我国交通领域有关连续压实控制的发展与展望

根据海口发电机出租公司-融通电力（www.sino-acton.com)讯：
在诸如公路、铁路以及机场工程中，存在大量由建筑材料填筑而成的结构物。其中填筑体的压实问题一直是关注的重点。传统的压实质量控制方法以“点”式抽样检验为主，由于其局限性，已成为制约压实质量、特别是压实均匀性的瓶颈。因此，发展新的压实质量控制方法、提高填筑体质量是急需解决的问题。
　　在新的控制方法中，一类以振动压路机为工具进行检验和控制压实质量的方法尤其引人注目，一般将这类方法称之为连续压实控制。具体是指在填筑碾压过程中，根据土体与振动压路机相互动态作用原理，通过连续量测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控制体系，实现对整个碾压面压实质量的实时动态监测与控制。随着评定指标与控制体系的不同，具体可分为几种方式，各有其适用范围。本文将对这类方法在中国、特别是在交通领域中的发展概况进行简要阐述。
　　1、连续压实控制在中国的发展历程
　　1.1、初期引进——压实计方法
　　连续压实控制是在上个世纪七十年代瑞典压实计方法基础上发展起来的。在八十年代末期，中国水电部门引进瑞典压实计，在一些大坝上开始尝试应用，但没有得到推广应用。究其原因，还是由于压实计的评定指标（即压实计值CMV）与常规检测指标之间没有较好的相关性所致。另外，很多人错误地认为连续压实控制就是压实计，导致对这类方法产生疑虑，在一定程度上也推迟了这类技术在中国的推广应用。
　　中国交通领域对这类技术的关注是从上个世纪九十年代开始的。一些公路部门不断尝试在路基填筑碾压过程中采用压实计方法进行连续压实控制，但都未取得较好的效果。比较典型的是在辽宁的沈阳至丹东高速公路项目中。虽经过多次试验，但由于CMV与常规检测指标（如压实度和弯沉等）之间没有很好的相关性而不得不放弃。直到近几年，仍然有人在尝试采用压实计方法进行连续压实控制。2008年11月，国外某公司在哈尔滨至大连高速铁路项目中进行了现场对比试验。试验段的填料为粗粒料，其结果令人失望，CMV与常规指标之间的相关系数均不大于0.30。
　　造成CMV与常规指标之间相关性较差的原因主要有两方面。其一，CMV定义本身存在局限性所致。当碾压某些细粒料时，压路机响应信号中只出现一次谐波成分时，采用CMV可以进行控制，但当碾压粗粒料时，响应信号频率成分复杂，CMV不能很好地反映压实状况，这也是国内外的共同结论。其二，利用压路机进行的连续检测和常规点式检测，二者的检测范围存在明显不同，如果填料是不均匀分布的，则会造成二者的较大差异。
　　此外，一些高校科研部门和一些仪器厂商，也曾对压实计方法进行过研究。曾生产过压实计类的量测设备，大部分以失败而告终。还有一些以研究和发表文章为主，并没有真正在工程实践中进行过应用。　1.2、自主研发——动力学方法
　　在一些人研究压实计方法的同期，本研发团队成员对以振动压路机为工具的压实控制技术开始了自主研发。1993年承担了交通领域第一个连续压实控制方面的科研项目。抛弃了压实计方法只对压路机响应信号进行信号处理的思路，提出了一套动力学方法。先后在哈尔滨工业大学和西南交通大学进行过研究。承担完成了东北三省、交通部、铁道部和国家自然科学基金在内的十余个科研项目。在二十余年的研发过程中，从理论体系、测试技术、工程应用到行业标准，进行了一系列的独立研究与开发，形成了一套具有完全自主知识产权的技术体系，为在中国填筑工程中开展连续压实控制应用奠定了基础。
　　1.3、制定标准——实际应用
　　2011年，由本研发团队成员主编的中国首部连续压实控制技术行业标准——《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程》（TB10108-2011）颁布实施。其中规定了四个工艺流程：设备检查是在使用前对振动压路机的振动性能等进行检测；相关校验是建立常规检测指标（地基系数和压实度）与连续指标VCV之间的相关性，只有满足要求才可以采用；过程控制规定了如何进行压实程度、压实均匀性和压实稳定性的控制；质量检测给出了如何确定压实薄弱区的方法和在该区进行常规检验的原则。
　　目前我们正在主持编写交通部的《公路路基与基层填筑工程连续压实控制系统技术标准》以及铁路路基连续压实控制技术验收标准的专项研究。这些行业标准的建立，将会进一步推动这项技术在交通领域的实际应用。
　　1.4、智能压实——智能压路机雏形
　　近几年，一些压路机厂商开始研制能够进行自动调幅调频的所谓“智能压路机”，但尚未见到在交通领域进行工程应用。此外，中国铁建集团曾购买一批德国的所谓“智能压路机”，但在工程现场很少见到使用，其原因不详。
　　目前以振动压路机为工具来检验压实质量的方法，公认的称谓为“连续压实控制”，而所谓的“智能压实”应该是连续压实控制技术的进一步发展。尽管现在已有这样的振动压路机，但其真正的压实效果还不尽人意，有待进一步的提高。因此，我们在制定国家行业标准时，采用了“连续压实控制”这样的称谓。
　　1.5、量测设备
　　从上个世纪八十年代起，众多厂家对这类技术的量测设备进行过研制，但大部分的测试效果都不十分理想，甚至带来了负面影响。究其原因，主要还是所建立的连续评定指标存在缺陷，此外对存在的“测不准”现象没有很好地把握。鉴于上述原因，在行业标准中规定了在使用前必须严格进行对量测设备进行相关校验，相关系数0.70是对各种量测设备进行技术把关的最低界限。
　　实际上，量测设备只是获取相关压实信息的技术手段，相对还是比较容易实现的。这项技术关键还是对散体压实成型的技术特征和一些专业知识的深入理解和正确把握。

　2、连续压实控制的动力学体系
　　动力学方法主要遵循了两条研究路线。其一，从动力学角度出发，根据振动压路机与填筑体相互作用的动力学原理，借助一些相关理论，得到了能够反映填筑体抵抗变形能力的力学指标——振动压实值（VCV）。其二，从工程学的角度出发，根据道路和铁道工程的技术特点，提出了同时进行多项内容控制的技术方案，并建立了相应的控制准则，提出了反馈控制措施。
　　2.1、基本原理
　　将振动压路机碾压过程看作是一种动态荷载试验过程。其中压路机是一个加载设备，填筑体是一个试验对象。压实质量的好坏最终表现在填筑体的抵抗变形能力上。如何识别填筑体抵抗能力是关键。根据动力学和系统识别原理，可以通过对振动轮振动响应的实时量测与处理，得到与填筑体抵抗力有关的指标VCV，从而进行相应的压实质量控制。其基本原理原则上与平板载荷试验相似，只是加载方式和测试范围不同而已。
　　2.2、量测系统
　　1999年研制了与动力学方法配套的量测系统——“压实过程监控系统（CPMS V1.0）”。该系统由振动传感器、数据采集装置、现场数据处理与控制软件、后台数据处理与管理以及信息传输软件等组成，可以装配在任何振动性能稳定的振动压路机上。其中CPMS V3.0是根据铁道部下达的科研任务、借鉴了高速公路上十余年的研究成果而研制的。目前已经发展到CPMS V5.0，实现了信息化管理和控制。
　　2.3、控制内容
　　（1）过程控制之一——碾压全过程管理与监控。
　　实时监控碾压时间、遍数、层数、长度、宽度等与施工管理密切相关的诸多参数。根据相关信息生成施工进度图，有效地进行工程管理。
　　（2）过程控制之二——压实工艺监控。
　　目前有些振动压路机的振动性能并不稳定，会造成激振力急剧下降和明显波动。需要根据相关压实信息，实时监控压路机振动性能是否平稳并提供相应预警。
　　（3）过程控制之三——压实程度控制。
　　压实程度是最重要的控制要素之一。在碾压过程中，按照设定的VCV目标值，可以实时地、连续监控填筑体的压实程度，及时给出压实质量平面分布图，便于现场管理和控制。
　　（4）过程控制之四——压实稳定性控制。
　　碾压遍数不是一个定数，随压实工艺和填料等发生变化。可以通过VCV的变化信息来判定压路机的压实功效是否发挥到最大、压实是否稳定。其目的在于优化压实遍数，避免“过压”和“欠压”现象的发生。
　　（5）过程控制之五——压实均匀性控制。
　　碾压面性状的不均匀分布不但会导致将来发生不均匀的沉降变形，还存在验收不合格的风险。因此需要根据压实信息进行判定和控制，使整个碾压面处于比较“均匀”的压实状态。
　　（6）验收检验——最小风险控制。
　　传统的抽样检验点不一定正好选在压实薄弱区域上，可能会造成“漏检”现象，鉴于此，提出“最小风险控制法”。其核心是选取压实薄弱区域进行常规验收检验，最大程度地降低填筑体压实质量存在问题的风险。
　　3、工程应用
　　从1993年起，开始在东北三省的多条高等级公路建设中进行了试验性应用。当填料颗粒较细时，采用VCV与压实度、弯沉或模量进行相关校验，取得目标值进行压实程度控制，并进行正常的压实均匀性和压实稳定性等的控制；当填料颗粒较粗时，一般不能进行常规检测，此时除了可以进行压实均匀性控制外，还可以采用压实稳定性的判定方法进行压实程度的控制，其实质就是公路路基规范中所规定的“轮迹控制法”。
　　从2008年起，开始在铁路建设中进行应用。对VCV与压实度、地基系数等之间的相关关系进行了近千组的对比试验，得到的相关系数大都在0.75~0.95之间，取得了VCV与铁路现行常规指标的一致性。随着国家行业标准的颁布实施，从2012年开始在铁路建设中进行普及应用，目前已在沪昆铁路贵州段、呼准鄂铁路建设中普遍采用，在使用过程严格执行（TB10108－2011）标准。2013年3月，由原铁道部签发的铁总办[2013]3号文件把“连续压实控制技术”作为四项新技术之一，计划在中国铁路建设中全面采用。目前很多计划开工的铁路项目，都在招标文件里明确了必须采用连续压实控制技术的相关规定。这些举措将对提高中国铁路路基整体工程质量起到促进作用。
　　此外，2013年在甘肃成州机场项目中也进行了工程应用。该项目的最大填高为60米，压实质量控制成为保证其工程质量的关键手段。在进行控制过程中，结合机场相关标准，参照执行了（TB10108—2011）标准进行实施。此外，在深圳填海造地、哈尔滨群力开发区道路建设（强夯处理）中也都有工程应用。

4、展望
　　加强填筑工程的质量控制是保证填筑体质量的主要手段之一。连续压实控制技术现已在中国交通领域开始普遍应用，但一项新技术的推广、普及、应用，仍然需要各方面强有力的支持，才能打破那种只重视结果验收、而不重视过程控制的固有的、陈旧的观念，使工程质量得到更大的提高。
　　目前这项技术与物联网结合，正在实现压实信息的远程传输和监控，使工程管理者可以远程及时查看现场施工碾压信息，掌控工程质量，真正做到信息化施工和管理，提高填筑工程的施工和管理的技术水平。相信随着技术的成熟、相应行业标准的建立和完善，这项技术必将在中国交通领域得到更好的发展。