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  对于填筑工程而言,施工阶段的主要任务就是碾压。传统上,将建造道路与铁路的技术称作“筑路技术”,其中碾压就是传统筑路技术的核心之一。纵观筑路技术的发展历史,不难看出,每一次技术革命都与压实技术的变革密切相关。第一次筑路技术革命由人工夯实变为机械压实(静力压路机);第二次筑路技术革命由静力压实变为振动压实(振动压路机);第三次筑路技术革命是工程机械与连续压实控制技术的结合(自动压路机),压实的自动化程度和工程质量得到了显著提高。当前,人工智能技术与压实技术的进一步结合促进了现代筑路技术的发展,将形成筑路技术的第四次革命(智能压路机),可以形象地称作“筑路4.0”。

  图1 筑路技术的几个阶段与特征

  图1显示了筑路技术的几个发展阶段与技术特征。目前普遍采用的动力压实(包括振动压实和冲击压实等),属于“筑路2.0”阶段。随着连续压实控制技术的普及应用,现在已经进入了“筑路3.0”阶段。正在兴起的智能压实不但是现代筑路技术的主要特征之一,同时也是基础设施智能建设的核心技术之一。根据智能压实而适时提出智能建设的理念符合现代科技发展的潮流。智能压实技术的发展,也促进了智能建设理念的提出。
 

(一)智能压实发展简史

  对于各种填筑工程来讲,决定工程质量的关键因素是填料和碾压。在控制好填料质量的前提下,工程质量的焦点集中在压实质量控制上。传统压实质量控制采用“点式抽样”检验控制方法进行,但这类方法存在诸多问题,如费时费力、事后检测、整体代表性差、数据造假等问题,需要研究新的压实质量控制方法。

  随着科技的进步,一类利用压路机在碾压过程中的响应信息来识别和控制填筑体压实质量的方法(定义见后面)脱颖而出——连续压实控制(目前又称作智能压实,以下均称作智能压实),已经成为现代压实质量控制方法的代表,引领着“筑路技术”的发展方向。该技术可以在填筑碾压过程中对碾压面进行全面的、连续的、实时的监测与控制,属于过程控制技术,弥补了传统点式控制的不足。这类方法起源于上个世纪七十年代提出的压实计方法。
 

1. 1970'S

  早在上个世纪六十年代美国就有人提出利用振动压路机的振动反应来控制压实质量的想法,尽管没有实现,但这种思路激发了人们探索新技术的愿望。1974年,瑞典高速公路局的土木工程师Heinz Thurner(奥地利人)利用Dynapac的5吨牵引式振动压实机具进行了压实试验。结果表明,振动轮响应信号的一次谐波的振幅和激振频率的幅度之比与压实质量之间存在一些关联。1975年,Heinz Thurner和Åke Sandström建立了GEODYNAMIK公司,继续进行振动轮压实测量的研究。1976年,GEODYNAMIK公司为压路机厂商DYNAPAC公司研制了一种可以装配在振动压路机上仪表,其表针可以指示碾压所达到的程度。他们把这仪表称之为“压实计”(Compactometer),表征压实程度的指标称作CMV(Compaction Meter Value),为一个无量纲的比值。CMV是压路机振动响应信号的基频与一次谐波幅值之比。他们认为CMV与常规检验指标如模量、压实度等具有一定的相关性。至于为什么采用这个比值,并没有过多的理论依据,应该是根据试验观察得出的结果。

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  图2 压实计法工作示意图

  压实计方法的出现开拓了人们的视野,使大家意识到利用振动压路机还可以进行压实质量控制。尽管后来实践证明这种方法不具有普遍应用价值,也不适合发展智能压路机,但在当时情况下无疑是先进的,具有一定的创造性,其技术思想值得肯定。压实计问世之后,在DYNAPAC压路机上进行了装配,在一些工程中开始了一些应用。
 

2. 1980'S

  由于压实计原理简单,硬件上也容易实现和制造,因此,利用振动压路机进行压实质量控制的思想一经出现,在欧洲一些国家就得到了重视,特别是北欧一些国家的压路机厂商,开始仿照压实计原理进行研究和应用。德国是追踪这项技术比较早的国家之一,以压路机厂商BOMAG公司为代表。1982年,BOMAG首次将将测量系统的概念引入到压路机中,但其指标有所改变(早期资料显示应该是10CMV)。1989年,德国出现首个简单的压实信息管理系统。

  1988年,中国水利水电部门开始采用压实计原理进行大坝的碾压控制。随后,公路部门也有人引入压实计技术,一些电子厂商也开始仿制压实计产品。
 

3. 1990'S

  如果说八十年代是以仿制经验法的压实计为主,那么九十年代一些国家则开始了自主创新。这是因为在应用压实计进行压实质量控制过程中出现了很多问题。其中最大的问题就是压实计检测结果CMV与常规检测结果如模量、压实度等没有较好的一致性,导致人们开始怀疑这种技术是否真的有效,使从事这类技术的人意思到如果再沿着压实计原理走下去,将会出现更多的问题,需要另辟蹊径深入研究。因此,一些国家开始调整思路,从更加理论的角度进行研究,并在国际上系统地提出了“连续压实控制”的概念,即CCC(Continuous Compaction Control)技术。

  在德国,BOMAG公司开始尝试采用新指标来评定压实质量,如一种基于能量观点的所谓“OMEGA”值,突破了压实计的机理。1992年,在BAUMA会议上BOMAG公司展出了所谓“智能压实机(ICM)”的首个原型;1993年,德国公路部门首次推荐了SCCC(岩土填料的连续压实控制)技术;1994年,德国制定了SCCC标准;1996年,具有自动调幅的压路机被首次用于沥青路面的压实试验中;1998年,出现了具有自动调幅压路机;

  在中国,水利和公路一些部门继续采用压实计技术尝试在工程中应用。如水利水电部门在上世纪九十年代初的产品YS-1型压实计,曾在国内外的混凝土大坝和土石坝施工中用于压实质量的控制。与此同时,一些科研院所也开始了自创创新的历程。1993年,黑龙江省立项研究碎石土路基施工质量控制问题。这是国内首个研究这类技术的科研项目;1998年,提出了基于路基结构抵抗力为控制指标的动力学方法;1999年,研制完成了第一代压实过程监控系统(CPMS)。这部分内容详见网站“机构概况——历史沿革”的介绍。

  此外,欧洲一些国家开始制定连续压实控制技术的相关标准,为推广这类技术注入了动力。量测设备也由单一的硬件变为以单片机为主、具有控制软件和管理软件的控制系统。1990年,奥地利率先制定了连续压实控制方面的相关技术标准——RVS 8S.02.6,并在1993年和1999年进行了修订。随后其它国家也制定了相关标准,如芬兰的Tielaitos91,瑞典的BYA92,德国的ZTVE-StB-94和TP BF-StB E2 94等。
 

4. 2000'S

  进入本世纪以来,除了瑞典继续坚持使用压实计原理的技术外,德国和中国又进一步发展了这类技术。在理论体系、测试技术和技术标准等方面都有了新的进展,控制系统的软硬件更加融为一体,全面提升了这类控制系统。

  在德国,除了继续更新相关的连续压实控制技术标准外,BOMAG公司开始采用力学方法研究智能压实技术,提出连续压实控制新指标——振动模量,完善了“智能压路机”的概念,研制了相应的压路机——宝马智多星(单钢轮)。2001年,BOMAG公司推出了沥青压实专家系统(Asphalt manager),将连续压实控制技术应用到沥青路面的碾压控制中。

  在瑞士,Ammann公司基于振动力学原理,将填筑体按照离散模型考虑,提出了将刚度系数作为控制指标的方法,并将成果应用在自己的振动压路机上。

  在中国,本研发团队在哈尔滨工业大学继续完善动力学方法。在东北三省交通部门的支持下,从室内模拟试验到高速公路的路基与基层试验,进一步验证了理论结果的正确性。2004年,承担了交通部沥青路面压实质量控制方面的课题,将动力学方法应用在沥青混合料的连续压实控制上。2008年,在铁道部领导支持下,本研发团队承担了铁道部重点科研项目《高速铁路路基连续压实检验控制技术与装备研究》等多个研究课题,研发和发展了高速铁路路基连续压实控制成套技术(理论方法、测试技术、工程应用、技术标准)。2009年,在西南交通大学继续研究动力学方法在高速铁路路基填筑碾压控制中的应用。

  在美国,Ammann公司于2001年将第一台带有ACE系统的AV 95串联式振动沥青压路机引入美国。2004年,美国联邦公路局(FHWA)公布了一个“智能压实战略计划”,拓展了原来智能压路机的概念。2007年,开始大力推广智能压实技术,主要应用在沥青路面的碾压控制中,以控制碾压遍数和温度为主。
 

5. 2010'S

  2010年以后,智能压实技术进行快速发展期。这类技术主要在中国和美国得到了发展和应用。

  在中国,2011年中国颁布首部连续压实控制国家行业标准,开始在高速铁路建设中进行普及应用。2015年中国铁路总公司颁布新的连续压实控制标准,进一步完善了这项技术的一些细节。2017年中国交通运输部颁布公路路基连续压实控制系统技术标准。另外,本研发团队还得到了新成果:(1)解决了根据振动压路机动态响应识别填筑体模量的问题,可应用在普通振动压路机上;(2)解决了振动压路机弹跳时不能评定压实质量的问题;(3)解决了根据压路机响应识别当前碾压层模量的问题(分层问题);(4)提出这项技术与人工智能进一步结合的技术方案;

  在美国,2012年美国联邦公路(FHWA)局颁布岩土填料及沥青混合料智能压实标准。2014年美国(AASHTO)颁布国家智能压实标准。据统计,到2016年,美国已有24个州(美国有50个州)的交通局颁布了州立智能压实标准,对这项技术的发展起到了推进作用。

  2016年,由中美两国主导创办的“国际智能建设技术学会(IICTG)”组织成立,将会有组织地引导基础设施智能建设相关技术的发展,在全球倡导和推进基础设施智能建设技术的研究和应用。2017年,中国提出按照原理与应用效果等对智能压实进行技术分级。首届国际智能建设技术大会在美国召开;美国联邦公路局发布对智能压实技术分级的官方文件(FHWA-HIF-17-046);各国专家共同发起的国际智能建设技术研究中心开始筹建。

  关于控制系统,目前出现的产品很多,但种类不多,基本上分为谐波比类的经验指标和力学指标,对应着不同的控制系统,其控制内容也有很大的不同。根据现场调查,目前经验指标类控制系统已经趋于以控制碾压遍数为主,同时辅以高精度定位装置,已经离控制填筑体性能参数的方向越来越远了,变成数字化施工的一个施工记录器了。国际上比较流行的控制系统如图3所示。

  图3 一些典型连续与智能压实控制系统

  需要指出的是,目前对连续压实控制和智能压实这两个概念并没有严格区分,在欧洲仍被称作连续压实控制(CCC),美国称作智能压实(IC),中国则包容了这两种说法,不严格区分。从现代科技发展的角度看,也许称作智能压实更符合潮流一些,但是要发展真正意义上的智能压实内涵,而绝非是概念上的升级,需要与人工智能的进一步融合,智能压实控制系统与机械应该具有感知、学习、决策和控制的能力。下面给出连续压实控制和智能压实通用的参考定义。
 

6. 连续压实控制与智能压实的定义

  连续压实控制

  填筑体碾压过程中,根据填筑体与压实机械相互作用原理,通过连续量测压实机械的相关响应信号,建立检测评定与反馈控制体系,实现对碾压面压实质量的实时动态监测与控制。

  智能压实

  填筑体碾压过程中,在连续压实控制技术的基础上,通过与人工智能和压实机械的结合,建立感知、学习、决策和反馈控制体系,实现对碾压面的实时动态监测与反馈控制。

  可以简单地理解为:智能压实=连续压实控制+施工机械+人工智能
 

7.技术特征

  智能压实控制技术发展至今,由于是在施工碾压过程中进行的控制,因此具有与常规点式检验控制不同的技术特征。

  (1)覆盖了整个碾压面,不再是点的抽样控制;

  (2)与施工同步,检测结果实时反馈,指导现场施工;

  (3)碾压过程中同时控制压实程度、压实稳定性和压实均匀性,提高工程品质;

  (4)指导常规检验点的选取,避免了随机抽样所带来的盲目性;

  (5)推动压实机械和筑路技术的科技进步。

  智能压实也存在一些不足之处,但从科技发展的角度看,这些所谓的不足也都是可以解决的。如“进行对比试验,建立与常规指标之间的联系”问题,其本意是为了将新技术与传统方法建立联系,取得一致性,以便得到认可。只要采用高级技术,加上标准压实检测设备的配合,完全可以不必再进行对比试验。

  另外一个问题就是有人认为“智能压实适用于大面积的平面压实检验,对于建筑物周边或沟渠的窄小填方地段则很难采用”。这也是一个误区,智能压实技术不但适用于大型压路机监控,对于窄小地段施工的小型压实设备也是可以进行监控的。
 

(二)智能压实理论与技术分级

  智能压实(连续压实控制)技术从开始的经验方法到现在的力学方法,经历了40多年的路程,其理论也是逐渐完善的。
 

1.智能压实技术难点

  智能压实绝非一套电子量测仪器那么简单,其中包含了太多的多学科知识。下面分别简答论述。

1.1在理论方面

  碾压问题可以归结为“刚性圆柱体与各种类型填筑体相互作用及其参数识别问题”。如何建模与求解,仍然是一个大问题,如图4所示。目前还没有得到完备解析解,所有解答都是近似的,而识别填筑体的性能参数更是困难重重。这是第1个难点。

  图4 碾压问题的基本模式

1.2在量测方面

  智能压实的测试技术是一种间接量测,这是与平板载荷试验的不同之处。在压路机碾压状态下,一般智能量测到钢轮的响应信息,如图5所示。依据这些有限的钢轮响应信息如何识别填筑体性能参数是第2个难点。

  图5 依据压路机钢轮响应识别填筑体性能参数

1.3在应用方面

  压路机的检测结果与点式检测结果不一致也是一个问题。压实计谐波比原理的量测设备与点式检测结果不一致已是公认的事实。但是,对于3级以上高级智能压实技术来讲,有时也存在“测不准”问题,涉及到多个影响因素,如图6所示。这是第3个难点。

  图6 测不准问题受多种因素影响

1.4在发展方面

  目前的智能压实技术还是初步的,向真正的智能压实方向发展是必然趋势。但如何与人工智能结合、如何调控压实机械也都在研究中,涉及多个学科的融合,如图7所示。这是第4个难点。

  图7 高级智能压实技术
 

2.模型与控制指标

  对于智能压实来讲,建立模型并得到合适的控制指标是核心问题之一。压路机与填筑体的相互作用是一个复杂力学问题。目前所有的模型和解答都是近似的,但有一些还是可以满足工程精度要求的,用于压实质量连续控制和对填筑体性能进行分析都是可行的。

  压路机的钢轮相对于填筑体而言是刚体,其模型比较容易建立,问题出现在采用什么模型模拟填筑体上。总的来讲,填筑体可以按照连续体、离散体两类模型考虑,但得到的控制指标是不相同的。前者可以得到填筑体结构的模量、密度等,后者得到的是填筑体结构的刚度系数(弹簧系数)。但无论是连续体还是离散体模型,基本上都是假设为弹性状态进行建模分析的,其它各种非弹性状态模型如塑性模型、粘弹模型等等,目前仅用于各种研究,达到实用化程度还要克服很多困难。

  图8给出的模型为连续体动力模型,含有填筑体结构的物性参数模量、密度和泊松比。可以将模量和密度作为压实控制指标。这是比较理想的模型,但困难之处在于目前还没有解析解,仍然需要继续研究。另外,反演模型中的参数存在解的不唯一性问题。

  图8 连续体动力模型

  在目前还解决不了动力模型求解的情况下,可以降低一些要求,按照静力模型求解,这样可以得到填筑体结构的模量,如图9所示。

  图9 连续体静力模型

  对于连续体静力模型,目前存在多种近似解法(注意是解析解答的近似而不是数值解!),但其中的参数即模量如何得到仍然存在一些困难,涉及到许多技巧。尚无公开的资料供参考,需要自行研究。

  如果求解连续体模型感到困难,那么可以进一步蜕变到离散体模型求解。这样得到的是弹簧系数(也称作刚度系数),也可以作为压实质量控制指标,如图10所示。

  图10 离散模型与弹簧系数

  这种模型是假设填筑体由弹簧和阻尼组成的,按照一定的等价原则进行转换。一般在进行车辆分析时用的更多一些。

  还可以采用非线性离散模型分析振动压实问题,如图11所示。这种模型可以模拟钢轮与填筑体之间的非线性振动,得到频率成分复杂的结论,也从另外角度说明了压实计谐波比方法的局限性。

  图11 非线性离散模型与钢轮响应信号频率成分模拟

  以上模型都是基于钢轮与填筑体紧密耦合在一起的假设。但实际情况却很复杂,它们之间并非完全耦合在一起,经常发生弹跳现象。当钢轮发生弹跳时,原则上这些模拟都不再适用了。此时可以考虑碰撞模型,如图12所示。

  图12 钢轮与填筑体之间的碰撞模型

  碰撞模型以钢轮和填筑体之间的相互作用力为纽带,将这两类物体联系起来,进一步可以得到填筑体的模量和碰撞刚度系数等。

  综合上述各模型及相应控制指标特征,实际应用时可以采用混合模型。不同状况选择不同模型,如图13所示。

图13 混合模型与控制指标

  上述模型都是基于力学理论、考虑填筑体和钢轮特性而建立的,具有一定的科学性。但都比较复杂,求解也非易事。另外一类属于不必进行复杂求解的响应类模型——从经验出发,不考虑填筑体和钢轮特征属性,凭借实验结果总结出控制指标。这类模型尽管比较简单,但工程实用性一直存在问题。

  图14给出的模型适用于静力压路机。其基本原理是利用“一定质量的静力压路机只能产生一定的压实效果”这个现象进行的压实控制。研究和实践表明,每种填筑材料都具有确定的滚动阻力系数。在碾压过程中,钢轮滚动阻力系数随着填料密实程度而变化,这是一个可以作为评定压实效果的指标。由此派生出多种具体控制指标,图14给出了几种压实控制指标的表达式。

  图14 静力压实阻力滚动系数模型

  另外的响应模型就是以压实计原理为基础的谐波比模型(CMV模型),如图15所示。其最大的特点就是简单,但大多数情况不能正确反映压实质量好坏、与传统检测结果没有较好的一致性也是其最大的缺陷。目前流行的数字化施工量测设备,几乎都是以谐波比原理为基础制造的。

  图15 钢轮动态响应信号的谐波比模型

  响应类模型还有几种类型,如图16所示。其中能量模型已经不被使用,而振荡压路机的响应模型还有待于工程应用的进一步检验。水平振动型压路机如何进行连续监控压实质量,尚需研究。

  图16 其它响应模型

  另外的响应模型就是以压实计原理为基础的谐波比模型(CMV模型),如图15所示。其最大的特点是原理简单、便于制造,但大多数情况不能正确反映压实状态变化信息、与传统检测结果没有较好的一致性也是其最大的缺陷。目前流行的数字化施工量测设备,几乎都是以谐波比原理为基础制造的,再加上高精度卫星定位系统,即“CMV+GPS”组合,但与真正的智能压实技术渐行渐远,变为碾压遍数和碾压轨迹的记录器了。

  近年来,随着人工智能(AI)的发展,也出现了一些AI模型,试图根据压路机响应来预测压实质量信息,比较典型的就是人工神经网络(ANN)模型,图17给出了AI模型的原理。目前这类模型还有待于进一步开发,还没有成功的案例。

  图17 人工智能(AI)模型

  AI模型除了需要设计好结构外,还要选择合适的样本进行训练,否则就是“无米之炊”,难于实现预测压实质量的目的。
 

3.智能压实技术分级

  随着对碾压控制问题的认识程度和建模方法的不同,派生出许多的控制指标并形成相应的电子量测设备(压实控制系统的一部分),如图18所示。这些控制系统的控制效果各异,褒贬不一。为了研究和应用的需要,有必要厘清智能压实技术的基本原理,分清各种技术的特征并进行归纳分类。实践将证明,技术分级对于智能压实技术的发展有其重要的意义。对智能压实技术进行分级,可以按照以下原则进行。

  模型与指标的合理性与可靠性

  工程应用的适应性

  填筑体结构性能分析的可能性

  高级智能压实技术的支持性

 

  图18 已有的代表性压实控制系统

  根据上述分级原则,对前面给出的各种技术进行筛分、归类,得到如下分级,如图19所示。其中第5级技术目前尚处在研究之中,第1级为经验技术,已经转为数字化施工监测设备了。