天津高速公路集团有限公司 天津 300384
摘要：GPS定位技术、GIS信息处理技术已在生活中广泛应用，通过将其与计算机网络通信技术、数据处理技术的有效结合，可实现对高速公路施工碾压机械的实时动态监控。本文通过实例，阐明该技术可实现对施工过程的控制，有效降低质量隐患。
一、引言
当前我国高速公路建设发展如日中天，政府也把建设高速公路作为促进经济发展的重要因素，以此提高人民生活水平和出行质量，带动相关产业发展。
通过对以往高速公路养护工程病害分析，路基、路面的压实质量是否符合相关规定是影响其使用寿命的关键因子。因此，确保碾压机具施工能够按照生产工艺要求进行，是控制施工质量的关键。然而，目前主要靠人工对碾压过程进行控制，人为因素影响大，很容易产生漏压、碾压不足或者过压的情况。因此，很有必要采取先进的在线监测技术，实时远程监控路面压实情况，实现对高速公路施工的精细化管理，确保施工质量。
二、主要工作原理
以下将从高速公路压实质量实时监控关键指标分析、数据系统工作原理、实时系统方案方面进行分析。
1、压实质量实时监控关键指标
根据现有研究结果，振动压路机的振动轮加速度，与其所碾压的材料刚度有着较大的关联性。在碾压伊始，所碾压的下层材料较疏松，中间孔隙率大，碾压产生的反力小，机械振动轮产生的加速度主要规律时程曲线呈正弦波形变化，加速度的变化幅值也相对较小，同时加速度对应的频谱图中以基频波为主，高次谐波数量较少；但随着碾压遍数增加，下层被碾压材料逐渐密实，孔隙率减小，刚度变大，产生反力增大，振动轮加速度也对应增大，反映加速度信号发生畸变，时程曲线以一种无规则形状成周期性变化，加速度频谱图中也出现了高次谐波分量。因此，压路机对路基或路面的压实质量情况，可以通过分析加速度频谱中高次谐波来进行分析。
利用施工机械振动碾压中产生的加速度谐波情况，可分析下层被压实材料的密实度。因此，根据已有成果及试验结果，本研究决定采用压实质量实时监测指标（简写CV），作为表征下层被碾压层实时碾压结果的判别指标：
（公式1）
上式1中，A1、A2分别是加速度频谱图中基频的幅值与二次谐波的幅值；并且a为常数，不同被压材料可取值不同，为使得CV值适当，本文取300。对施工机械振动轮产生的加速度信号，利用傅里叶变换方式进行加速度信号频谱分析，可获得相关频谱数据，从而可以得到A1与A2数值。
2、数据系统
道路压实质量动态监控系统，就是利用高精度的GPS技术精确实现施工机具的定位。同时，安装在施工机具振动碾压轮上的加速度检测传感器，可以在机具运动过程中，随时采集相关加速度信号，然后按照内置处理模块的固定计算方法，对采集到的加速度信号进行频谱分析。通过信号分析，可以得到采集信号的振动频率和压实度指标实测值CV，并将结果直接显示在显示屏幕上。然后通过数据传输系统，把数据传输到远程服务器上，在数据接收后由远程服务器对其进行快速运算。
3、实时系统
实时系统则是依靠服务器对接收到的数据进行处理，然后依托于网络在手机、PC上显示。管理人员可通过个人手机、PC等工具登录系统客户端，随时查看现场碾压情况。不在施工现场的人员也可以更好地了解现场施工情况，增强管理人员对现场的把控能力，并有针对性的提出应对整改措施。
三、应用分析
以在天津市塘承高速公路二期工程水泥稳定级配碎石层为例，该路面基层标准为双层水稳层集料。
在上下两层各设置1条长40米，宽2×2米的碾压试验条状带。考虑到施工机具的碾压行走速度、振动监测装置的采样频率，决定在条带中每隔5米交错布置1个试验点，即每层水稳设置试验点8个，并用红漆标示。
碾压过程中，使用振动压实质量实时监测系统动态监控施工机具的行走轨迹、碾压速度、复压遍数、振动轮的振动频率、CV值，并保证可以采集到同一位置在不同碾压遍数下的CV值。
在振动压路机碾压终遍（即第8遍）之后进行压实度试验，用灌砂法共采集16个压实度样本值。通过现场试验，碾压时水泥稳定级配碎石混合料的含水率在含水率4.4%左右。因此，在压实度检测点处，这些参数基本不变化，即本文中压实度评估模型建立时没有考虑上述影响因素。
从图1中可见，CV数值与碾压遍数有很强的正相关关系，经过计算，两者相关指数为0.9229，此外，在试验碾压遍数内，CV数值随碾压遍数呈负指数规律增加。
图1 CV数值与碾压遍数的相关关系图
进一步地，对各个测点位置的碾压遍数和CV进行负指数回归，通过以上分析，发现在单点的情况下，负指数相关性规律更明显，其相关系数列于表1。
表1 不同试验点处碾压遍数与CV数值相关系数表
图2 压实度实测值与计算值的比较
根据设计施工图要求，水稳层压实度D≥96%即可认为合格，相对的根据公式2，求出对应的CV数值控制标准为CV≥47。即在CV数值小于47时，该处压实质量不合格，不满足设计施工图要求。同时，为了实现试验结果的连续性，根据插值法得到的全工作面CV数值与压实度云图，如图3所示。从图中直观全面显示出道路整体压实情况。然后，从图中即可分析判断出该水稳层碾压不合格范围，具体见图阴影部分，通过对应关系即可得知现场实际对应范围。由于压实度D与CV数值两者间是线性相关，所以压实度指标与CV数值的云图分布规律基本相同。下层水稳层集料的碾压合格率为100%，上层水稳层集料的碾压合格率为97.7%。据此，需单独安排机械对不合格区域进行补碾。
图3 CV数值与压实度云图对应情况
四、结束语
基于物联网技术的实时监控的应用，使得管理人员对不同的施工环节做到精细化、实时化、全局化。通过将GPS定位、GIS信息处理、计算机网络通信与数据处理技术的结合，可随时掌握现场施工机具的所处位置和运转状况，远程对路基、路面施工过程的动态管理。对道路使用寿命的提高具有重要的意义。
参考文献：
[1]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.
[2]朱求安，张万昌，余钧辉．基于GIS的空间插值方法研究[J].江西师范大学学报（自然科学版），2004，2(2)：183-188
[3]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.
论文作者:梁永广
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/28
标签：压实论文; 加速度论文; 数值论文; 质量论文; 频谱论文; 机具论文; 实时论文; 《防护工程》2019年第1期论文;