统，比较有代表性的有德国BOMAG的碾压可变控制BVC(BomagVario Control)[3]、瑞士AMMANN的ACE(Ammann Compaction Expert)[4-5]、瑞典Geodynamik的碾压度量计(Compactometer)[6-7]及美国Caterpillar的基于压路机净输出(Machine Drive Power，MDP)[8-9]的碾压过程监测系统等。另外，Q. XU等[10]将IC技术应用于沥青混凝土的压实质量实时监测，以获取最优的碾压遍数。国内，徐光辉等[11]以土石路基结构在碾压过程中的抗力变化来评价压实状态的变化，提出了更适用粗粒土的压实质量连续监控技术。利用钟登华等[12]研制开发的心墙堆石坝施工质量实时监控技术，刘东海等[13-15]针对心墙坝料、土石坝料、堆石坝料等提出了碾压质量快速评估方法，实现了这些被压土石料压实质量的实时监控。李智等[16]采用图像处理技术来分析沥青内部微观结构，从而快速评论混合料压实情况。谭忆秋等[17]基于光纤光栅传感技术，分析应变响应变化与压实度之间的关系，实现了对沥青路面压实过程的监测。但是，上述研究并非针对水稳层混合料，由于料性存在较大差异，上述技术是否适用于水稳层混合料还需做进一步的研究。

目前国内外针对公路水稳层的研究主要集中在材料特性及配合比设计方面，如沙爱民[18]、周卫峰等[19]。现有对于水稳层施工质量的控制，也只是通过控制振动参数[20]，以及人为方式控制碾压速度、碾压遍数、碾压时间等方法来实现[21]，但没有涉及在施工过程中对水稳层压实质量的实时监控与评估。因此，有必要结合高等级公路水稳层施工工艺及料性的特点，深入研究水稳层压实质量实时监控与评估方法，这对于提升高等级公路水稳层施工质量、确保公路使用寿命具有重要实践意义。

笔者将利用课题组前期开发的公路路基压实质量实时监控系统[22]，首先研究压实质量实时监测指标CV[15,22]与公路水稳层混合料压实度的表征关系，进而在研制开发公路水稳层振动压实质量实时监控系统的基础上，深入研究水稳层混合料压实质量实时监控与评估方法，最后是工程应用研究。

1 水稳层振动压实质量实时监控方法

1.1 监控指标确定

利用课题组前期参考CMV[3]定义，提出的压实质量实时监测指标CV(Compaction Value)作为公路水稳层压实质量的实时表征指标[15,22]。通过安装在碾轮上的加速度计，获取振动轮的加速度值，经傅里叶变换，得到加速度的各谐波分量，则CV可定义为

(1)

式中：A2，A4分别是加速度频谱图中基频和二次谐波的幅值；a为常数，为使CV值不致过小，笔者取300。

现有研究表明，压实材料密度越大，振动轮的加速度畸变也越大，谐波分量也越多，CV值也就越大[15,23]。尽管CV在心墙坝料、堆石料及二灰土路基料上与压实度存在较好的相关性[13-15, 22]，其可作为上述被压料的压实质量实时监测指标，但水稳层混合料作为半刚性基层材料与上述材料存在较大的差异，CV能否对水稳层混合料的压实质量进行精确表征，笔者将进行进一步的试验研究。

1.2 监控系统开发

在课题组前期研发的公路路基压实质量实时监控系统基础上，定制开发了公路水稳层振动压实质量实时监控系统(RTM-WSL)，系统组成如图1。该系统主要由GPS基准站、GPS流动站、压实质量实时监测装置(CV采集仪)、控制机、无线数据传输单元(DTU)、服务器(包括数据服务器和应用服务器)和监控客户端等部分组成。

图1 公路水稳层振动压实质量实时监控系统结构Fig.1 Structure of the RTM-WSL system

通过安装在压路机上的压实质量实时监测装置及GPS接收机，实时采集压实质量监测指标CV及压路机的动态坐标(采用RTK实时动态差分技术，经基准站差分计算，水平定位精度达到2～3 cm)。然后，将实时采集的CV值和坐标数据在控制机内根据时间同步进行数据匹配，再由控制机通过DTU经GPRS网络发送至位于远程服务器上的数据库中。接着，服务器端的应用程序读取上述数据，动态绘制碾压轨迹线，并计算压路机行进速度、碾压遍数、振动频率和实时CV值等施工参数，并将结果传送至PC客户端上显示，用于水稳层碾压质量的实时监控。

1.3 监控流程

应用RTM-WSL系统对水稳层碾压过程进行实时监控，主要包括如下3个步骤：

1)监控准备。首先，对水稳层需要监控的区域进行单元规划，包括设置监控区域的边界坐标、高程以及监控标准(标准碾压遍数、标准行进速度、标准CV值等)。然后，对将要碾压的工作面进行碾压层设置，主要参数包括碾压层名称、高程、边界坐标等。接着，进行施工车辆派遣，确定待监控工作面施工的压路机编号。最后，开启碾压监控客户端。

2)过程监控。将监控区域激活，进行碾压监控，监控客户端通过读取服务器端的实时计算结果，动态显示碾压轨迹、碾压遍数、行进速度、振动频率和CV值，并可对任意位置处的碾压情况进行信息查询。当该施工单元碾压结束后，关闭过程监控。

3)成果输出。碾压监控结束后，系统可根据监测到的压路机轨迹点坐标以及CV值，生成碾压遍数和碾压CV值的图形报告，作为反馈指导施工的依据。

具体监控流程如图2。

图2 水稳层振动压实质量实时监控流程Fig.2 Real-time monitoring process of vibration compaction quality

2 水稳层振动压实质量全工作面评估方法

利用开发的RTM-WSL系统，可对水稳层的压实质量进行全工作面评估。具体评估步骤如下：

1)CV实时采集

在压路机对水稳层进行碾压过程中，RTM-WSL系统实时采集当前碾压位置处的压实质量监测指标CV及其对应的坐标，并通过DTU单元无线发送至远程数据库服务器中进行储存。

2)压实质量评估模型建立

尹冉等[24]研究表明，含水率ω对水稳层混合料的压实度K有重要影响。这些影响因素与压实度之间的关系可通过现场试验建立。具体步骤如下：首先，设置试验条带，并在条带上设置试验点，如图3。接着，记录每一遍压路机通过试验点的时间，并在终遍后对试坑进行灌砂法试验，测得压实度K，并取部分混合料烘干，可计算得到含水率ω；然后，将获取的压实度值与RTM-WSL系统获取的CV值进行匹配；最后，再将采集到的CV值、含水率与压实度K构成样本进行回归分析，建立水稳层压实度评估模型，如式(2)，并需对该模型进行显著性检验。

K=f(CV,ω)

(2)

3)采样点压实质量实时评估

利用步骤2)中建立的模型，以及RTM-WSL系统实时采集的CV，可快速计算水稳层混合料的压实度。

4)全工作面压实质量插值

压路机行进速度一般控制在3 km/h，安装在压路机上的压实质量实时监测装置(CV采集仪)按照一定的间隔时间(2～3 s)采集CV值，则采样点间距为2 m左右，故由其计算得到的压实质量(压实度)也是离散的。因此，为评估全工作面任意位置处水稳层的压实质量，需对离散的采样点进行空间插值。鉴于Kriging插值法具有逼近程度高，外推能力强，且能考虑数据空间相关性等优势，笔者选用Kriging法[14,22]对CV与压实度进行全工作面的插值。

5)压实度均匀性分析

变异系数可以衡量施工路面的压实度均匀情况[25]。碾压工作面压实度的变异系数可由式(3)计算：

(3)

式中：COV为变异系数；KSD为压实度标准差；KMN为压实度平均值。

将Kriging插值后的全工作区域划分成足够小的网格(文中实例取0.5 m×0.5 m)，得到每个网格上的压实度值，则可统计得到KSD和KMN。

一般地，变异系数越小，水稳层混合料压实质量的均匀性越好，对于延长路面疲劳寿命、提高路基承载力越有利[25]。

6)CV控制标准确定

根据实际施工中的水稳层压实度K控制标准，可由步骤2)建立的回归模型式(2)，可推求得到CV的控制标准。

7)评估结果与施工反馈

根据上述步骤得到的水稳层任意位置处的压实质量及设定的质量控制标准，可分析压实质量合格或不合格区域，并用不同颜色在压实质量云图中标识，以示区别。据此，来反馈指导现场施工，及时地对不合格区域采取相应补救措施，以保证全幅路段的水稳层的压实质量。同时，可根据下式计算全工作面压实质量的合格率：

(4)

式中：μ为全工作面压实质量合格率，μ越大说明现场施工过程中，压实质量控制的越好。；SD为压实质量云图中压实质量实时监测指标CV大于合格值的区域的面积；SA为整个碾压工作面的面积。

3 工程应用

以天津市滨海新区西外环高速公路某标段工程为例，该标段路基填筑双层水稳层混合料，使用徐工220单钢轮压路机进行碾压。共设置2个试验段。长40 m，宽2×2 m的碾压试验条带。综合考虑压路机行走速度、条带长度和压实振动监测装置的采样频率，在试验段1中两个条带平行各布置8个试验点，并用喷漆标示，如图3。试验段2中设置8个检验点作为模型验证样本。

图3 试验布置Fig.3 Arrangement of field tests

碾压过程中，利用RTM-WSL系统实时监控压路机碾压轨迹、行走速度、碾压遍数、振动频率和CV值，系统监控界面如图4。压路机每遍通过试验点时，记录其通过的时间，并与服务器中的CV值对应，保证采集到相同位置不同遍数下的CV值。为保证模型精度，试验段1中条带1在振动压路机碾压第4遍之后进行试坑试验，用灌砂法共采集了8个试坑样本值。试坑数据采集后继续完成碾压。条带2在振动压路机碾压终遍(即第8遍)后进行试坑试验，采集8个检验样本值。

图4 公路水稳层振动碾压质量实时监控系统界面Fig.4 User interface of the RTM-SWL System

图5为水稳层试验段1碾压遍数与CV关系图。由图5可见，CV与碾压遍数有很强的正相关关系，R2为0.922 9，在试验碾压8遍以内，CV随遍数基本呈负指数规律增加。发现在同个测点的情况下，CV随碾压遍数增加而增加的相关性更强(见表1)。

图5 CV与碾压遍数关系Fig.5 Correlation between CV and numbers of rolling pass

表1 不同测点处碾压遍数与CV相关系数

图6为1#测点位置的碾压遍数和CV的关系(R2=0.982 3)，表明CV可以作为表征压实度的指标。进而，对试坑取样处的压实度K与CV值和含水率ω之间进行相关性分析，得

K=0.004CV-2.476ω+0.853

(5)

图6 1#测点处CV与碾压遍数关系Fig.6 Correlation between CV and numbers of rolling pass at Pit No.1

经试坑试验发现，由于在水稳层混合料在搅拌和运输过程中级配及含水率均控制较好，碾压时水稳层混合料的含水率基本能保证在最优含水率4.4%左右，且料性均匀，因此，在试坑点处，这些参数基本不变化，即与压实度的相关性不显著。并经计算，含水率与压实度之间的相关系数R2为-0.051。 剔除含水率之后，如图7，发现CV与压实度之间也呈较强的线性关系，两者相关系数R2为0.719，且有如下回归关系：

K=0.004CV+0.744

(6)

图7 CV与压实度K的关系Fig.7 Relationship between CV and compactness K

图8为实测的压实度值与模型计算的压实度值的比较图，最大绝对误差为4#测点的2.7%，平均绝对误差为1.24%。因此，从上述分析结果可见，采用CV来表征水稳层各层的压实质量是可行的，精度能满足工程要求。需要指出的是，若设计配合比改变或实际施工中水稳层混合料的含水率及混合料级配不能保持基本不变(即料性不均匀)时，则需要考虑上述因素，重新建立回归模型。

图8 检验点压实度实测值与计算值的比较Fig.8 Comparison between the measured compactness and the calculated one of test point

利用式(3)分析施工工作面压实质量的均匀性(图9)，得到试验段1和试验段2水稳层混合料的变异系数分别为0.72%，0.72%，表明水稳层压实均匀性较好。

图9 全试验段压实度均匀性统计Fig.9 Statistics of compaction uniformity with 100% coverage of the test route

根据工程现场试验实际情况，采集的压实度为振动压实之后的值，不包含最终静压。并通过试验表明，将振动压实的压实度设置为JTG F 801—2012《公路工程质量检验评定标准》规定极值的94%，在静压后可达实际施工要求95%以上。因此水稳层混合料振动压实度的控制标准为K≥94%即可认为合格。根据式(6)，求出对应的CV控制标准为CV≥49。由此，若CV值小于49，则压实质量不合格。利用第2节介绍的方法，根据Kriging插值得到的全工作面CV与压实度云图，如图10。

图10 CV与压实度分布云图Fig.10 Distribution nephogram of CV and compactness

然后，分析判断该水稳层碾压遗漏的不合格区域，见图10阴影部分。由于式(6)得出压实度与CV之间是线性相关的，所以压实度与CV的云图分布规律相同。由式(4)可得，试验段1的碾压合格率为100%，试验段2的碾压合格率为97.7%。据此，在碾压结束后，还需对不合格区域进行补碾，以确保水稳层压实质量。

4 结 语

笔者针对高等级公路水稳层碾压质量控制的要求和特点，结合滨海新区西外环高速公路项目，将压实质量实时监测指标CV作为高等级公路水稳层混合料压实质量实时表征指标，通过实验得到了水稳层混合料压实度K跟CV之间的关系，并建立两者之间的回归模型。结果显示CV与压实度之间有很强的线性相关关系，所建立的模型精度较高。基于该模型以及实时采集的CV，实现了施工路段水稳层振动压实质量的实时监控与评估，并利用Kriging插值方法生成施工全作业压实质量云图，可分析压实均匀性和判断碾压薄弱区域，为现场施工及时采取应对措施提供了依据。

笔者的方法可有效避免常规采用有限个试坑采样评价全路段压实质量的片面性，实现了100%工作面水稳层压实质量的有效控制，为确保高等级公路水稳层施工质量提供了新的技术手段。需要指出的是，由于试坑样本较少，可能会影响所建立的压实质量评估模型的精度，进一步提高模型精度是后续所需做的工作。

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Real-Time Monitoring and Assessment of Vibration Compaction Quality of Highway Water Stable Layer

LIU Donghai, LIN Min, LI Zilong

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, P. R. China)

The commonly-used inspection method of water stable layer compaction quality relies on spot sampling tests at current time. However, this method not only damages the pavement structure and interferes with subsequent construction operations, but also has a certain deviation, because of using the limited test pit samples to show the compaction quality of the whole road. Therefore, a real-time monitoring system for vibration compaction quality of highway water stable layer was developed, and a quality assessment model between the real-time monitoring compaction values (CV) and the compactness of water stable layer was established. Then, a fast compaction quality assessment method of water stable layer was proposed to analyze the compaction uniformity and judge the weak area of compaction. The proposed method realizes the real-time monitoring and feedback control of the water stable layer compaction quality with 100% coverage of construction zone, and provides a new technical measure to ensure the construction quality of highway water stable layer.

highway engineering; water stable layer construction; compaction quality; real-time monitoring; quality assessment

2015-05-21；

2015-12-24

国家自然科学基金项目(51479132)；天津市科技支撑计划重点项目(BZCZDSF01800)

刘东海(1974—)，男，浙江舟山人，教授，博士，博士生导师，主要从事大型工程系统仿真与优化,施工质量实时评估与安全分析方面的研究。E-mail：liudh@tju.edu.cn。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.11

U416.2

A

1674-0696(2016)06-051-06