基于实时监测的高等级公路路基压实质量快速评估

基于实时监测的高等级公路路基压实质量快速评估刘东海1巩树涛1魏宏云2(1 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072;2 天津市市政公路管理局，天津 300050)摘要: 高等级公路路基压实质量通常采用的事后抽检方法不能满足碾压过程中对压实质量的实时、连续监控的要求，且用有限的检测点去评估整个工作面的压实质量往往存在较大偏差。利用研制开发的路基压实效果实时监测 装置，自动在线采集路基压实监测值(CV)，进而在分析 CV 与路基弹性模量、压实度的相关性的基础上，建立以 CV 为变量的路基压实质量的评估模型，提出路基施工全工作面压实质量的快速评估方法，实现施工工作面任意位置 处压实质量的估计及整个工作面压实质量合格率的分析。该方法可有效避免事后抽检方法的片面性和滞后性，为 高等级公路路基压实质量的实时控制提供一条新的途径。关键词: 高等级公路; 路基碾压; 质量控制; 实时监测; 质量评估中图分类号: U416 1文献标识码: A文章编号: 1000-131X(2014)11-0138-07Fast assessment on compaction quality of highway subgradebased on real-time monitoringLiu Donghai1Gong Shutao1 Wei Hongyun2(1 State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China;2 Tianjin Municipal Highway Administration，Tianjin 300050，China)Abstract: The conventional compaction quality inspection method for highway subgrade primarily relies on random sitesampling after compaction，which may not meet the requirements of real-time and continuous quality monitoring duringrolling Moreover，using limited samples to represent the entire working area may often introduce large errors in the compaction quality With the developed monitoring device for highway subgrade compaction quality，the compaction value (CV) of subgrade can be acquired timely Basing on the correlation analysis between CV and the elastic modulus(or the compactness of the subgrade soil)，a regression model of the compaction quality is established Furthermore，a fast assessment method on the compaction quality of subgrade is proposed for the entire working area，so that the compaction quality at any location of the working area can be estimated and the qualification rate of the entire working area can be analyzed Hence，the proposed method may overcome the shortage (such as the insufficiency and the delay) of post sampling，thus providing a new way for real-time quality control of highway subgrade constructionKeywords: highway construction; subgrade compaction; quality control; real-time monitoring; quality assessmentE-mail: liudh tju edu cn工，且不能及时获得检测结果;动态变形模量测试仪具有操作方便、快捷、对施工干扰小等优点，其测试得 到的弹性模量与灌砂法的测试结果具有较好的相关 性2-3。但这些方法均属于事后行为，不易实现碾压 过程中的质量控制;且由于抽检样本较少，则用有限 的试验点去评估整个工作面的压实效果往往会存在 较大偏差，不能真实反映整个工作面的压实质量。目前，国内外已有较多道路路基压实质量实时控 制方面的相关研究。国外，智能碾压技术( intelligent引 言确保路基压实质量是保证高等级公路长期安全运行的关键。现行规范及实际施工中往往采用灌砂 法、动态变形模量测试仪等事后抽检的方法对路基压 实质量进行检测和评估1。灌砂法往往容易干扰施基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB035902)、国家自然科学基金(51079096)和天津市科技支撑计划重点项 目(BZCZDSF01800)作者简介: 刘东海，博士，教授 收稿日期: 2013-08-304compaction，简称 IC) 已在道路工程中广泛应用 ，在确保道路施工质量、节省投资、加快施工进度方面发 挥了重要作用。IC 技术通过对碾压过程中振动碾轮第 47 卷 第 11 期刘东海等基于实时监测的高等级公路路基压实质量快速评估139加速度信号的实时监测，自动计算智能碾压测量值(ICMV)5来表征材料实时的压实状态。代表性的监 测指标有 Caterpillar 公司的碾压净功率指标( machine drive power，简称 MDP)6、AMMANN 公司的机测土体高等级公路路基压实效果实时监测方法1路基压实效果实时监测指标1 176-8刚度 KB 、Geodynamik 公司的碾压振动加速度频域分析指标( compaction meter value，简称 CMV)8 等。但 这些指标的监测装置不仅昂贵，而且只供压路机驾驶 室内的司机使用，不能实现监测数据的实时远程发 送，使得在后续压实质量评估中无法应用实时监测到 的碾压数据，也无法同时用于监理、施工单位、设计及 业主进行同步的质量管理。在国内，张润利9、武雅丽10、马学良11 等开发 了相应的压实度检测装置，取得了良好的效果。但这 些装置所测压实质量值均没有地理属性，无法与大地 坐标相匹配，在实际施工中，难以根据监测指标快速 找到质量不合格部位，以进行及时的反馈碾压补救。徐光辉等12提出了以连续测试路基结构抗力变化信 息为特色的动力学监控方法，以路基结构在形成过程 中抗力的变化来评价压实状态的变化，实现了在压实 过程中连续实时的质量监控。依托土石坝填筑碾压质量实时监控技术13-14，刘 东海等利用实时采集的碾压参数( 行车速度、碾压遍 数、激振力、压实厚度) 建立了心墙坝料压实质量实时 评估模型，提出了土石料碾压质量全工作面评估方 法15-16。但是，该方法对于心墙坝料的压实质量的评 估主要基于间接反映压实效果的碾压参数，而非坝料 压实的直接指标(如压实度等)，而且由于路基填料与 心墙坝料有很大不同，因此文献15-16的方法未必适 用于道路路基土料。本文将利用自主研发的车载式 路基土料压实效果监测装置，深入研究基于实时监控 下的路基土料全工作面压实质量的快速评估方法，这 对于确保高等级公路施工质量、实现压实质量实时控 制具有重要的现实意义。现有研究表明 ，压路机振动轮加速度与被压材料的压实状况有着密切关系。在碾压初期，坝料比 较松软，土体反力较小，碾轮加速度的时程曲线呈正 弦波形变化，相应的加速度频谱以基频为主，高次谐 波分量很少;随着碾压遍数增加，土壤逐渐密实，土体 反力增大，碾轮加速度信号发生畸变，相应的加速度 频谱中出现高次谐波分量。由此，定义路基压实效果CV ( compaction的 实 时 表 征 指 标压 实 监 测 值value)如下:A4(1)CV = 300A2式中:A2 、A4 分别是加速度频谱图中基频和二次谐波对应的幅值。随着碾压遍数的增加，压实材料逐渐密实，其压实度(或路基弹模) 逐渐增大;同时，振动轮的 加速度信号畸变程度也越厉害，谐波分量也越多，CV 值也逐渐增大。实际上，CV 值反映的是碾轮宽度方向 上被压土料的平均压实情况。在土料料性( 级配、含 水率等)比较均匀的情况下，碾轮宽度方向上的土料 压实效果不会差异很大，CV 值可由安装在压路机上自 主研发的压实效果监测装置实时采集。1 2 路基压实效果实时监测方案采用 GPS 技术、GPS 技术和计算机技术等，以实 现对路基压实效果的实时监测，监测方案如图 1 所示。 具体实时监测流程如下:(1)通过安装在压路机上的压实效果监测装置及 GPS 接收机，实时采集压路机的动态坐标( 利用动态 TK 技术，经 GPS 基准站差分，定位精度可提高至厘 米级)和压实监测值 CV。(2)利用 GSM 模块13，将上述数据经 GPS 网络图 1 高等级公路路基压实效果实时监控方案Fig 1 Scheme for real-time monitoring of highway subgrade compaction quality土 木 工程学 报2014 年140实时发送至远程数据库中。(3)监控客户端利用本文第 3 节方法进行路基压 实质量评估，并与预先设定的标准做比较，根据偏差指导现场相关人员采取反馈控制措施。路基压实质量评估模型的建立22 1相关性分析为分析 CV 与路基压实质量的表征关系，通过现 场原位试验，对 CV 与压实度(D)、动态变形模量( Ev )进行了相关性分析。利用动态变形模量测试仪测试 各位置点路基 Ev ，同时利用灌砂法测试其压实度。现 场试验段路基填料为石灰和粉煤灰混合料，试验过程 中控制料源一致( 如级配)，且含水量基本无变化，故本文没有分析土料含水量、级配与压实质量的关系。 共采集 CV 与 Ev 样本 41 组，Ev 与 D 样本 7 组。经分 析，CV 与 Ev 、Ev 与 D 的相关系数分别为 0 9124 和0 9345，表明二者之间具有明显的相关性( 如图 2)，故 用 CV 来表征路基压实效果是可行的。两者拟合后的回归模型为:图 3 模型的实测值与计算值比较图Comparison of Ev between the measured values and the calculated onesFig 3模型: Ev模型: D= 0 7526CV + 5 8603= 0 0054Ev + 0 7984图 4 模型的实测值与计算值比较图Comparison of D between the measured values and the calculated ones式中:Ev 单位为 MPa;CV 为无量纲值。图 3、图 4 分别为模型和模型的实测值与计算值的比较图，两模型平均相对误差分别为 4 12% 和 1 36% 。Fig 42 2路基压实质量评估模型在试验料与施工处路基土料料性一致，且含水量基本不变的情况下，可根据建立的模型 和模型，求得以压实监测值 CV 为变量的压实度 D 的回归模型 (模型)如下:(2)D = 0 0041CV + 0 8300图 5 为实测值与该模型计算值的比较图，两者最大相对误差为 2 79% ，平均相对误差为 1 72% ，可满 足实际工程需要。(a)CV-Ev(b)Ev -D图 2 CV 与 Ev 、D 与 Ev 的相关性图Fig 2 Correlation analysis of: (a) Ev and CV; (b) D and Ev图 5 模型实测值与计算值比较图Fig 5 Comparison of D between the measured values and the calculated values第 47 卷 第 11 期刘东海等基于实时监测的高等级公路路基压实质量快速评估141由此，可利用建立模型 及模型，根据实时采集的 CV 值，实时计算路基填料的压实度或动态弹性 模量。需指出的是，上述模型是针对料性一致、含水率基本在最优含水率情况下建立的，如果要使用到不 同路基填料，料性或含水量发生较大变化时，上述模型需重新建立。(xi ，x0 ) 为采样点 xi 与内插点 x0 之间的半变异值; 为与方差最小化有关的拉格朗日乘数。由此可计算出i 的值，将其代入式(4)即可求得需插值点的 Z(x) 。3 2路基全工作面压实质量快速评估步骤利用模型、模型和 Kriging 插值法，高等级公路路基全工作面压实质量快速评估的步骤如下:(1)压实监测值( CV) 实时采集。由压实效果监 测装置及 GPS 接收机，按一定时间间隔(如 2 3s)，实 时采集碾压过程中 CV 值及当前位置坐标，并保存至 远程数据库服务器中，供客户端后续分析应用。(2)栅格化路基碾压工作面。考虑路基碾压的行 走速度，CV 采样间隔为 2m 左右，故将施工工作面离 散为 2m 2m 的网格。(3)根据网格位置，给每一个网格赋值。由步骤 (1)存储在数据库中的 CV 值及其对应坐标，确定通过 某网格最后一次采集到的 CV 值，将该值赋给相应位 置的网格。(4) 当前施工工作面每个网格处的压实质量评 估。根据压实质量评估模型或模型，计算每个网 格上的压实质量(压实度或弹性模量)。(5)全工作面压实质量空间插值。根据采集的样 本，结合半变异函数并计算其参数( 变程和基台)，进而利用 Kriging 插值法及式(4 ) 得到当前施工工作面任意位置处的压实质量值，并输出压实质量云图。(6) 压实质量分析与施工反馈控制。 根据步骤 (5)得到的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;同时，可计算 全工作面面压实质量的合格率 () 为:路基全工作面压实质量快速评估方法3安装在压路机上的路基压实效果实时监测装置按照一定的采样频率(如每 2 3s)采集 CV 值，故所得 CV 在施工工作面上是离散的。因此，为评估全工作面 任意位置处路基的压实质量( 压实度或弹性模量) 需 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17，本 文选用 Kriging 法进行全工作面的插值。路基压实质量的 Kriging 插值方法若 x 表示碾压工作面中任意一点的位置，Z(x)为该点处的压实质量指标( 动态弹性模量 Ev 或压实 度 D)，则半方差函数可表示为17:3 1N(h)1Z(x ) Z(x + h)2(h)2N(h)(3)=iii = 1式中: h 为两样本点的空间步长; N(h) 是相距为 h 时的数据对数。通过用半变异函数模型拟合 h-(h) 的关系，可 以确定变程、块金和基台。其中变程是半变异函数的取值达到基台值时的采样点间隔距离，块金是距离为0 处的半变异函数值。当未知点与已知点的距离小于 变程值时，已知点的测量值对未知点有影响，则可通 过 Kriging 方法对已知点的动态弹性模量( 或压实度) 由式(4)来求得未知样点的动态弹性模量值( 或压实度)，可表示为:nS1 (6)= 100%S2式中: S1 为压实质量合格区域的面积; S2 为当前施工工作面的总面积。据此，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，以确保施工质量。Z(x)= i Z(xi )(4)i = 1式中: n 为变程范围内的已知样本点的个数; Z(x) 为未知位置点处压实质量; Z(xi ) 为已知样本点的压实 质量值; i 为第 i 个已知样本点对未知样点的权重，其 不仅考虑了待估点与采样点之间的距离，而且考虑了待估点与采样点之间、采样点彼此之间的空间分布关工程实例应用本文工程实例为滨海新区西外环高速公路第十 三标段，该标段路基填筑选用石灰和粉煤灰混合料。 取该标段某一长 50、宽 10m 的施工工作面。根据上文 方法，对该施工工作面的压实质量进行评估。利用 GS + 分析软件，计算采集到的 CV 值的半变 异函数，经分析采用高斯模型拟合时效果最佳，此时4系17。权重 的计算如式(5)所示:inj (xi ，xj ) + j = 1n= (xi ，x0 )(5)变程为 19 3m，基台值( C + C0 )为 54 5，模型的 为0 965，如图 6 所示，进而可由式(4) 进行 Kriging 空间插值。2i= 1i = 1式中: (xi ，xj ) 为采样点 xi 与 xj 之间的半变异值;土木工程 学 报2014 年142根据工程现场质量控制要求，压实度93% 时，即认为压实质量达标。在填筑料料性均匀的情况下，利 用模型可求得 CV 控制值为 24 39，即当 CV24 39 时，压实度93% 。图 7 为利用土石坝填筑碾压实时 监控技术13-14开发的路基压实质量实时监控系统的界面，该系统可实现压路机行进速度、碾压遍数、振动 频率及 CV 的实时监控。该施工工作面的 CV 值、压实 度和弹性模量的空间插值结果如图8 所示，图中阴影图 6 施工工作面 CV 值半变异函数Fig 6 Semivariable function for CV图 7 高等级公路压实质量实时监控系统界面图User interface of real-time monitoring system for compaction quality of highway subgradeFig 7图 8 施工工作面压实质量云图Fig 8 Contours of compaction quality at working area第 47 卷 第 11 期刘东海等基于实时监测的高等级公路路基压实质量快速评估143部分表示不合格区域，CV 合格率为 92 75% ，压实度合格率为 94 83% 。Engineers，2004: 1058-1065Anderegg ，Kaufmann K Intelligent compaction with vibratory rollersJ Journal of Transportation esearch Board，2004(1868): 124-134White D J，Thompson M J elationships between in situ and roller-integrated compaction measurements for granular soilsJ Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2008，134(12): 1763-1770 张润利，张俊杰，李熙山，等 振动压路机压实度连续检 测仪J 工程机械，2001，32 (8): 4-6 ( Zhang unli， Zhang Junjie，Li Xishan，et al Continuous tester for compactness of vibratory compactors J Construction Machinery and Equipment， 2001， 32 ( 8 ): 4-6 ( in Chinese)武雅丽，王鹊，卫雪莉 振荡压实度计的试验与研究7结论58现行高等级公路路基施工质量控制方法难以实现路基压实质量的实时、连续监控。利用研制开发的 压实效果实时监测装置，提出以压实质量监测值 CV 作为路基压实质量的实时监控指标，并且通过考察 CV 与路基弹性模量 Ev 、Ev 与压实度 D 之间的相关关系， 建立了以 CV 为自变量的压实质量回归模型。利用该 模型，根据实时采集的 CV 值，可评估对应位置处的压 实质量。然后，利用 Kriging 空间插值方法，实现了工 作面中任意位置处压实度质量以及全工作面压实质 量合格率的评估。工程实例表明:压实质量监测值 CV 作为路基压实质量的现场实时控制指标是可行的;同时，本文方法可有效避免以有限个试坑点样本评价整 体工作面碾压质量的片面性和滞后性，为高等级公路 施工质量的实时控制提供了一条新的途径。需要指 出的是，本文在建模过程中均未考虑路基料性与含水 量差异的影响。而在实际施工中，料性与含水量总是 发生变化，故为提高精度，需分别针对不同路基填料 建立相应的回归模型，且需在模型中引入含水量变化 的影响，这是进一步需要所做工作。参 考 文 献910J中国公路学报，1998，11(4): 121-126 ( Wu Yali，Wang Que，Wei Xueli Experimental study of oscillatorycompactometer J China Journal of Highway and Transport，1998，11(4): 121-126(in Chinese) 马学良，孙祖望，龙水根 振荡压实智能化控制策略的 研究J 中国工程机械学报，2008，6 (3 ): 299-305( Ma Xueliang，Sun Zuwang，Long Shuigen Intelligent control strategies for oscillatory compactionJ Chinese Journal of Construction Machinery，2008，6 (3): 299-305 (in Chinese)徐光辉，高辉，王哲人 路基压实质量连续动态监控技 术J 中 国 公 路 学 报，2007，20 ( 3 ): 17-22 ( Xu Guanghui，Gao Hui，Wang Zheren Continuous dynamic monitor technology on subgrade compaction qualityJ China Journal of Highway and Transport，2007，20 (3 ):17-22(in Chinese)Zhong Denghua，Liu Donghai，Cui Bo eal-time compaction quality monitoring of high core rockfill damJ Science China (Technological Sciences)，2011，54 (7): 1906-1913马洪琪，钟登华，张宗亮，等 重大水利水电工程施工实 时控制关键技术及其工程应用J 中国工程科学，2011，13 ( 12 ): 20-27 ( Ma Hongqi，Zhong Denghua，Zhang Zongliang， et al Key technologies of real-time construction control for major hydraulic and hydroelectricprojectsJ Engineering Science，2011，13 (12): 20-27(in Chinese)刘东海，王光烽 实时监控下土石坝碾压质量全仓面评 估J 水利学报，2010，41(6): 720-726(Liu Donghai，Wang Guangfeng Compaction quality evaluation of theentire rolled unit of earth dam based on real-time monitoringJ Journal of Hydraulic Engineering，2010，41(6): 720-726(in Chinese)Liu Donghai，Sun Jing，Zhong Denghua，et al Compaction quality control of earth-rock dam construction using real- time field operation data J Journal of Construction11121JTG F102006 公路路基施工技术规范S北京: 人Technical民 交 通 出 版 社， 2006 ( JTGF102006specification for construction of highway subgradesSBeijing: China Communications Press，2006(in Chinese)ahim A，George K P Falling weight deflectometer for estimating subgrade elastic moduli J Journal of Transportation Engineering，2003，129(1): 100-107王定敏 基于 DCP 的路基压实度及承载能力评定J公路 工 程，2011，36 ( 1 ): 109-111 ( Wang Dingmin Evaluation of the compaction and capacity of the subgradebased on DCPJ Highway Engineering，2011，36 (1):109-111(in Chinese)1321434Carlos Z，Vincent D，Philippe BAdvanced compactionqualitycontrol University，2006Indiana， USA:15Purdue5Xu Q W，Chang G K Evaluation of intelligent compactionfor asphalt materials J2013，30: 104-112White D J，upnow T，Ceylan Hin Construction，Automation6Influence of subgrade /subbase nonuniformity of pavement performance C/ /Proceeding of Geo-Trans 2004-Geotechnical Engineering forTransportation Projects USA: American Society of Civil16土 木 工 程 学 报2014 年144Engineering and Management，2012，138(9): 1085-109417 Houlding S W Practical geostatistics: modeling and spatialanalysisM New York:Springer-Verlag，2000刘东海(1974-)，男，博士，教授。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。巩树涛(1988-)，男，硕士研究生。主要从事施工质量实时评估与安全分析方面的研究。魏宏云(1963-)，男，硕士，教授级高级工程师。主要从事市政工程管理方面的研究。