彭 勃,阮 坤,柳 昊,賈 豪,張新銳

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司,北京 100011; 2.東南大學(xué)交通學(xué)院,江蘇 南京 211189)

0 引言

截至2021年底,全國公路總里程達(dá)528萬km,其中高速公路里程達(dá)16.91萬km,均位居世界第一位[1-2]。交通量的增大、汽車行駛速度的不斷增加,導(dǎo)致對公路服役性能要求不斷提高。路基壓實作為公路施工的關(guān)鍵步驟,對公路服役性能有重要影響。路基的充分壓實能提高路基結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性,保障道路結(jié)構(gòu)的工作使用性能。道路現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)表明,路用材料的壓實度每增加1%,對應(yīng)的承載能力能提高10%～15%。反之,路基壓實度不足會引起沉降、滑坡、翻漿、凍脹等病害,進(jìn)而破壞道路結(jié)構(gòu),縮短其使用壽命[3-6]。現(xiàn)有壓實施工工藝和質(zhì)量檢測方法主要通過事后的單點檢測及針對問題路段的二次施工確保壓實質(zhì)量,缺乏過程性監(jiān)控體系和智能化管控技術(shù),具有隨機(jī)性、滯后性,造成大量的人力、物力浪費[7-9]。

因此,將傳感技術(shù)與自動控制技術(shù)引入道路壓實施工領(lǐng)域,提出智能壓實技術(shù)。該技術(shù)包括兩方面內(nèi)涵[10-13]:①連續(xù)壓實控制技術(shù) 通過在壓路機(jī)上安裝加速度、定位等傳感設(shè)備獲取壓實過程中的實時數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換得到實時的壓實計量指標(biāo),作為路基路面結(jié)構(gòu)壓實質(zhì)量的連續(xù)實時表征。②反饋調(diào)節(jié)技術(shù) 以壓實計量指標(biāo)的目標(biāo)合格值及指標(biāo)與壓路機(jī)工作參數(shù)的相關(guān)關(guān)系建立調(diào)控準(zhǔn)則,通過計算機(jī)自動控制技術(shù),根據(jù)實時反饋的指標(biāo)對壓路機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)節(jié),達(dá)到施工全過程壓實效果最佳的目的。

但目前智能壓實技術(shù)處于新興發(fā)展階段,在指標(biāo)研究與壓實質(zhì)量、均勻性評價方面仍不完善。當(dāng)前智能壓實技術(shù)廣泛采用CMV(compaction meter value)指標(biāo)作為壓實質(zhì)量評價依據(jù),通過計算加速度頻域分布圖中二次諧波分量與基頻分量的比值得到。該指標(biāo)能在一定程度上反映振動壓實系統(tǒng)的非線性畸變程度,進(jìn)而反映壓實程度,但未考慮加速度頻譜圖中高次諧波的影響。隨著壓實過程的不斷進(jìn)行及振動壓實系統(tǒng)非線性的不斷增強(qiáng),高次諧波分量幅值不斷增加,CMV指標(biāo)逐漸失效,無法準(zhǔn)確表征壓實質(zhì)量,因此該指標(biāo)的使用范圍受振動壓實系統(tǒng)運動狀態(tài)的限制[6,14-17]。其次,現(xiàn)有智能壓實技術(shù)研究主要集中在利用指標(biāo)實現(xiàn)壓實質(zhì)量的表征,對壓實均勻性的評價涉及較少,導(dǎo)致路面壓實效果評價體系尚不完善,在實際使用過程中可能出現(xiàn)壓實質(zhì)量滿足要求但仍出現(xiàn)路基不均勻沉降等病害的問題[18-20]。此外,在智能壓實技術(shù)的實際使用過程中還存在設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸困難,缺乏可視化管控平臺的限制。

因此,本研究基于上述智能壓實技術(shù)研究中存在的不足,提出智能壓實評價指標(biāo)AICV(acceleration intelligent compaction value)作為壓實質(zhì)量與壓實均勻性的評價依據(jù),建立基于智能壓實技術(shù)的壓實效果評價體系。在此基礎(chǔ)上,研究數(shù)據(jù)處理與傳輸技術(shù),開發(fā)智能壓實實時管控平臺,實現(xiàn)壓實施工過程的智能化、數(shù)字化管控。最后,根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析壓實質(zhì)量與壓實均勻性,并對比CMV與AICV指標(biāo),驗證AICV指標(biāo)的準(zhǔn)確性與可靠性。

1 基于智能壓實技術(shù)的壓實效果評價體系

本文針對CMV指標(biāo)未考慮加速度頻譜圖高次諧波分量導(dǎo)致適用范圍受限的問題,優(yōu)化計算方法并提出AICV指標(biāo),在CMV指標(biāo)與AICV指標(biāo)的基礎(chǔ)上,分別提出路基壓實質(zhì)量與均勻性的評價方法,建立智能壓實效果評價體系。

1.1 連續(xù)壓實計量指標(biāo)

振動輪豎向加速度具有測量方便、觀測精度高、與受力直接相關(guān)的優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用于智能壓實技術(shù)中。具體應(yīng)用方法為:在振動輪質(zhì)心處安裝加速度計實時采集振動輪豎向加速度信號,再對其進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換建立連續(xù)壓實計量指標(biāo),作為壓實質(zhì)量與均勻性的評價依據(jù)。因此本文基于上述方法,首先研究CMV指標(biāo),再針對CMV指標(biāo)適用范圍受限的不足,優(yōu)化計算方法并建立AICV指標(biāo)。

1.1.1CMV指標(biāo)

CMV指標(biāo)是目前使用最廣泛的連續(xù)壓實計量指標(biāo),計算方便,通過定義加速度頻譜圖中二次諧波分量幅值與基頻分量幅值的比值,實現(xiàn)壓實質(zhì)量的表征。該指標(biāo)的建立依據(jù)為[21-22]:壓實初始階段振動輪對路基施加正弦激振力,振動壓實系統(tǒng)近似為線性系統(tǒng),測得的加速度信號主要為正弦信號。隨著壓實程度的不斷提高,產(chǎn)生振動輪周期性脫空及振動輪與路基接觸寬度不斷變化的現(xiàn)象,振動壓實系統(tǒng)的非線性程度不斷提高,測得的加速度信號發(fā)生非線性畸變現(xiàn)象,表現(xiàn)為加速度頻譜圖中出現(xiàn)諧波分量。因此CMV指標(biāo)通過二次諧波分量幅值相對值的大小反映振動壓實系統(tǒng)非線性畸變程度,進(jìn)而反映壓實質(zhì)量:

(1)

式中:C為放大系數(shù);A2ω為加速度頻譜圖中二次諧波分量幅值;Aω為加速度頻譜圖中基頻分量幅值。

CMV指標(biāo)在反映振動壓實系統(tǒng)非線性畸變程度時只考慮了二次諧波分量,當(dāng)系統(tǒng)非線性程度進(jìn)一步增加并出現(xiàn)高次諧波分量時,該指標(biāo)逐漸失效,因此CMV指標(biāo)的適用范圍受振動壓實系統(tǒng)運動狀態(tài)的限制。為提高連續(xù)壓實計量指標(biāo)在系統(tǒng)不同運動狀態(tài)下表征壓實質(zhì)量的普適性,需對CMV計算方法進(jìn)行修正與改進(jìn)。

1.1.2AICV指標(biāo)

針對CMV指標(biāo)未考慮加速度頻域信號高次諧波分量幅值的不足,改進(jìn)計算方法并提出AICV指標(biāo)。有關(guān)研究表明,在實際壓實施工過程中,加速度頻域信號一般不會出現(xiàn)五次及更高次諧波分量[23],故AICV指標(biāo)中只考慮二次諧波、三次諧波、四次諧波分量的影響。AICV計算如下:

(2)

式中:A3ω和A4ω分別為加速度頻譜圖中三次和四次諧波分量幅值。

1.2 路基壓實質(zhì)量評價方法

在指標(biāo)建立的基礎(chǔ)上,對比分析現(xiàn)有研究中的壓實質(zhì)量評價方法并進(jìn)行改進(jìn),以CMV與AICV指標(biāo)的目標(biāo)合格值作為壓實質(zhì)量的評價依據(jù),建立路基壓實質(zhì)量評價方法。

目前壓實質(zhì)量評價方法主要有3類[24-26]:①通過連續(xù)壓實計量指標(biāo)確定路基的最薄弱區(qū)域,針對最薄弱區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場壓實度測量,以現(xiàn)場壓實度作為壓實質(zhì)量的判定標(biāo)準(zhǔn);②對各碾壓遍數(shù)下的連續(xù)壓實計量指標(biāo)進(jìn)行比較分析,以相鄰兩遍碾壓過程中指標(biāo)的相對變化幅度作為壓實質(zhì)量的判定標(biāo)準(zhǔn);③以初始校準(zhǔn)區(qū)域中建立的連續(xù)壓實計量指標(biāo)目標(biāo)合格值作為壓實質(zhì)量的評價依據(jù),以評價路段中指標(biāo)達(dá)到目標(biāo)合格值區(qū)域的比例作為壓實質(zhì)量的判定標(biāo)準(zhǔn)。對比分析上述方法可知,方法①仍采用傳統(tǒng)壓實質(zhì)量檢測手段,不屬于智能壓實技術(shù)的應(yīng)用范疇;方法②在實踐中會增加壓實遍數(shù),影響工程進(jìn)度且實施較復(fù)雜。因此本文采用方法③,在初始校準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)建立連續(xù)壓實計量指標(biāo)與壓實度的回歸關(guān)系,根據(jù)壓實度的合格值計算指標(biāo)的目標(biāo)合格值;該方法精度較高,同時避免了方法②增加碾壓遍數(shù)的缺點,在實踐中使用便利。

1.3 路基壓實均勻性評價方法

連續(xù)壓實計量指標(biāo)分布情況總體滿足正態(tài)分布特征,因此本文利用正態(tài)分布的3σ準(zhǔn)則建立壓實均勻性評價方法。該準(zhǔn)則基于小概率事件和假設(shè)檢驗的思想,以(μ-3σ,μ+3σ)作為指標(biāo)的可能取值區(qū)間,其中μ表示樣本平均值,σ表示樣本標(biāo)準(zhǔn)差?；谏鲜鰷?zhǔn)則,以CMV指標(biāo)與AICV指標(biāo)是否出現(xiàn)在(μ-3σ,μ+3σ)區(qū)間內(nèi)作為壓實均勻性的判定標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)指標(biāo)量值落在區(qū)間外時,表明路基部分區(qū)域出現(xiàn)欠壓或過壓情況,壓實均勻性不滿足要求。

2 智能壓實實時管控平臺

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了智能壓實施工數(shù)據(jù)的傳輸與交互,在此基礎(chǔ)上開發(fā)了智能壓實實時管控平臺,設(shè)計了工程概況模塊、壓實質(zhì)量與均勻性分析模塊及用戶信息模塊,實現(xiàn)了壓實施工全過程數(shù)據(jù)的實時可視化監(jiān)測。

2.1 智能壓實施工數(shù)據(jù)傳輸與交互技術(shù)

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯?實現(xiàn)從設(shè)備到界面的全過程數(shù)據(jù)傳輸與交互。具體實施方式如下:智能壓實路面?zhèn)鞲衅髟O(shè)備通過IOT接入物聯(lián)網(wǎng)平臺,通過MQTT協(xié)議上傳傳感器數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)平臺作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站,連接系統(tǒng)端和設(shè)備端。當(dāng)平臺接收設(shè)備上報數(shù)據(jù)后,先對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換,再利用數(shù)據(jù)訂閱與推送機(jī)制,將接收并處理后的傳感器數(shù)據(jù)推送到系統(tǒng)平臺,流轉(zhuǎn)入后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。

2.2 管控平臺關(guān)鍵功能模塊

1)工程概況模塊 包括工程基本概況與工程進(jìn)展信息,方便用戶查詢項目基本信息及近期施工進(jìn)度,同時以輪播圖形式對現(xiàn)場施工圖片進(jìn)行展示。

2)壓實質(zhì)量與均勻性分析模塊 基于路基壓實質(zhì)量與均勻性評價方法,對連續(xù)壓實計量指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維可視化繪圖,統(tǒng)計壓實質(zhì)量與壓實均勻性不滿足要求的區(qū)域,并將其設(shè)置為紅色,實現(xiàn)對路基智能壓實效果的實時可視化評價。此外,該模塊可導(dǎo)出指定區(qū)域的連續(xù)壓實計量指標(biāo)數(shù)據(jù),生成壓實質(zhì)量與均勻性分析報告,采用圖表形式供用戶對壓實質(zhì)量與均勻性進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計分析。

3)用戶信息模塊 提供注冊用戶信息的查詢與管理功能。在該模塊中,管理員可對注冊用戶信息進(jìn)行編輯,包括添加用戶賬號、修改或刪除已注冊的用戶信息。

3 智能壓實現(xiàn)場試驗驗證

本文依托山東省沾臨高速項目對基于智能壓實技術(shù)的壓實效果評價體系與智能壓實實時管控平臺進(jìn)行現(xiàn)場試驗驗證,通過分析CMV,AICV指標(biāo)與壓實度的相關(guān)關(guān)系驗證指標(biāo)的有效性,并建立指標(biāo)的目標(biāo)合格值,在此基礎(chǔ)上分析現(xiàn)場壓實質(zhì)量與壓實均勻性,最后對比了兩種指標(biāo)的穩(wěn)定性。

3.1 現(xiàn)場試驗工況

試驗現(xiàn)場位于沾化—臨沂高速(沾臨高速)濱州段。路基壓實施工順序依次為:預(yù)壓、整平、靜力壓實1遍、振動壓實3遍、靜力壓實1遍。由于智能壓實技術(shù)面向振動壓實工況,因此本文對振動壓實階段進(jìn)行驗證分析,以最后一遍振動壓實過程中的連續(xù)壓實計量指標(biāo)作為最終壓實質(zhì)量與均勻性的評價依據(jù)。現(xiàn)場施工采用三一SSR260AC—8H3振動壓路機(jī),參數(shù)如表1所示。

表1 壓路機(jī)工作參數(shù)Table 1 Operating parameters of the roller

選取4個試驗條帶,各條帶長度均為200m,如圖1所示。其中條帶1～3為初始校準(zhǔn)條帶,用于建立CMV指標(biāo)與AICV指標(biāo)的目標(biāo)合格值,每間隔20m進(jìn)行一次現(xiàn)場取樣,獲取現(xiàn)場壓實度,并計算一次指標(biāo)量值。條帶4為評價條帶,用于評價壓實質(zhì)量與壓實均勻性,每間隔20m計算一次指標(biāo)量值。

圖1 壓實條帶及取樣點分布Fig.1 Distribution of compaction strips and sampling points

3.2 CMV,AICV與壓實度的相關(guān)關(guān)系

基于初始校準(zhǔn)條帶現(xiàn)場取樣的壓實度數(shù)據(jù)及壓路機(jī)實測的CMV,AICV數(shù)據(jù),分別建立CMV,AICV與壓實度的相關(guān)關(guān)系,驗證2種指標(biāo)反映壓實質(zhì)量的有效性,利用壓實度的合格值計算2種指標(biāo)的目標(biāo)合格值,作為壓實質(zhì)量的評價依據(jù)。CMV,AICV與壓實度的相關(guān)關(guān)系如圖2所示。

圖2 CMV,AICV與壓實度的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation of CMV, AICV with compaction

由圖2可知,CMV,AICV與壓實度間均表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性,且指標(biāo)量值均隨壓實度的增加而增加,該結(jié)論驗證了將CMV,AICV作為壓實質(zhì)量評價依據(jù)的有效性。對比兩者可發(fā)現(xiàn)AICV與壓實度的相關(guān)性強(qiáng)于CMV與壓實度的相關(guān)性,主要原因為:在AICV的穩(wěn)定性優(yōu)于CMV,在圖中表現(xiàn)為數(shù)據(jù)點的離散性更小,因此擬合得到的相關(guān)系數(shù)更高。

高速公路壓實度合格標(biāo)準(zhǔn)為96%,本文根據(jù)圖2的回歸關(guān)系式算得CMV與AICV的目標(biāo)合格值分別為57.14,82.85,將其作為壓實質(zhì)量的評價依據(jù)。

3.3 現(xiàn)場壓實質(zhì)量分析

以CMV,AICV作為壓實質(zhì)量的評價依據(jù),根據(jù)評價條帶壓實質(zhì)量的發(fā)展特征分析CMV,AICV量值隨碾壓遍數(shù)的變化原因,進(jìn)一步將指標(biāo)量值與目標(biāo)合格值對比判斷路基壓實質(zhì)量。不同碾壓遍數(shù)下評價條帶CMV,AICV變化情況如圖3所示。

圖3 不同碾壓遍數(shù)下評價條帶CMV,AICV變化Fig.3 Changes in CMV, AICV of evaluated strips under different milling traverses

由圖3可知,AICV量值普遍高于CMV量值,但兩者的變化趨勢基本保持一致。2種指標(biāo)均隨碾壓遍數(shù)的增加而增加,表明該條帶壓實質(zhì)量隨碾壓遍數(shù)的增加而不斷提高。此外,2種指標(biāo)的增幅均隨碾壓遍數(shù)的增加而減小,CMV平均值、AICV平均值在第1遍碾壓與第2遍碾壓間分別增長了19.15%,17.93%,在第2遍碾壓與第3遍碾壓間分別增長了8.20%,9.52%。主要原因為:在壓路機(jī)工作參數(shù)保持不變的情況下,路基的塑性變形發(fā)展隨碾壓遍數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定,因此壓實質(zhì)量也逐漸提高并趨于定值,CMV與AICV的增幅隨碾壓遍數(shù)的增加而減小。此外,對比各遍碾壓過程中CMV,AICV量值與目標(biāo)合格值可知,第3遍碾壓完成后路基壓實質(zhì)量滿足要求。

3.4 現(xiàn)場壓實均勻性分析

以CMV,AICV作為壓實均勻性的評價依據(jù),基于正態(tài)分布3σ準(zhǔn)則對評價條帶上第3遍碾壓的CMV,AICV數(shù)據(jù)進(jìn)行單變量統(tǒng)計,比較2種指標(biāo)的穩(wěn)定性,進(jìn)一步將指標(biāo)量值與正態(tài)分布置信區(qū)間對比判斷路基壓實均勻性。針對連續(xù)壓實計量指標(biāo)分布情況總體滿足正態(tài)分布的特征,基于3σ準(zhǔn)則對評價條帶上第3遍碾壓的CMV,AICV數(shù)據(jù)進(jìn)行單變量統(tǒng)計,統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 CMV與AICV的單變量統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 2 Univariate statistics for CMV and AICV

由表2可知,對于相同路基壓實質(zhì)量下測得的2種指標(biāo),AICV的標(biāo)準(zhǔn)差σ低于CMV,說明AICV的離散性低于CMV,在實際工程中評價壓實質(zhì)量與壓實均勻性時具有更好的穩(wěn)定性。此外,評價條帶第3遍碾壓時測得的各位置處CMV與AICV均處于正態(tài)分布置信區(qū)間(μ-3σ,μ+3σ)內(nèi),因此碾壓完成后的路基壓實均勻性滿足要求。

4 結(jié)語

1)CMV,AICV與壓實度間均表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性,指標(biāo)量值均隨壓實度的增加而增加,其中AICV指標(biāo)由于離散性更小表現(xiàn)出的相關(guān)性更強(qiáng)。

2)CMV,AICV隨碾壓遍數(shù)的增加而增加,但增幅隨碾壓遍數(shù)的增加而減小,主要原因在于路基壓實質(zhì)量的發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定。對比CMV,AICV量值與目標(biāo)合格值可知,現(xiàn)場壓實質(zhì)量滿足要求。

3)AICV的離散性低于CMV,在實際工程中評價壓實質(zhì)量與壓實均勻性時具有更好的穩(wěn)定性。對比CMV,AICV量值分布情況與置信區(qū)間位置可知,現(xiàn)場壓實均勻性滿足要求。