基于智能压实实时管控平台的压实质量及均匀性检测分析.pdf

2023 年 11 月下第 52 卷 第 22 期施工技术(中英文)CONSTRUCTION TECHNOLOGY137 DOI:10.7672/sgjs2023220137基于智能压实实时管控平台的压实质量及均匀性检测分析彭 勃1,阮 坤1,柳 昊2,贾 豪2,张新锐2(1.中国路桥工程有限责任公司,北京 100011;2.东南大学交通学院,江苏 南京 211189)摘要 针对现有的智能压实技术存在指标适用范围有限、压实效果评价体系不完善、缺乏可视化管控平台等问题,提出适用范围更广、稳定性更高的 AICV 指标,建立基于智能压实技术的压实效果评价体系。开发智能压实实时管控平台,实现了压实施工全过程数据的实时可视化监测。基于现场试验数据对路基压实质量、压实均匀性及AICV 指标的稳定性进行分析。研究结果表明:AICV 指标与 CMV 指标相比,具有更强的相关性;CMV,AICV 随碾压遍数的增加而增加,但增幅随碾压遍数的增加而减小;AICV 的离散性低于 CMV,在实际工程中评价压实质量与压实均匀性时具有更好的稳定性。关键词 智能建造;管控平台;压实质量;均匀性;检测中图分类号 TU17;U415文献标识码 A文章编号 2097-0897(2023)22-0137-05Compaction Quality and Uniformity Detection Analysis Based onIntelligent Compaction Real-time Control PlatformPENG Bo1,RUAN Kun1,LIU Hao2,JIA Hao2,ZHANG Xinrui2(1.China Road and Bridge Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100011,China;2.School of Transportation,Southeast University,Nanjing,Jiangsu 211189,China)Abstract:Aiming at the problems of limited application range of indexes,imperfect evaluation system ofcompaction effect and lack of visual control platform in the existing intelligent compaction technology,theAICV index with wider application range and higher stability is proposed,and the evaluation system ofcompaction effect based on intelligent compaction technology is established.The intelligent compactionreal-time control platform is developed to realize the real-time visual monitoring of the whole process dataof compaction construction.Based on the field test data,the compaction quality,compaction uniformityand the stability of AICV index are analyzed.The results show that the AICV index has a strongercorrelation with CMV than CMV.CMV and AICV increased with the increase of rolling times,but theincrease rate decreased with the increase of rolling times.The discreteness of AICV is lower than that ofCMV,and AICV has better stability in evaluating compaction quality and compaction uniformity inpractical engineering.Keywords:intelligent construction;control platform;compaction quality;uniformity;detection国家重点研发计划(2020YFA0714302)作者简介 彭 勃,工程师,E-mail:pengb 收稿日期 2023-06-250 引言 截至 2021 年底,全国公路总里程达 528 万 km,其中高速公路里程达 16.91 万 km,均位居世界第一位1-2。交通量的增大、汽车行驶速度的不断增加,导致对公路服役性能要求不断提高。路基压实作为公路施工的关键步骤,对公路服役性能有重要影响。路基的充分压实能提高路基结构的强度、刚度及稳定性,保障道路结构的工作使用性能。道路现场施工数据表明,路用材料的压实度每增加 1%,对应的承载能力能提高 10%15%。反之,路基压实度不足会引起沉降、滑坡、翻浆、冻胀等病害,进而破坏道路结构,缩短其使用寿命3-6。现有压实施工工艺和质量检测方法主要通过事后的单点检测138 施工技术(中英文)第 52 卷及针对问题路段的二次施工确保压实质量,缺乏过程性监控体系和智能化管控技术,具有随机性、滞后性,造成大量的人力、物力浪费7-9。因此,将传感技术与自动控制技术引入道路压实施工领域,提出智能压实技术。该技术包括两方面内涵10-13:连续压实控制技术通过在压路机上安装加速度、定位等传感设备获取压实过程中的实时数据,进行数据的处理转换得到实时的压实计量指标,作为路基路面结构压实质量的连续实时表征。反馈调节技术以压实计量指标的目标合格值及指标与压路机工作参数的相关关系建立调控准则,通过计算机自动控制技术,根据实时反馈的指标对压路机工作参数进行实时调节,达到施工全过程压实效果最佳的目的。但目前智能压实技术处于新兴发展阶段,在指标研究与压实质量、均匀性评价方面仍不完善。当前智能压实技术广泛采用 CMV(compaction metervalue)指标作为压实质量评价依据,通过计算加速度频域分布图中二次谐波分量与基频分量的比值得到。该指标能在一定程度上反映振动压实系统的非线性畸变程度,进而反映压实程度,但未考虑加速度频谱图中高次谐波的影响。随着压实过程的不断进行及振动压实系统非线性的不断增强,高次谐波分量幅值不断增加,CMV 指标逐渐失效,无法准确表征压实质量,因此该指标的使用范围受振动压实系统运动状态的限制6,14-17。其次,现有智能压实技术研究主要集中在利用指标实现压实质量的表征,对压实均匀性的评价涉及较少,导致路面压实效果评价体系尚不完善,在实际使用过程中可能出现压实质量满足要求但仍出现路基不均匀沉降等病害的问题18-20。此外,在智能压实技术的实际使用过程中还存在设备间数据传输困难,缺乏可视化管控平台的限制。因此,本研究基于上述智能压实技术研究中存在 的 不 足,提 出 智 能 压 实 评 价 指 标 AICV(acceleration intelligent compaction value)作为压实质量与压实均匀性的评价依据,建立基于智能压实技术的压实效果评价体系。在此基础上,研究数据处理与传输技术,开发智能压实实时管控平台,实现压实施工过程的智能化、数字化管控。最后,根据现场试验数据分析压实质量与压实均匀性,并对比 CMV 与 AICV 指标,验证 AICV 指标的准确性与可靠性。1 基于智能压实技术的压实效果评价体系 本文针对 CMV 指标未考虑加速度频谱图高次谐波分量导致适用范围受限的问题,优化计算方法并提出 AICV 指标,在 CMV 指标与 AICV 指标的基础上,分别提出路基压实质量与均匀性的评价方法,建立智能压实效果评价体系。1.1 连续压实计量指标 振动轮竖向加速度具有测量方便、观测精度高、与受力直接相关的优点,因此被广泛应用于智能压实技术中。具体应用方法为:在振动轮质心处安装加速度计实时采集振动轮竖向加速度信号,再对其进行处理转换建立连续压实计量指标,作为压实质量与均匀性的评价依据。因此本文基于上述方法,首先研究 CMV 指标,再针对 CMV 指标适用范围受限的不足,优化计算方法并建立 AICV 指标。1.1.1 CMV 指标 CMV 指标是目前使用最广泛的连续压实计量指标,计算方便,通过定义加速度频谱图中二次谐波分量幅值与基频分量幅值的比值,实现压实质量的表征。该指标的建立依据为21-22:压实初始阶段振动轮对路基施加正弦激振力,振动压实系统近似为线性系统,测得的加速度信号主要为正弦信号。随着压实程度的不断提高,产生振动轮周期性脱空及振动轮与路基接触宽度不断变化的现象,振动压实系统的非线性程度不断提高,测得的加速度信号发生非线性畸变现象,表现为加速度频谱图中出现谐波分量。因此 CMV 指标通过二次谐波分量幅值相对值的大小反映振动压实系统非线性畸变程度,进而反映压实质量:CMV=CA2A(1)式中:C 为放大系数;A2为加速度频谱图中二次谐波分量幅值;A为加速度频谱图中基频分量幅值。CMV 指标在反映振动压实系统非线性畸变程度时只考虑了二次谐波分量,当系统非线性程度进一步增加并出现高次谐波分量时,该指标逐渐失效,因此 CMV 指标的适用范围受振动压实系统运动状态的限制。为提高连续压实计量指标在系统不同运动状态下表征压实质量的普适性,需对 CMV 计算方法进行修正与改进。1.1.2 AICV 指标 针对 CMV 指标未考虑加速度频域信号高次谐波分量幅值的不足,改进计算方法并提出 AICV 指标。有关研究表明,在实际压实施工过程中,加速度频域信号一般不会出现五次及更高次谐波分量23,故 AICV 指标中只考虑二次谐波、三次谐波、四次谐波分量的影响。AICV 计算如下:2023 No.22彭 勃等:基于智能压实实时管控平台的压实质量及均匀性检测分析139 AICV=CA22+A23+A24A(2)式中:A3和 A4分别为加速度频谱图中三次和四次谐波分量幅值。1.2 路基压实质量评价方法 在指标建立的基础上,对比分析现有研究中的压实质量评价方法并进行改进,以 CMV 与 AICV 指标的目标合格值作为压实质量的评价依据,建立路基压实质量评价方法。目前压实质量评价方法主要有 3 类24-26:通过连续压实计量指标确定路基的最薄弱区域,针对最薄弱区域进行现场压实度测量,以现场压实度作为压实质量的判定标准;对各碾压遍数下的连续压实计量指标进行比较分析,以相邻两遍碾压过程中指标的相对变化幅度作为压实质量的判定标准;以初始校准区域中建立的连续压实计量指标目标合格值作为压实质量的评价依据,以评价路段中指标达到目标合格值区域的比例作为压实质量的判定标准。对比分析上述方法可知,方法仍采用传统压实质量检测手段,不属于智能压实技术的应用范畴;方法在实践中会增加压实遍数,影响工程进度且实施较复杂。因此本文采用方法,在初始校准区域内建立连续压实计量指标与压实度的回归关系,根据压实度的合格值计算指标的目标合格值;该方法精度较高,同时避免了方法增加碾压遍数的缺点,在实践中使用便利。1.3 路基压实均匀性评价方法 连续压实计量指标分布情况总体满足正态分布特征,因此本文利用正态分布的 3 准则建立压实均匀性评价方法。该准则基于小概率事件和假设检验的思想,以(-3,+3)作为指标的可能取值区间,其中 表示样本平均值,表示样本标准差。基于上述准则,以 CMV 指标与 AICV 指标是否出现在(-3,+3)区间内作为压实均匀性的判定标准,当指标量值落在区间外时,表明路基部分区域出现欠压或过压情况,压实均匀性不满足要求。2 智能压实实时管控平台 本文基于物联网技术实现了智能压实施工数据的传输与交互,在此基础上开发了智能压实实时管控平台,设计了工程概况模块、压实质量与均匀性分析模块及用户信息模块,实现了压实施工全过程数据的实时可视化监测。2.1 智能压实施工数据传输与交互技术 采用物联网技术进行了数据传输的研究,实现从设备到界面的全过程数据传输与交互。具体实施方式如下:智能压实路面传感器设备通过 IOT 接入物联网平台,通过 MQTT 协议上传传感器数据。物联网平台作为数据中转站,连接系统端和设备端。当平台接收设备上报数据后,先对数据进行处理转换,再利用数据订阅与推送机制,将接收并处理后的传感器数据推送到系统平台,流转入后台数据库进行存储。2.2 管控平台关键功能模块 1)工程概况模块包括工程基本概况与工程进展信息,方便用户查询项目基本信息及近期施工进度,同时以轮播图形式对现场施工图片进行展示。2)压实质量与均匀性分析模块基于路基压实质量与均匀性评价方法,对连续压实计量指标数据进行二维可视化绘图,统计压实质量与压实均匀性不满足要求的区域,并将其设置为红色,实现对路基智能压实效果的实时可视化评价。此外,该模块可导出指定区域的连续压实计量指标数据,生成压实质量与均匀性分析报告,采用图表形式供用户对压实质量与均匀性进行进一步统计分析。3)用户信息模块提供注册用户信息的查询与管理功能。在该模块中,管理员可对注册用户信息进行编辑,包括添加用户账号、修改或删除已注册的用户信息。3 智能压实现场试验验证 本文依托山东省沾临高速项目对基于智能压实技术的压实效果评价体系与智能压实实时管控平台进行现场试验验证,通过分析 CMV,AICV 指标与压实度的相关关系验证指标的有效性,并建立指标的目标合格值,在此基础上分析现场压实质量与压实均匀性,最后对比了两种指标的稳定性。3.1 现场试验工况 试验现场位于沾化临沂高速(沾临高速)滨州段。路基压实施工顺序依次为:预压、整平、静力压实 1 遍、振动压实 3 遍、静力压实 1 遍。由于智能压实技术面向振动压实工况,因此本文对振动压实阶段进行验证分析,以最后一遍振动压实过程中的连续压实计量指标作为最终压实质量与均匀性的评价依据。现场施工采用三一 SSR260AC8H3 振动压路机,参数如表 1 所示。选取 4 个试验条带,各条带长度均为 200m,如图 1 所示。其中条带 13 为初始校准条带,用于建立 CMV 指标与 AICV 指标的目标合格值,每间隔20m 进行一次现场取样,获取现场压实度,并计算一次指标量值。条带 4 为评价条带,用于评价压实质140 施工技术(中英文)第 52 卷 表 1 压路机工作参数Table 1 Operating parameters of the roller技术参数量值振动频率/Hz27/32理论振幅/mm2.1/1.1激振力/kN416/295工作质量/kg26 000振动轮分配质量/kg13 000压实宽度/mm2 170振动轮直径/mm1 250量与压实均匀性,每间隔 20m 计算一次指标量值。图 1 压实条带及取样点分布Fig.1 Distribution of compaction strips andsampling points3.2 CMV,AICV 与压实度的相关关系 基于初始校准条带现场取样的压实度数据及压路机实测的 CMV,AICV 数据,分别建立 CMV,AICV 与压实度的相关关系,验证 2 种指标反映压实质量的有效性,利用压实度的合格值计算 2 种指标的目标合格值,作为压实质量的评价依据。CMV,AICV 与压实度的相关关系如图 2 所示。图 2 CMV,AICV 与压实度的相关关系Fig.2 Correlation of CMV,AICV with compaction由图 2 可知,CMV,AICV 与压实度间均表现出强相关性,且指标量值均随压实度的增加而增加,该结论验证了将 CMV,AICV 作为压实质量评价依据的有效性。对比两者可发现 AICV 与压实度的相关性强于 CMV 与压实度的相关性,主要原因为:在AICV 的稳定性优于 CMV,在图中表现为数据点的离散性更小,因此拟合得到的相关系数更高。高速公路压实度合格标准为 96%,本文根据图2 的回归关系式算得 CMV 与 AICV 的目标合格值分别为 57.14,82.85,将其作为压实质量的评价依据。3.3 现场压实质量分析 以 CMV,AICV 作为压实质量的评价依据,根据评价条带压实质量的发展特征分析 CMV,AICV 量值随碾压遍数的变化原因,进一步将指标量值与目标合格值对比判断路基压实质量。不同碾压遍数下评价条带 CMV,AICV 变化情况如图 3 所示。图 3 不同碾压遍数下评价条带 CMV,AICV 变化Fig.3 Changes in CMV,AICV of evaluated stripsunder different milling traverses由图 3 可知,AICV 量值普遍高于 CMV 量值,但两者的变化趋势基本保持一致。2 种指标均随碾压遍数的增加而增加,表明该条带压实质量随碾压遍数的增加而不断提高。此外,2 种指标的增幅均随碾压遍数的增加而减小,CMV 平均值、AICV 平均值在第 1 遍碾压与第 2 遍碾压间分别增长了 19.15%,17.93%,在第 2 遍碾压与第 3 遍碾压间分别增长了8.20%,9.52%。主要原因为:在压路机工作参数保持不变的情况下,路基的塑性变形发展随碾压遍数的增加逐渐趋于稳定,因此压实质量也逐渐提高并趋于定值,CMV 与 AICV 的增幅随碾压遍数的增加而减小。此外,对比各遍碾压过程中 CMV,AICV 量值与目标合格值可知,第 3 遍碾压完成后路基压实质量满足要求。3.4 现场压实均匀性分析 以 CMV,AICV 作为压实均匀性的评价依据,基于正态分布 3 准则对评价条带上第 3 遍碾压的2023 No.22彭 勃等:基于智能压实实时管控平台的压实质量及均匀性检测分析141 CMV,AICV 数据进行单变量统计,比较 2 种指标的稳定性,进一步将指标量值与正态分布置信区间对比判断路基压实均匀性。针对连续压实计量指标分布情况总体满足正态分布的特征,基于 3 准则对评价条带上第 3 遍碾压的 CMV,AICV 数据进行单变量统计,统计数据如表 2 所示。表 2 CMV 与 AICV 的单变量统计数据Table 2 Univariate statistics for CMV and AICV连续压实计量指标-3+3合格率/%CMV63.564.1651.0876.04100AICV92.761.5888.0297.50100 由表 2 可知,对于相同路基压实质量下测得的2 种指标,AICV 的标准差 低于 CMV,说明 AICV的离散性低于 CMV,在实际工程中评价压实质量与压实均匀性时具有更好的稳定性。此外,评价条带第 3 遍碾压时测得的各位置处 CMV 与 AICV 均处于正态分布置信区间(-3,+3)内,因此碾压完成后的路基压实均匀性满足要求。4 结语 1)CMV,AICV 与压实度间均表现出强相关性,指标量值均随压实度的增加而增加,其中 AICV 指标由于离散性更小表现出的相关性更强。2)CMV,AICV 随碾压遍数的增加而增加,但增幅随碾压遍数的增加而减小,主要原因在于路基压实质量的发展逐渐趋于稳定。对比 CMV,AICV 量值与目标合格值可知,现场压实质量满足要求。3)AICV 的离散性低于 CMV,在实际工程中评价压实质量与压实均匀性时具有更好的稳定性。对比 CMV,AICV 量值分布情况与置信区间位置可知,现场压实均匀性满足要求。参考文献:1 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