不同VC值下基于压实功的RCC碾压参数控制标准确定方法

刘东海，孙龙飞，夏谢天

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350）

1 研究背景

碾压混凝土（RCC）坝料的压实由两方面因素控制：RCC本身工作度（VC值）和施工碾压参数。所谓VC值（vibrating-compacted values），是指采用维勃稠度仪将RCC拌合物从开始振动至表面泛浆所需时间的秒数。合适的VC值保证其本身具备可碾性，且保证层间结合质量，而当RCC坝料VC值一定时，其压实取决于多个碾压参数的综合作用。因此，针对不同VC值的RCC料，施以合理的碾压参数（碾压机静压力、激振力、行驶速度、碾压厚度、碾压遍数等），有利于精细化地控制施工过程、保证碾压质量。

已有的关于RCC坝料VC值研究，主要涉及用水量、浆砂比、含气量［1-2］、替代物（硅粉、橡胶等）［3-4］等对于VC值的影响，以及根据施工气候、或含水率及温度建立VC值变化的回归模型［5-6］，对VC值变化进行预测及控制。然而，这些研究主要讨论RCC材料本身的配合比或环境因素对VC值产生的影响，并没有建立针对VC值的碾压参数控制标准。关于碾压参数研究方面，主要包括不同碾压参数对于振动压实的作用规律［7-8］、碾压参数的监测方法［9-10］以及基于碾压参数的压实质量控制技术［11-13］等。尚未有涉及应对现场RCC坝料VC值变化情况下如何调整施工碾压参数的相关研究。

此外，由于碾压参数较多，在实际施工中如果对每一个碾压参数分别加以控制，不仅增加控制难度和管理成本，而且未必一定能够保证施工质量。因此，需要提出一个能够反映碾压参数综合作用、能表征RCC压实质量的指标。文献［14］从碾压机做功角度，给出单位体积压实功和单位面积压实功的概念，提出了基于压实功的碾压混凝土压实质量评估方法。然而，其只基于一种配合比，未考虑不同VC值的情况；实际上现场VC值多存在变化情况，当RCC坝料的VC值不同时，其压实所需要的能量（压实功）也不同，从而碾压参数设置也不相同。文献［15］虽然建立了不同VC值与单位体积压实功相关关系，但是一方面其压实功计算方法与实际施工有所区别，另一方面缺乏不同VC值下层面结合质量控制标准研究。

因此，为解决上述问题，本文在文献［14］基础上加以改进，利用课题组自主研制的多参数（碾压机静压力、激振力、行驶速度、碾压遍数等）可调式碾压模拟试验装置，针对不同VC值的RCC料开展碾压试验，进而利用考虑VC值的改进单位体积压实功及改进单位面积压实功指标，给出不同VC值下RCC碾压参数（碾压遍数）的控制标准，以助于加强现场多变情况下RCC坝料压实质量的精细化控制。

2 研究方法

首先，给出评估RCC本体压实质量的单位体积压实功和评估层面结合质量的单位面积压实功指标；接着，提出基于压实功的不同VC值下RCC坝压实质量评估模型及碾压参数控制标准确定方法；然后通过开展碾压试验，分别建立考虑VC值的改进单位体积压实功与RCC本体压实密度及压实度、改进单位面积压实功与层面抗剪强度比（层面抗剪强度/本体抗剪强度，层面抗剪强度绝对值随法向恒定应力不同而不同［16］，采用抗剪强度比以消除此影响）的关系模型；最后，利用模拟相似率并结合现场压实质量控制要求，利用上述方法确定碾压参数的控制标准。

2.1 单位压实功计算由参考文献［14］可知碾压N遍后碾压机所做的单位体积压实功为：

式中：A为碾轮振幅，m；W为碾轮的静线荷载，N；F为碾轮的激振力，N；N为碾压遍数；f为碾压机振动频率，Hz；B为碾轮宽度，m；H为碾压厚度，m；v为碾压机行走速度，m/s。

文献［14］考虑了传递到层面位置处的压实能量，并测量得到了衰减系数。实际上衰减系数与RCC坝料VC值及碾压厚度（振碾初始厚度）有关，而当衰减系数一定时，影响层间结合质量的层面处单位面积压实功，由上层本体表面单位面积压实功决定。因此本文只考虑上层本体表面单位面积压实功，则当碾压N遍后碾压机所做的表面处单位面积压实功为：

2.2 基于单位压实功的RCC压实质量评估模型基于上述单位体积压实功和单位面积压实功指标，针对不同VC值的RCC料开展碾压试验，并将含层面碾压试件按照规范要求进行养护。达到养护龄期后，测量芯样本体密度，压实度代表本体压实质量，测量芯样的层面抗剪强度比代表层面结合质量。然后根据设置的碾压参数（静线荷载、振动频率、振幅、行驶速度、碾压遍数等），计算总的单位体积压实功和单位面积压实功，并利用得到的样本数据，分别建立本体芯样密度、压实度及层面抗剪强度比与单位面积压实功、VC值的评估模型，如下式：

式中：ρ为芯样本体密度；Dr为芯样本体压实度；τr为层面抗剪强度比；VC为VC值大小；χ1、χ2、χ3分别为本体压实质量和层面结合质量评估模型的模型参数；f1（·）、f2（·）、f3（·）分别为本体压实质量和层面结合质量回归函数；ε1、ε2、ε3分别为模型函数的残差。

2.3 基于单位压实功的碾压参数控制标准的确定方法对于建立的压实质量评估模型，在应用于RCC压实质量实时控制之前，还需确定单位压实功和碾压参数的实际现场控制标准。单位压实功和碾压参数的现场控制标准确定方法如下：

（1）根据现场RCC料配合比，确定其实际VC值。

（2）确定现场实际压实质量要求，包括本体压实密度控制标准［ρ］、压实度控制标准［Dr］、层间结合质量控制标准［τr］。

（3）利用式（3）—（5），将［ρ］、［Dr］、［τr］以及VC代入，得到单位体积压实功［EB］和单位面积压实功［EC］的现场控制标准。

（4）以碾压遍数N作为主控指标（其他碾压参数同理），将［EB］、［EC］以及其他碾压参数（碾轮振幅A、振动频率f、静线荷载W、激振力F、轮宽B、碾压厚度H、行走速度v）分别代入式（1）和式（2），分别推求施工现场主控碾压遍数控制标准［N］。

（5）当求得的碾压遍数标准不一致时，取二者中较大值，以保证同时满足本体压实质量及层面结合质量，给工程施工质量留有一定裕度。

2.4 现场多变情况下碾压参数的实时控制标准确定方法由于现场施工具有多变性，实际施工中的碾压机械、行走速度、碾压厚度等参数，与之前的碾压试验未必相同。因此，需要根据施工中多变的施工情况，确定合理的实际施工中碾压遍数控制标准。参考文献［14］，利用模拟相似率推求实际施工碾压遍数的控制标准。

（1）确定实际碾压机械各碾压参数，包括实际碾轮振幅AS、振动频率fS、静线荷载WS、激振力FS、轮宽BS、碾压厚度HS、行走速度vS。

（2）确定多参数可调式RCC碾压试验装置各碾压参数，包括装置碾轮振幅AM、振动频率fM、静线荷载WM、激振力FM、轮宽BM、碾压厚度HM、行走速度vM。

（3）令碾压试验与实际施工的单位体积压实功控制标准相等，即［EBM］=［EBS］，代入式（1）可得：

（4）当实际施工中坝料VC值、碾压厚度均与模拟试验一致时，可认为两者衰减系数也一致，此时令模拟碾压试验与实际施工的上层本体表面单位面积压实功控制标准相等，即［ECM］=［ECS］，代入式（2）可得：

（5）通过上述式（6）和式（7），可建立碾压试验与实际施工的碾压遍数之间联系，从而可确定实际施工中碾压遍数控制标准。同样的，当由单位体积压实功和单位面积压实功确定的碾压遍数控制标准不一致时，取较大者作为RCC坝压实质量的现场碾压参数控制标准。

3 试验方案及方法

为考察VC值及不同碾压参数对RCC压实质量的影响，设计了3种不同VC值的RCC料，并分别用3种不同碾压参数进行碾压试验，以试件最终的压实密度及层面抗剪强度比指标，建立不同VC值下碾压参数控制标准。

3.1 试验材料本试验材料为二级配RCC。通过调整单位用水量及微调水胶比改变VC值，得到3种配合比原料，如表1所示。

3.2 试验方法利用课题组自主研制的多参数可调式RCC碾压模拟试验装置，开展碾压试验。试验装置组成如图1，其可真实模拟碾压机现场施工过程，且各种输出机械参数（频率、振幅、激振力、速度、静线荷载、碾轮吨位等）多级可调。试验装置各碾压参数可调范围见表2。

依照碾压模拟试验装置技术参数，最终设置不同碾压参数（见表3），对上述3组含层面RCC料进行碾压试验，上下层之间采用连续浇筑方式。具体试验过程如下：

表1 RCC试验配合比材料组成

图1 多参数可调式RCC碾压模拟试验装置

表2 碾压模拟试验装置主要技术参数

（1）控制3组试验下层松铺厚度为17 cm，为体现碾压遍数的影响，其中对第1组和第3组采用静碾2+振碾8+静碾2的碾压方式，对第2组采用静碾2+振碾10+静碾2的碾压方式。

（2）控制3组试验上层松铺厚度为38 cm，为体现碾压遍数的影响，其中对第1组和第3组分别采用静碾5（料较软，适当增加静碾遍数防止陷碾）、静碾2+振碾12+静碾2的碾压方式，对第2组采用静碾2+振碾20+静碾2的碾压方式。

（3）进行各碾压参数的采集记录，其中：振幅（档位）A、激振力F、振动频率f、行驶速度v均可由碾压装置操控台设定并记录；静线荷载W、碾轮宽度B可参照表3；人工记录碾压遍数N。

碾压完成后，对碾压试件进行标准养护（温度20±3℃，湿度95%以上）［17］。达到养护龄期28 d后，对碾压试件钻芯取样及切割，并测量芯样密度、抗剪强度指标（法向恒定应力为3 MPa）［17］。试验主要步骤见图2。

图2 现场碾压试验主要步骤

4 试验结果分析

4.1 不同VC值下本体压实质量与单位体积压实功的关系依照3.2节试验方法，将得到的3组试件VC、上下层各碾压参数包括振幅A、静线荷载W、激振力F、碾压遍数N、振动频率f、碾轮宽度B、碾压厚度H（这里取振碾初始厚度和振碾后厚度的平均值）、行驶速度v、上下层本体平均压实密度ρ、压实度Dr、单位体积压实功EB列出，如表4所示。

表4 本体压实质量及单位体积压实功统计

分别建立EB、VC与芯样本体平均压实密度ρ之间关系模型，EB、VC与芯样本体平均压实度Dr之间关系模型，考虑到芯样本体平均压实密度ρ或平均压实度Dr与VC成负相关、与单位体积压实功EB成正相关，得到关系模型如下：

芯样压实密度及压实度与改进单位体积压实功关系曲线见图3和图4。由图可见，上述两个模型的决定系数R2分别为0.9296和0.9160，表明芯样压实密度或压实度与改进的单位体积压实功相关性很好，故改进的单位体积压实功可以用来表征芯样本体压实质量。

4.2 基于单位体积压实功的本体压实质量控制的碾压参数标准确定当现场坝料压实要求（芯样密度或压实度）确定后（例如：芯样密度［ρ］=2390 kg/m3或压实度［Dr］=99%），根据式（8）或式（9），可反求改进单位体积压实功控制标准分别为470 834.99 J/m3、460 446.66 J/m3，再根据现场VC值（例如：VC=5s），即可求得单位体积压实功控制标准[EB]分别为533 525.94 J/m3、521 754.42 J/m3，见图3和图4。

图3 芯样压实密度与改进单位体积压实功关系曲线

图4 芯样压实度与改进单位体积压实功关系曲线

进一步地，当碾压参数振幅、静线荷载、激振力、振动频率、碾轮宽度、碾压厚度和行驶速度确定后（例如：取第2组试验上层本体各碾压参数），则可根据式（1）继续反求碾压遍数的控制标准［N］，均为16遍。同样地，其他碾压参数的控制标准也可分别确定。对现场施工管理人员来说，可灵活选择上述单位体积压实功控制标准、碾压遍数控制标准或其他碾压参数标准作为本体压实质量控制的目标值。

4.3 不同VC值下层面结合质量与单位面积压实功的关系为提高所建模型的准确性和精度，结合课题组之前小型碾压试验结果［14］，另补充第4#、5#、6#组数据，同时利用模拟相似率方法转化为本装置参数，并将其和本文得到的3组试件VC、上层各碾压参数、含层面平均抗剪强度τ、本体平均抗剪强度τ0、层面抗剪强度比τr、单位面积压实功EC一并列出，如表5所示。

表5 层面结合质量及单位面积压实功统计

建立EC、VC与层面抗剪强度比τr之间相关关系，同样的考虑到层面抗剪强度比τr与VC成负相关、与单位面积压实功EC成正相关，且相对于压实密度和压实度，VC值对于层面结合质量影响相对更大，最终得到关系式如下：

芯样层面抗剪强度比与改进单位面积压实功关系曲线见图5。上述模型决定系数R2为0.8084，虽然相比于前文4.1节所建模型决定系数低，但根据本文试验样本点数6个，其自由度为4，并取一定置信水平5%，则本模型的相关系数为R=0.899＞R临界=0.811［18］，说明本文所建模型具有实际意义，可认为层面抗剪强度比与改进的单位面积压实功相关性良好，故改进的单位面积压实功可以用来表征芯样层面结合质量。

图5 芯样层面抗剪强度比与改进单位面积压实功关系曲线

4.4 基于单位面积压实功的层面结合质量控制的碾压参数标准确定当现场坝料强度要求（层面抗剪强度比）确定后（例如：层面抗剪强度比［τr］=90%），根据式（10），可反求改进单位面积压实功控制标准为112 488.60 J/m2，再根据现场VC值（例如：VC=5 s），即可求得单位面积压实功控制标准[EC]为144 438.22 J/m2，见图5。

同样地，这里也以第2组试验各碾压参数为例，则根据式（2）代入各参数可推求此时的碾压遍数控制标准［N］为14遍。同理亦可得其他碾压参数的控制标准。基于此，可帮助现场施工管理人员灵活选择相应单位面积压实功、碾压遍数或其他碾压参数控制标准，从而达到更好地控制层面结合质量的目的。

4.5 现场实际施工情况下RCC碾压参数控制标准的验证根据4.2及4.4节分析结果，以实际施工所用BW202AD碾压机（双钢轮，压实功计算为单轮两倍）“低频高振”参数为例（如表6），同时假定振碾初始厚度约为0.33 m（此时与本文试验中振碾初始厚度一致，则当VC值也一致时，不需考虑衰减系数）、行进速度为1.5 km/h，推求现场实际施工中碾压参数（碾压遍数）控制标准。

表6 BW202AD碾压机参数

当实际RCC料VC值为（接近）2.9 s、且压实度要求为99%以上时，结合式（9）和式（1）可推求所需碾压遍数约为7遍；而若层面抗剪强度比要求为90%以上［14］时，则结合式（10）和式（2）可推求所需碾压遍数约为6遍，两者取较大值可得最终的现场碾压遍数控制标准为7遍。同样的，当实际RCC坝料VC值改变时，其最终的碾压遍数控制标准也不一致。不同VC值下RCC坝料现场控制标准统计结果如表7所示。

表7 不同VC值下RCC坝料现场控制标准统计

从表7可以看出，所得碾压遍数控制标准结果与实际工程中常见碾压遍数模式（静碾2+振碾6、8、10+静碾2）基本一致。

5 结论

为解决现场RCC坝料VC值变化情况下碾压参数的动态调整问题，本文利用课题组自主研制的多参数可调式RCC碾压模拟试验装置，针对不同VC值条件下的RCC料，开展了碾压试验，并基于压实功指标，建立了考虑VC值的改进单位体积压实功与RCC本体压实密度（压实度）、改进单位面积压实功与层面抗剪强度比的关系模型，并进一步提出了不同VC值下的RCC坝料现场碾压的控制标准确定方法。

应用试验研究表明，所建立关系模型相关性良好，其中不同VC值下，本体压实质量与单位体积压实功的关系模型的决定系数分别为0.9296和0.9160；而层面结合质量与单位面积压实功关系模型的决定系数为0.8084。同时，利用模拟相似率方法推求出，当实际RCC料的压实度要求为99%以上、且层面抗剪强度比要求为90%以上时，不同VC值下RCC坝料现场碾压遍数控制标准分别为7、8、9遍，这与实际工程中常用的碾压方式（静碾2+振碾6、8、10+静碾2）基本一致，从而验证了所提方法的正确性。

本文所提出方法可以为现场VC值变化情况下确保RCC坝料压实质量提供新的途径。