徐國(guó)希，吳龍梁, 2，范少峰，郭華杰，周文皎

(1.深圳市建筑工務(wù)署工程管理中心，廣東 深圳 518031；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；3.深圳市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，廣東 深圳 518000； 4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081)

隨著新時(shí)期填筑工程的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)被逐漸提高，具有實(shí)時(shí)、全面、連續(xù)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)的連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注[1]。連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)經(jīng)過(guò)近年迅速的發(fā)展，已具備較成熟的理論基礎(chǔ)和設(shè)備研發(fā)能力[1-4]。目前，世界各地相繼頒布了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了該技術(shù)的推廣與成功應(yīng)用[4-11]。例如美國(guó)北卡羅來(lái)納州羅利市的某市政道路采用連續(xù)壓實(shí)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估[2]，在確保路面壓實(shí)質(zhì)量的同時(shí)，大幅度提升了檢測(cè)效率。德國(guó)的科萊高速鐵路建設(shè)中采用了連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)，節(jié)省了可觀的工程成本[1-2]。我國(guó)自2008年開(kāi)始已在京滬高速鐵路鄒城段、甘肅成州機(jī)場(chǎng)、糯扎渡心墻堆石壩等不同建設(shè)領(lǐng)域的多個(gè)工程項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用[3]，積累了一定的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。然而，由于連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)屬于巖土、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉領(lǐng)域[8-11]，加上現(xiàn)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)較為籠統(tǒng)，因而針對(duì)千差萬(wàn)別的填筑材料和工程條件難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。在當(dāng)前實(shí)踐中，針對(duì)工程實(shí)際制定合理的專(zhuān)項(xiàng)方案和開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)是促成該技術(shù)取得成功應(yīng)用的有效的途徑之一[12-17]。

本文針對(duì)某機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程的工程特點(diǎn)和填料特性，制定連續(xù)壓實(shí)控制工藝流程，明確連續(xù)碾壓質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和要求，建立遠(yuǎn)程管理平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)，得到連續(xù)壓實(shí)控制目標(biāo)值，并在監(jiān)測(cè)單元取得了良好的應(yīng)用效果。本文研究成果可為連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)在類(lèi)似工程中的成功應(yīng)用提供有益的參考。

1 連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)基本原理

1.1 連續(xù)壓實(shí)控制工作原理及系統(tǒng)組成

連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)可通過(guò)識(shí)別振動(dòng)輪得響應(yīng)信號(hào)評(píng)估壓實(shí)的質(zhì)量，同時(shí)可通過(guò)實(shí)時(shí)記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)填筑作業(yè)[1]。連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)由圖1所示的四個(gè)部分組成[1]：定位系統(tǒng)、加載設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、壓實(shí)信息管理系統(tǒng)。

1-加載設(shè)備；2-定位系統(tǒng)；3-檢測(cè)設(shè)備；3a-傳感器；3b-數(shù)據(jù)采集與處理；3c-顯示系統(tǒng)；4-壓實(shí)信息管理系統(tǒng)；4a-后臺(tái)信息管理；4b-遠(yuǎn)程信息管理；5-填筑層

在圖1中，振動(dòng)壓路機(jī)作為振源向填筑層施加振動(dòng)荷載，在機(jī)械和不同壓實(shí)狀態(tài)土層的共同作用下將產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)差異。檢測(cè)設(shè)備將采集到的填筑層的響應(yīng)信息反饋至壓實(shí)信息管理系統(tǒng)，進(jìn)而輸出結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。最后，通過(guò)衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取任意碾壓位置處的碾壓參數(shù)和壓實(shí)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

1.2 連續(xù)壓實(shí)測(cè)值計(jì)算方法

該技術(shù)的本質(zhì)是一個(gè)系統(tǒng)識(shí)別問(wèn)題，連續(xù)壓實(shí)測(cè)值計(jì)算方法是連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)的核心內(nèi)容[1,3,13]。目前，國(guó)內(nèi)外基于不同計(jì)算方法的指標(biāo)已有十余種。例如，基于諧波比法的CMV、基于剛度法的KS、基于動(dòng)力學(xué)法的VCV和基于能量法的DMV等。常用的測(cè)值指標(biāo)的計(jì)算原理如下：

(1) CMV指標(biāo)是通過(guò)諧波頻域信號(hào)的比值(即豎向加速度的二次諧頻與一次諧頻的振幅之比)并乘以某系數(shù)獲取[1]。

(1)

(2)KS是根據(jù)振動(dòng)輪的激振力與最大豎向位移的比值確定的，計(jì)算取值時(shí)偏心塊的豎向速度分量應(yīng)為零，如式2所示[13]。

(2)

(3)VCV指標(biāo)是通過(guò)識(shí)別填筑層的抵抗力，能夠反映填筑體壓實(shí)程度的動(dòng)力學(xué)類(lèi)指標(biāo)[13]。

(3)

(4) DMV指標(biāo)是基于能量守恒原理，通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)的耗散能量，可反映填筑層壓實(shí)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)[3,14]。

(4)

1.3 連續(xù)壓實(shí)控制實(shí)施流程

目前，國(guó)內(nèi)外連續(xù)壓實(shí)控制實(shí)施流程主要針對(duì)鐵路和公路工程領(lǐng)域，缺少對(duì)機(jī)場(chǎng)工程的研究。因此，本文根據(jù)機(jī)場(chǎng)工程的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，對(duì)比研究《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程》[8](Q/CR 9210—2015)中的相關(guān)工藝要求，進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整及簡(jiǎn)化，在開(kāi)展工程試點(diǎn)和驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，制定了適用于本機(jī)場(chǎng)工程項(xiàng)目的連續(xù)壓實(shí)控制實(shí)施流程，如圖2所示。

圖2 連續(xù)壓實(shí)控制實(shí)施流程

2 工程簡(jiǎn)介

某機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目由T4航站樓主體、停機(jī)坪、滑行道等部分組成，占地面積約430萬(wàn)m2。場(chǎng)地原始地貌為海域，后經(jīng)堆填棄土、建筑垃圾，現(xiàn)狀魚(yú)塘、河涌、海堤、棄土堆雜亂分布，地面標(biāo)高約為3.5 m～12.5 m，地基處理需要填筑土石方達(dá)600萬(wàn)m3。該項(xiàng)目采用了多種類(lèi)型的填料，其中以碎石土為代表的粗粒填料是主要填料之一。針對(duì)該機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程填料種類(lèi)多、工程體量大、參建單位多、管理難度高等工程實(shí)際情況，擬采用常規(guī)質(zhì)量檢測(cè)與連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量控制，以提高填筑工程施工效率并彌補(bǔ)常規(guī)質(zhì)量檢測(cè)無(wú)法評(píng)價(jià)碾壓面的壓實(shí)均勻性等不足。同時(shí)，通過(guò)建立數(shù)字化施工管理平臺(tái)，對(duì)碾壓質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的、全面的、全過(guò)程檢測(cè)和監(jiān)控，從而提升工程項(xiàng)目管理水平。

本文的研究區(qū)域?yàn)樵摍C(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程4-1標(biāo)段的碎石填料區(qū)，其采用的填料主要為砂土和碎石土等粗粒填料，研究區(qū)域的總面積約為39萬(wàn)m2。在本工程實(shí)例中，均采用LSS220型振動(dòng)壓路機(jī)。

3 連續(xù)壓實(shí)控制的實(shí)施

3.1 壓實(shí)質(zhì)量過(guò)程控制方案

在采用連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)前，根據(jù)填料類(lèi)別和工程特點(diǎn)制定了工程應(yīng)用方案。根據(jù)施工部署，將4-1標(biāo)段劃分為88個(gè)連續(xù)壓實(shí)監(jiān)測(cè)單元，各檢測(cè)單元的面積不超過(guò)5 000 m2，分別對(duì)各監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)和控制。本工程采用了目標(biāo)值校準(zhǔn)法和薄弱區(qū)域識(shí)別法相結(jié)合的綜合評(píng)估方法。碾壓施工前，需開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)事先確定連續(xù)控制指標(biāo)的目標(biāo)值，隨后根據(jù)目標(biāo)值評(píng)估壓實(shí)程度、壓實(shí)穩(wěn)定性和均勻性。為了對(duì)碾壓質(zhì)量進(jìn)行雙重控制，同時(shí)針對(duì)碾壓薄弱區(qū)域(即振動(dòng)測(cè)值相對(duì)較低的部位)進(jìn)行常規(guī)質(zhì)量檢測(cè)復(fù)核。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果均滿足要求時(shí)，方可通過(guò)碾壓質(zhì)量驗(yàn)收。

3.2 連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量控制要求

制定合理的連續(xù)碾壓質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)是促成該技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵因素。因此，本文在開(kāi)展工程實(shí)例調(diào)研、試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，參考國(guó)內(nèi)外連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)相關(guān)規(guī)范的要求，制定了本工程連續(xù)碾壓質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和要求，如表1所示。其中，工藝要求參考文獻(xiàn)[13,15]的試驗(yàn)研究成果確定。目標(biāo)值校準(zhǔn)法控制要求借鑒了歐美國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]，并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。薄弱區(qū)識(shí)別法控制要求根據(jù)課題組工程設(shè)計(jì)圖紙中的設(shè)計(jì)要求以及《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[18](JTG/T 3610—2019)、《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[19](GB 50202—2018)等我國(guó)現(xiàn)行檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)確定。

表1 連續(xù)碾壓質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和要求

在表1中，均勻性系數(shù)λ是基于正態(tài)分布的原理，通過(guò)式(5)計(jì)算得到。通過(guò)率Q和變化率δ根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[8]計(jì)算獲取。

(5)

式中:μ、σ分別為振動(dòng)測(cè)值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；Sμ±0.8σ、S分別為振動(dòng)測(cè)值在平均值±1.282倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)的區(qū)域的面積和碾壓倉(cāng)面的總面積。

3.3 連續(xù)壓實(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備

為了獲得真實(shí)可靠的連續(xù)壓實(shí)測(cè)量值，需要事先選定適用于本工程所采用填料的連續(xù)壓實(shí)測(cè)值計(jì)算方法。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究，VCV指標(biāo)針對(duì)粗粒填料具有較好的可重復(fù)性、敏感性和穩(wěn)定性，能夠較好適用于本工程連續(xù)壓實(shí)控制。為此，本文采用以VCV作為控制指標(biāo)的北斗壓路機(jī)智能壓實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)壓實(shí)控制。

該智能壓實(shí)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示振動(dòng)測(cè)值，同時(shí)可以實(shí)時(shí)測(cè)量振動(dòng)輪的頻率、振幅、行駛速度、行駛方向、測(cè)量深度、土層厚度等碾壓參數(shù)，較好的指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)操作人員碾壓施工，從而能夠有效確保壓實(shí)質(zhì)量的過(guò)程控制。

4 連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量評(píng)估

4.1 目標(biāo)值的率定

在實(shí)施連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)前開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)，校驗(yàn)區(qū)域位于4-1標(biāo)段。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究成果，針對(duì)本工程采用的砂土、碎石土等粗粒填料，VCV指標(biāo)與Evd和K30指標(biāo)之間具有較好的相關(guān)性。為此，本文現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)中的常規(guī)質(zhì)量檢測(cè)分別采用Evd檢測(cè)和K30檢測(cè)。相關(guān)性校準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖3所示。

圖3 相關(guān)性校準(zhǔn)測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的連續(xù)壓實(shí)指標(biāo)值和常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)值，進(jìn)行線性相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 線性相關(guān)性分析結(jié)果

根據(jù)圖4中的線性回歸結(jié)果，得到了VCV與Evd/K30的一元回歸模型。各回歸模型及其決定系數(shù)如表2所示。

表2 回歸分析的模型

由表2可知，基于Evd和K30指標(biāo)的線性回歸決定系數(shù)均大于0.5，表明VCV分別與Evd和K30均具有強(qiáng)相關(guān)性，滿足工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)表中線性回歸模型和常規(guī)質(zhì)量指標(biāo)合格值，反演計(jì)算得到連續(xù)壓實(shí)指標(biāo)目標(biāo)值分別為51.1 m/s2和56.8 m/s2。按照最不利原則確定目標(biāo)值[VCV]的取值為57 m/s2。

4.2 基于目標(biāo)值校準(zhǔn)法的質(zhì)量評(píng)價(jià)

選定的連續(xù)壓實(shí)監(jiān)測(cè)單元近似呈10 m×100 m的矩形，面積約為1 000 m2。根據(jù)碾壓工藝方案，填料攤鋪厚度為30 cm，行車(chē)速度為3 km/h。碾壓過(guò)程控制為預(yù)先靜碾1遍，隨后強(qiáng)振碾壓5遍，最后弱振碾壓1遍，以最終弱振碾壓的測(cè)定結(jié)果作為質(zhì)量評(píng)判依據(jù)。在強(qiáng)振碾壓第2遍后即通過(guò)弱振碾壓進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，壓實(shí)程度評(píng)價(jià)結(jié)果如圖5(a)所示。第3遍的壓實(shí)程度不滿足驗(yàn)收要求，因而增加碾壓遍數(shù)。第5遍和第7遍碾壓后的壓實(shí)程度分別如圖5(b)和圖5(c)所示。

圖5 壓實(shí)程度評(píng)價(jià)結(jié)果

圖5結(jié)果表明，碾壓合格區(qū)域的面積隨著碾壓遍數(shù)的增加而逐漸增大。根據(jù)實(shí)時(shí)記錄的碾壓數(shù)據(jù)可知，激振頻率、行車(chē)速度等碾壓參數(shù)均滿足相關(guān)工藝要求，連續(xù)壓實(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可有效評(píng)價(jià)壓實(shí)質(zhì)量。最終的壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，壓實(shí)程度的通過(guò)率隨著碾壓遍數(shù)的增加而增大，變化系數(shù)剛好相反。表明增加碾壓遍數(shù)，能夠有效提升填筑層的壓實(shí)程度和壓實(shí)穩(wěn)定性。碾壓第7遍后的壓實(shí)程度通過(guò)率為98.7%，大于95%的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。碾壓第7遍后的壓實(shí)均勻性系數(shù)和變化系數(shù)分別為0.82、0.01，能夠同時(shí)滿足壓實(shí)均勻性和壓實(shí)穩(wěn)定性的驗(yàn)收要求。因此，可判定該監(jiān)測(cè)單元碾壓7遍后可通過(guò)質(zhì)量驗(yàn)收。

4.3 基于薄弱區(qū)識(shí)別法的質(zhì)量評(píng)價(jià)

如圖6所示，碾壓7遍后確定了10個(gè)振動(dòng)測(cè)值相對(duì)較低的區(qū)域進(jìn)行薄弱區(qū)復(fù)核，分別針對(duì)第1、3、7號(hào)薄弱區(qū)開(kāi)展壓實(shí)度和動(dòng)態(tài)變形模量檢測(cè)，壓實(shí)質(zhì)量復(fù)核結(jié)果如表4所示。由表4可知，選定的3個(gè)薄弱區(qū)域的K30指標(biāo)值均大于150 MPa/m，Evd指標(biāo)值均大于50 MN/m2，滿足相關(guān)規(guī)范中的質(zhì)量驗(yàn)收要求。因此，該連續(xù)監(jiān)測(cè)單元基于薄弱區(qū)域識(shí)別法的壓實(shí)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果為合格。

圖6 碾壓第7遍后的薄弱區(qū)域識(shí)別

表4 薄弱區(qū)常規(guī)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

分析上述檢測(cè)結(jié)果可知，在第7遍碾壓后監(jiān)測(cè)單元同時(shí)滿足壓實(shí)質(zhì)量的雙重驗(yàn)收要求。因此，該監(jiān)測(cè)單元的壓實(shí)質(zhì)量可通過(guò)最終質(zhì)量驗(yàn)收。

在本工程實(shí)例中，連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)不僅為施工、監(jiān)理和業(yè)主各方提供了全面的壓實(shí)信息，有效提高了工作效率。同時(shí)，通過(guò)智能壓實(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示的振動(dòng)測(cè)值和碾壓參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了碾壓施工的過(guò)程控制，確保了較高的壓實(shí)質(zhì)量。連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果表明，連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)在研究區(qū)域得到了成功應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。本文提出的連續(xù)壓實(shí)控制方法和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可為后續(xù)類(lèi)似工程提供有參考意義的借鑒。

5 結(jié) 論

(1) 以VCV指標(biāo)作為控制指標(biāo)，采用目標(biāo)值校準(zhǔn)法和薄弱區(qū)識(shí)別法相結(jié)合的連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)在某機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程得到了成功的應(yīng)用，取得較好的應(yīng)用效果。

(2) 在碾壓碎石土填料時(shí)，VCV指標(biāo)與Evd、K30指標(biāo)之間的線性回歸決定系數(shù)均大于0.5，數(shù)學(xué)意義上具有強(qiáng)相關(guān)性，所建立的線性回歸模型可以滿足工程應(yīng)用的精確度要求。

(3) 在對(duì)連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，建議針對(duì)填料特性和工程條件制定專(zhuān)項(xiàng)連續(xù)壓實(shí)控制方案，以明確關(guān)鍵工藝流程以及相關(guān)質(zhì)量控制要求。在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，參考和借鑒既有工程經(jīng)驗(yàn)是促成連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)取得成功應(yīng)用的有效途徑。