沥青压实机(基于过程控制的沥青路面压实度评价的方法及应用)

Posted 2023-05-31

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沥青压实机(基于过程控制的沥青路面压实度评价的方法及应用)

张瑢 王正

中国路桥工程有限责任公司

摘 要：随着“互联网+”在工程管理领域的应用和突破，基于过程控制的压实度评价方法，通过试验段摊铺材料的厚度、材料、碾压次数、轨迹等，确定压实度控制的相关参数。利用差分定位技术，通过振动轮加速度传感器动态测量并得出频率特征，形成压实度的图谱，分析出不合格的压实区域，通过平板引导压路机操作人员进行补压，方便管理人员及时查找薄弱区域，满足工艺要求及确保施工质量。

关键词：沥青路面;数字化施工;过程控制;压实度;振动加速度;激振力;

路面压实作为公路建设的重要施工环节之一，压实度也是路基路面施工质量检测的关键指标之一。压实度实质就是干密度问题，虽然不直接反映路基路面结构抗变形能力，但实践证明，一般情况下，随着压实度的增大，结构的强度也就越高。目前公路建设的压实度检测手段，主要还是依靠传统的点式取芯检验。第一，传统的检测方式属于结果控制，一旦发现压实度不合格，也只能做返工处理；第二，点式抽检取决于抽样点的检验结果，样品能否具有代表性本身就是一个存疑的过程；第三，传统的检测方式也破坏了路面结构，事后恢复比较困难。

面对传统压实度检测的问题，境内外研究者也开展了大量压实度与信息化技术结合的相关研究[1,2,3,4,5]。20世纪60年代，境外就开展了利用振动压路机在碾压过程中的动态反应信息来检测压实质量的研究。到1975年，瑞典研制了压实计并开展在工程方面的应用。随着“互联网+”在工程管理领域的应用和突破，2017年交通运输部颁布了《公路路基填筑工程连续压实控制系统技术条件》(JT/T 1127-2017)[6],河北省质监局发布了《公路路基智能压实控制技术规程》(DB13T 2572-2017)[7],标志着连续压实控制技术已进入工程应用阶段。

本文从实践角度出发，以柬埔寨金边市-西哈努克港高速公路项目为例，应用路基智能压实系统，对其进行应用和验证。

1 连续压实度相关技术研究

1.1振动压路机与路面材料之间的动力学模型

境内外研究人员，通过从二自由度、线性、集中参数、弹簧阻尼经典动力学模型，到三自由度非线性振动压路机之间的动力学模型进行分析，发现振动加速度与压实材料刚度呈正相关、与阻尼呈负相关的关系，且通过测量加速度有效值与路面结构之间的相关性，得到其回归公式和相关系数，在工程应用中已得到成功应用[8,9]。

1.2加速度峰值指标

曹源文[10]等依托江西省抚州至吉安高速公路A1标段进行实验，通过对振动压路机的加速度信号进行分析，得到快速傅里叶变换频谱图，利用小波降噪进行加速度拟合，得出振动压路机的振动加速度与路基压实度之间存在一定的线性关系的结论。

在对路基进行压实的过程中，压实度随着压实次数的增加呈抛物线增长趋势，而压路机的加速度基波幅值也随之呈现逐步增大的趋势，且这种压实度的增加速率受压路机的参数及路基材料的变化而变化。

1.3谐波比(CMV)指标的应用

瑞典的Geodynamik公司与Dynapac公司采用碾压振动加速度频域分析的二次谐波分量幅值与基频幅值的比值CMV(Compaction Meter Value)作为反映压实质量情况的监测指标，验证了CMV与地基反力和碾压土体物理特性密切相关；sakai公司采用相似的计算方法，将不同频次的加速度信号谐波分量均计算在内的CCV(Compaction Control Value)作为压实度检测系统的监控指标；rinehart和mooney提出了总谐波失真THD(Total Harmonic Distortion)是评价土料压实状态的高敏感性指标，THD越大，土体刚度越大，土层越坚硬[11]。

2 基于过程控制的压实度评价方法

压实度的过程控制通过将振动碾压看作是一种动态试验过程，以振动压路机作为动态加载设备，根据压路机与路基路面之间的相互作用，通过路基路面结构的反作用力(抵抗力)来分析和评定压实状态，进而实现压实过程中压实质量的连续控制，见图1。

图1 基于过程控制的压实度评价拓扑图示 下载原图

在对路基进行压实的过程中，根据路基材料及振动压路机的相互作用力，建立压实度评价及控制体系，实现对路面压实质量的动态监控。

2.1影响压实度的主要因素分析

影响压实度的主要因素包括振动压路机的参数和路面材料本身的结构[12]。

2.1.1压路机

振幅、振动频率及辗压速度是振动压路机施工压实时的3个主要控制因素，振幅对压实质量影响最大，辗压速度次之，振动频率影响最小。

(1)压路机振幅：

在一定的振幅下，振幅越大，路面的压实效果越好。

(2)振动频率：

在一定频率范围内，振动频率越高，路面的压实效果越好。

(3)碾压速度：

碾压速度影响到压路机对路面材料的压实时间，速度越快，单位时间内压实的对象越多，同样的压实材料受到的能量就越少，因此，碾压过程中，应根据路面结构及压路机类型，合理选择碾压速度。

2.1.2路面材料

(1)含水量：

低含水量会导致压实度值过高，而高含水量会导致压实度值过低。

(2)材料成分：

当压实土壤为混合成分时，能得到更为紧密的微结构。因为在大颗粒中间的空隙会被小颗粒所填充。仅仅由一种尺寸颗粒(清洁类土壤)构成的土壤是无法被压缩颗粒间的空隙的。这样的路面压实度值在几次压实作业中不会有明显的提高。

(3)路基：

放置路面材料的路基必须事先检查，因为过软的路基无法提供压实的反作用力，并且会给压路机的振动带来缓冲。所以，如果路基过软，则路面无法压实。路面压实显示值很低。增加更多路面材料层则会提高压实度值。

(4)材料厚度：

材料的厚度必须与压路机相匹配。压路机钢轮越重，则压实的深度越大，要求的路面材料的厚度越厚。如果压路机相对材料厚度过轻，则材料的底层部分可能仍然处于未压实状态。路面压实测量仪器测量达到的深度与压路机压实的深度一致，而下面太软的材料则无法检测。这种情况下路面压实度值相比实际过高。

2.2基于过程控制的压实度评价原理

基于过程控制的压实度评价方法核心是通过压路机的振动响应强弱来识别对应路基抵抗力的强弱。路基填筑碾压过程中，根据土体与振动压路机振动轮竖向振动响应信号，建立检测评定与反馈体系，实现对整个碾压面压实质量的实时动态监测与控制。振动力学模型如图2所示。

根据振动力学模型建立如下方程：

Mx⋅⋅+F(x)=Psinωt[11]         (1)Μx⋅⋅+F(x)=Ρsinωt[11]         (1)

式中：P为激振力，P=meω2,m为偏心质量，e为偏心距，ω为振动频率，ω=2πf,f是振动时间；M为整个振动体的质量；x⋅⋅x⋅⋅对应某一点的加速度；F(x)代表被压材料对激振体的抗力。

2.3振动压实度值获取过程

快速压实检测加速度传感器测量钢轮运动垂直方向上的振动，实现持续记录并处理，换算成相对压实数据并显示。路基材料越紧密则压实度值越高。因此，操作人员可以知道哪里压实度不够，需要继续压实；哪里压实已经达到要求，避免继续过压，主要因素是要检测到有效的密实度的值。

图2 振动力学模型 下载原图

第一步：试验段校准。为了确定路面的目标压实度值，需结合项目路面宽度，指定合适长度作为参考路面。该参考路面需具有相同的承载能力和结构，以及路基表面属性。

将计划使用的路面材料按照分层及规定的厚度置于参考路面。压实作业过程中，保证压实速度、振动频率、振幅恒定，作业过程中不能改变。

多次压实作业后，通过动态负载测试或者更好的静态压力板负载测试获得压实度值。如果在压实过程中，上跳状况的出现作为压实度值的上限值，那么更多遍的压实就毫无意义。根据路面的材质，应该在参考路面选取几个点进行压实度值的测量。如果路面的承载能力已经达到，则最后一次的压实作业的压实度值作为目标压实度值。

如果压路机压实度值达到目标值，则路面得到了理想的压实；如果压实度值低于目标值，则该区域欠压实或者表明该区域所用材料组成与其他区域不同。

压路机操作人员的任务就是将所有区域压实到目标压实度值。在这个过程中有可能某些区域因为基层较高或者材料组成不同，从而需要更多遍的压实。一旦所有区域的压实度值都达到目标值，则承载能力一致并均匀压实的平整路面可以交付用户。

第二步：设备测试。加速度传感器必须安装在压路机钢轮轮毂的中心位置，并且这个位置是不能转动的，与压路机刚性连接。轮毂的振动必须能够被加速度传感器直接地、无阻尼地感应到。

显示的测量值取决于压路机类型、压路机速度以及路基材质。假设路基材料是合格的，一致性好。

通过压实传感器获取压实度值、压路机振动频率、压路机振动轮振幅。测试振幅获取路面冲击力量。

通过安装在压路机上GPS/北斗定位传感器获取压路机速度值。

第三步：获取有效压实度值方法。加速度传感器每秒采集20组值，每一组值包含压实度值、振动频率、振动幅度。由于事先知道压路机的标准振动频率和振动幅度，将采集到的振动频率与标准值进行对比，如果采集值与标准值偏差较小，说明压路机振动已经达到稳定状态，可以将压路机启动振动或者关闭振动时的不稳定状态值去除，以减少偏差。然后在匹配此时压路机速度是否在工艺要求的范围内，如果此时条件满足，则此时的压实度值是有效值，否则此时的压实度值是无效值。

通过对每秒内的压实度值进行滤波算法，以获取最佳的稳定有效的值。

3 应用案例

3.1项目概况

金港高速公路项目为柬埔寨王国第一条高速公路。项目从金边市一路向西南途经干丹省、磅士卑省、戈公省，终点位于西哈努克港。项目设计、施工均采用中国规范和标准，全长187.05 km, 双向四车道标准，设计速度100 km/h。开工日期为2019年6月18日，合同工期48个月，缺陷责任期24个月，运营期50年。

根据柬埔寨高温多雨的气候特征，柬埔寨金港高速公路路面结构的水稳定性以及高温稳定性有较高的要求，采取半刚性底基层+级配碎石下基层+沥青稳定碎石上基层的倒装式路面结构，见表1。

表1 路面结构参数 导出到EXCEL

3.2GNSS基站安装

GNSS基准站实时给压路机上的GPS接收机发送差分信号，驾驶室中控制系统能够实时获得厘米级的三维位置GPS定位数据。

差分定位模式由已知三维坐标的基准站通过无线电通讯实时发送改正数，由待测点 GPS 接收机接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。载波相位差分将载波相位观测值通过数据链传到流动站(碾压机机载GPS接收机),然后由流动站进行载波相位定位，其定位精度可达厘米级，满足碾压遍数与压实厚度监控的精度要求(压实厚度的监控需经过数学运算减小误差)。实地采用实时动态快速定位(Real Time Kinematics, 简称RTK)技术进行监控，其特点是以载波相位为观测值的实时动态差分 GPS 定位，满足碾压机施工监控的实时、快速定位要求。

单个GNSS基准站辐射半径约20 km, 金港高速公路全线187.05 km, 其中部分施工路段受天气及地形阻挡，根据测量及施工要求，现场分别在K2、K40、K63、K109、K157、K183共6处位置安装了GNSS基准站，并辅助流动站，用于提升定位的精度。

3.3压实设备安装

路面压实分为3个阶段，分别为初压，复压及终压。通过对加速度频率进行FFT 分析，压实分为3个阶段：第一阶段压实度呈非线性塑性应变，压实度增加，混合料弹性模量增加，阻尼减小；第二阶段压实度呈线性弹性应变，路面材料进一步密实，弹性增加，塑性减少，振动能量由接触区域扩散到周围区域；第三阶段刚性应变阶段，该阶段路面已压实，基本不再产生形变，如继续振动压实，将产生跳振。

金港高速公路项目沥青路面根据施工工艺，每个工作面使用2台双钢轮及2台胶轮压路机，双钢轮为宝马格BW205AD-4,工作重量14 800 kg, 操作重量11～15 t, 振动频率40/50 HZ,工作宽度/振动轮宽度2 135 mm, 胶轮为徐工XP303,压实宽度2 360 mm, 功率/转速132/2 000 rpm, 最大工作质量30 000 kg。

为满足压实度检测要求，需对压路机进行数字化施工改造，其中胶轮压路机安装定位天线及信号处理单元，双钢轮压路机还需安装振动传感器。

(1)WIFI、LTE、GPS天线安装。

WIFI、LTE、GPS天线下方的吸盘可以吸附在金属上，由于压路机顶棚是非金属材料，所以需要用3M强力胶，在保持黏合区无污渍的情况下进行固定。

(2)RFID采集器安装。

直接使用设备上已经接好的24 V直流电。由于RFID数据盒要求5 V供电，需要加装12 V～24 V转5 V变压器才能使用，RFID天线要求12 V供电，需要加装12 V～24 V转12 V变压器才能使用。

(3)振动传感器安装。

固定振动传感器的轮毂要选择能跟钢轮共同振动的地方，寻找尽量水平的位置安装一块15 cm×20 cm的钢板。

首先要给双钢轮焊接一块钢板，焊接点要充分焊接，之后再用加固胶水二次加固，从而提高焊接钢板的稳定性，也能防止焊接处生锈。轮毂与钢板、钢板与振动传感器必须是刚性连接，确保振动传感器能敏锐地捕捉到钢轮的振动参数，见图3。

图3 振动传感器安装示意 下载原图

如果单钢轮轮毂处有圆孔，可以优先利用圆孔来固定钢板，然后再用焊接来再次固定钢板。轮毂与钢板、钢板与振动传感器必须是刚性连接，确保振动传感器能敏锐地捕捉到钢轮的振动数据，见图4。

图4 振动传感器安装图示 下载原图

(4)温度传感器安装。

温度传感器用于路面温度测定，温度传感器探头距离地面不超过20 cm。温度传感器支架通过强磁吸盘吸附在车体上，如果吸附强度不够，支架随车振动发生位移，需要给强磁吸盘周围加上胶水加固。温度传感器另一端连接在5芯传感器线缆上，“5芯传感器线缆”直接接在传感器接口上，见图5。

3.4压实数据的采集及分析

图5 温度传感器安装图示 下载原图

为验证基于过程控制的振动压实度值的实用性，本文结合项目试验段，在沥青中面层开展相关数据分析，试验段位置位于K56～K58。

3.4.1振动压实度值与压实度之间的关系

平均每隔200 m选择1个点，共选取了10个点进行分析，结果见表2。

应用最小二乘法，对采集的振动压实度值、压实度两种试验数据进行拟合，拟合方程为：y=1.628 8x-65.834(x代表压实度，y代表有效振动压实度值),R2=0.760 9,可知相关性较好。

3.4.2压实遍数与振动压实度值之间的关系

从数据来看，随着碾压次数的增加，振动压实度值越来越大，且前几次压实，路基处于松散状态，振动压实度值的增加幅度比较快，当碾压8次以上，振动压实度值处于稳定，增长速度区域平稳，从曲线分析来看，符合路面压实度增长趋势，见表3。

表2 K56～K58中面层振动压实度值分析 导出到EXCEL

3.5数字化施工平台搭建

表3 振动压实度值随次数变化分析 导出到EXCEL

数字化施工平台采用B/S架构，部署云服务。平台根据施工工艺，将压实路面进行网格化规划，分区、分单元操作，对碾压过程中的数据进行采集、存储、处理，对工程进度进行检测、监督等。管理者分区域分单元进行现场压实数据的存储、查看及调用。

为推动压实检测效果，项目以10 m为一个点，将全线的WGS-84坐标系导入到数字化施工平台，结合GIS,形成项目全线路线图，见图6。

图6 柬埔寨金港高速公路线路图示 下载原图

3.6压路机平板应用

平板电脑是把压实终端中采集到的数据实时呈现给驾驶员，显示当前路面压实度是否合格、路面温度是否合格、压路机速度是否合格、碾压遍数统计，指导压路机驾驶员根据平板电脑显示做出施工改进，见图7。

图7 压实机平板指导现场施工 下载原图

从已取出的直流电源中，再分出一处电源，安装12 V～24 V转12 V变压器后，接在平板电脑专用电源头上。

双钢轮压路机上方有遮光板，将遮光板拆除后，留下遮光板支架。将平板电脑固定铁片安装在遮光板支架上，再用铁丝进行二次加固，防止压路机长时间振动对固定铁片造成磨损毁坏。

3.7压实质量监控

数字化施工平台根据试验段数据，建立压实度与振动碾压时二次谐振频谱之间的关系，调整振动压实度值计算参数，拟合出压实度图谱，采用红、黄、蓝3种颜色对路面压实度进行标定。该过程除了对碾压过程进行实时监控，还通过后台将所有数据进行存储。管理人员可以通过历史轨迹查询，对已碾压的过程进行回访，方便快速查找全线的薄弱区域，见图8。

图8 振动压实度值在数字化施工平台的应用效果 下载原图

4 结语

无论是钻芯取样检测还是连续压实检测，都是对路面结构抵抗变形能力的一种量化，境内外大量的工程实践证明，连续压实度检测与钻芯取样检测两种检测方式的结果在统计学上具有正相关关系。

相比于传统的钻芯取样检测的方式，基于过程控制的压实度快速评价方法，可以真实记录每一次压路机碾压的数据，包括施工当前时点下摊铺机的碾压温度、碾压速度、碾压遍数、坐标信息、标高信息等，实时反馈作业面的整体压实质量，并借助数字化施工平台，以颜色对碾压效果进行区分，指导现场压路机操作人员对不合格的路面进行补压，也方便管理人员及时查找薄弱区域，满足工艺要求及确保施工质量。

但该方法依然存在许多不足，首先该方法的应用，必须基于特定的施工环境及固定的施工工艺，一旦出现跟试验段不一样的路面或改变应用场景，就需要重新对相关参数进行测量和调整；其次，信息化技术的应用必须依靠基础设施的建设，在非洲等欠发达的地区，很多时候连电信信号都无法接收，随着5G、北斗等技术的覆盖，该情况会有所改善；再次，该方法需要对压路机等施工设备进行升级改造，而机械设备的生产厂家又没有相关的技术要求，参数型号各异，应用推广难度也相对增加，随着该项技术得到更多应用，国家可出台相关规范指引，由设备生产厂商进行模块化配置后，形成体系，最终达到提升项目管理水平的目标。

参考文献

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[2] 佚名.路面压实度自动连续检测技术[J].长安大学学报：自然科学版，2015,35(6).

[3] 刘玉彬，马颖.路基连续压实技术应用施工工法[J].中国科技投资，2021,(1).

[4] 曹丽萍，周杰，李涛，等.基于连续压实控制技术的路基压实均匀性评价[J].中南大学学报：自然科学版，2021,52(7).

[5] 冯永乾，江辉煌，吴龙梁，等.填筑工程连续压实控制技术研究进展[J].铁道标准设计，2020,64(7).

[6] JT/T 1127-2017 公路路基填筑工程连续压实控制系统技术条件[S].

[7] DB13T 2572-2017 公路路基智能压实控制技术规程[S].

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[9] 李世平，胡春华.振动压路机-土体系统动力学模型及参数研究[J].湖北工业大学学报，2018,33(5).

[10] 曹源文，韦建学，樊文胜，等.路基压实的振动加速度与压实度的相关关系[J].筑路机械与施工机械化，2016,33(5).

[11] 张忠强.基于CMV值的路基智能压实评价试验分析研究[D].河北大学，2017.

[12] 范娟，宋晓东，田利锋，等.高速铁路路基连续压实质量检测指标CMV影响因素分析[J].铁道科学与工程学报，2015,12(3).

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