连续压实控制技术发展综述

徐光辉，雒泽华，田 波

1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031

2. 中国工程机械工业协会路面与压实机械分会，北京 100101

3. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088

连续压实控制技术发展综述

Summary of Development of Continuous Compaction Control Technology

徐光辉1，雒泽华2，田 波3

1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031

2. 中国工程机械工业协会路面与压实机械分会，北京 100101

3. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088

0 引言

填筑工程是指将建筑材料（岩土、水泥、沥青等）按照一定要求堆积并经过压实机具（压路机）碾压而成的土工结构的统称，覆盖铁路、公路、机场、大坝、市政、港工等诸多领域。决定填筑工程质量的关键因素是填料组成和碾压控制。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。压实质量不好的填筑体会造成严重的工程隐患和后果。传统的压实质量控制方法以“点”式抽样检验为主，由于其固有的局限性，已成为制约压实质量，特别是压实均匀性的瓶颈。而连续压实控制作为一类新的压实质量控制方法，由于能够克服传统检测方法的弊端，实现碾压面的全覆盖式检测和控制，因而得到了国内外的广泛重视。

所谓连续压实控制（CCC），是指在填筑碾压过程中，根据填筑体与振动压路机相互动态作用的原理，通过连续量测振动压路机振动轮竖向振动响应信号并进行技术处理，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。其基本工作原理是：将振动传感器置于振动压路机的振动轮上，其他处理和显示装置放在振动压路机的驾驶室内，通过对振动轮动态响应的实时量测与处理，得到与填筑体压实质量有关的参数，并实时显示在驾驶室的显示装置上，从而实现在碾压过程中的连续控制。随着不同量测方法和设备的出现，连续压实控制被分为多种方法，各有其特征。

目前以振动压路机为工具来检验压实质量的方法，世界上公认的称谓为“连续压实控制”，美国则将其称作“智能压实（IC）”。本文将对连续压实控制技术的发展历史、方法、标准、应用和存在的问题等进行概要性论述，以便使读者对这项技术的全貌有一个综合性的了解。

1 连续压实控制技术的发展历史

1.1 初期

早在20世纪60年代，美国就有人产生了利用振动压路机碾压过程中的振动反应信息来评定和检测压实质量的想法，但由于受电子量测技术的限制，一直没能得到实现。进入70年代，瑞典人将这种想法变成了现实。1975年，瑞典的GEODYNAMIK与DYNAPAC公司联合开发了一种压实计产品，初步实现了连续压实检测与控制。

压实计可以在振动压路机碾压过程中进行量测，在施工过程中对压实质量进行连续的控制，因此是一种覆盖全面的连续控制方法。尽管后来证明这种方法存在许多局限性，但利用振动压路机碾压过程中的振动进行连续测试，应该说是一种思维方式的转变，其思想是先进的。

1.2 标准形成期

进入80年代后，北欧一些国家陆续加入到研究之中，从方法原理、量测设备、处理软件和标准等多个方面进行了广泛的研究。于90年代初期正式提出了“连续压实控制”的概念，并在一些实际工程中进行了应用。

从90年代开始，这项技术已陆续被欧洲一些国家纳入有关标准中，如：瑞典的BYA92、ATB V g 2004，德国的ZTVE-StB-93（94、95、2007、2009）、TP BF-StB E2 94，芬兰的Tielaitos91，奥地利的RVS 8S.02.6等。法国、荷兰、爱尔兰等国家也正计划将其纳入相关标准中。2011年中国颁布了首部连续压实控制技术的国家行业标准TB 10108—2011。据了解，欧盟正在制定欧洲统一的连续压实控制技术标准，美国也在研究制定标准中。

1.3 发展期

进入21世纪以来，研究的重点已转移到如何进行智能压实的方向——压路机如何自动调频、调幅以适应填筑体的变化。将CCC技术与压路机振动工艺参数调节功能结合起来又称作“智能压实（IC）”，是CCC技术与压路机进一步结合的产物，被欧美誉为筑路技术的“第三次革命”。德国BOMAG公司在这方面处于领先水平，尽管还存在诸多问题，但其思想是先进的，初步实现了智能压实的想法。

此外，随着CCC技术在欧洲一些工程中的应用，特别是在相关技术标准制定以后，美国有关部门（主要为联邦公路局等）也开始关注这项技术。从2000年起开始有使用这项技术的相关报道。2004年12月，美国联邦公路局公布了一个“FHWA智能压实战略计划”，主要是通过利用计算机、模型和革新软件，将用于土和沥青的压实设备智能化，以达到改善工序、使路面性能更均匀、减少人员、提供长期的压实质量记录等目的。这个计划将建立一套系统的方法，鼓励工业和交通部门发展智能压实技术，更新有关建筑标准等。2005年3月，美国明尼苏达州的交通研究部门和联邦公路局（FHWA）根据工程实践中的具体应用情况，并经过独立的测试，给出了CCC技术的论证报告。该报告指出：自2000年以来，美国已有北卡罗莱纳州、威斯康星州和路易斯安那州的交通部门以欧洲的CCC技术为基础，启动了国家资金项目，旨在为美国的建筑业建立连续压实控制技术的有关标准。美国的发展目标是，利用CCC技术推动智能压路机的进步。

2 主要方法与应用条件

连续压实控制目前主要有两类方法，其一是基于压路机振动响应信号的谐波比（以及修正）、评定指标为无量纲量的经验方法；其二是基于力学原理、评定指标为具有明确物理意义的力学量的力学方法。

2.1 经验方法

经验方法就是压实计方法，是通过判别振动轮动态响应信号的畸变程度来评定被压填料的压实质量，而信号畸变程度是通过振动轮响应信号的基频与一次谐波的比值来给出的（谐波比原理），但是为什么采用这种谐波比值，并无理论上的依据可循，只能说是一种经验法而已。实践表明，这种方法对于碾压某些填料（一般为细粒料）时有一定的控制效果，可能采用DYNAPAC压路机进行控制时效果会更好一些。

目前，在欧洲已经很少有人研究这种方法了，但在美国和中国仍然有人研究和使用，其用途已有所改变，主要用于对碾压遍数的控制。此外，由于这种原理的控制方法缺少必要的控制信息，故很难用于智能压路机上。

2.2 力学方法一

这种力学方法是由德国BOMAG提出的，其评定指标为填筑体的振动模量。公开的一些资料显示，德国初期也是采用压实计方法判断压实质量的，只不过所乘系数不同而已。后来又提出一个基于能量概念的指标BTM（也称作OMEGA），是无量纲量的。目前，中国有些进口压路机上仍有此设备，可以提示压路机驾驶员当前碾压轮迹的大致情况，用于碾压过程的监测，属于早期产品。在20世纪90年代末期，其相关研究开始由谐波比指标向具有力学意义的指标（如刚度系数和弹性模量）转化。评定指标主要是根据振动压路机与填筑体之间的相互作用、采用有关力学理论进行复杂的推导和计算得到的，以此指标进行压实质量控制。

以振动模量为特征的力学方法要求振动压路机的振动轮位移与填筑体的变形相协调（即紧密接触、无弹跳现象），这是一般振动压路机很难达到的，需要专用智能压路机才能避免弹跳问题，因此这种方法一般都与特定压路机捆绑在一起使用，并且此类产品价格昂贵。

2.3 力学方法二

动力学是本研发团队于1998年提出的，评价指标为填筑体结构抗力。其基本原理是：将填筑体的振动碾压看作是一种动态试验过程（振动压实试验），振动压路机为动态加载设备；在碾压过程中，振动轮同时受到来自机械设备本身的激振力和填筑体结构体的抵抗力（反力）作用，二者的共同作用引起振动轮的振动响应。根据动力学和系统识别原理，可以通过对振动轮动态响应的实时量测、处理以及实际修正，得到填筑体结构抗力指标，从而进行相应的压实质量控制，一般适用于振动性能稳定的压路机。

2.4 其他方法

除了上述几种方法外，国内外很多研究者也在积极探讨其他新方法和新指标，如采用振动轮加速度、速度或位移以及时间序列等进行控制，或针对压实计值（谐波比）进行修正，但大部分限于发表论文，在实际工程中进行应用的报道很少。

2.5 应用条件

对于填筑工程的压实控制来说，无论采用何种控制方法，其结果应具有一致性，否则就会引起施工质量控制管理的混乱。连续压实控制技术之所以得到认可，也正基于这一点，这也是可以应用在工程中的必要条件之一。因此，对于连续压实控制而言，无论采用哪种具体方法，事先都必须检验连续控制结果与常规检测结果（各种模量、弯沉、地基反力系数、压实度等）之间的一致性，这也是衡量这项技术是否可以应用的关键所在。

连续压实控制与对比试验

如何衡量这种一致性，各国规范都进行了规定，可以采用相关校验试验（对比试验）进行。一般取9～18组对比试验数据，采用数理统计方法，计算两种试验结果的相关系数，达到一定要求时便可以应用。瑞典规范规定连续指标与常规指标之间的相关系数不小于0.60时可以使用（主要是对压实计方法而言的），其他国家都规定相关系数不小于0.70时方可使用。

3 在中国的发展与应用情况

3.1 初期引进与仿制

20世纪80年代，中国一些专业书籍中开始介绍瑞典压实计方法，并试图在填筑工程中进行应用。中国水电部门曾引进和仿制瑞典压实计，在一些大坝上尝试应用，但没有得到推广，可能与压实计评定指标与常规检测指标之间没有较好的相关性有关。同一时期，一些公路部门也不断尝试在路基填筑碾压过程中采用压实计方法进行压实质量控制，但由于压实计评定指标与压实度之间没有什么相关性，两种结果缺乏一致性，导致推广工作受阻，得不到工程界的认可。此外，一些压路机厂商也曾尝试在振动压路机上加装压实计产品，基本是以仿制的为主，甚至采用一些县级电子厂生产的压实计产品，完全把这项技术看作是一个普通电子产品，结果可想而知。

中国连续压实控制的历史在某种程度上可以说就是压实计方法不断尝试应用的历史。这种现象一直持续到21世纪初，乃至现在。出现这种局面的主要原因与压实计原理比较简单、易于仿制有关；而力学类方法涉及的理论和测试技术较复杂，如果不进行深入的理论研究和大量工程实践，是很难掌握和仿制的。截止到目前，无论是在公路还是铁路领域，仍然存在应用压实计产品的现象，其中有少部分是出于研究目的，更多的则是国内外厂商出于商业目的，动用种种资源进行的强行推广，但用途已有所改变，不再是连续压实控制，而是数字化施工了，主要以控制碾压遍数和三维坐标定位（高精度GPS）为主。

正因为存在上述这些问题，导致很多人特别是公路界人士错误地认为连续压实控制就是压实计控制，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[1]。

3.2 自主研发与建立行业标准

针对压实计方法的局限性，国内很多研究者都进行了探索性研究，但研究成果以发表论文的居多。本研发团队1993年承担了公路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，提出了基于评定和控制路基填筑体结构抵抗力的动力学方法，承担并完成了东北三省、交通部、铁道部和国家自然科学基金在内的十余项科研项目。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。以动力学方法为基础，本研发团队2011年主编了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》（TB 10108—2011）[2]，2015年主编了中国铁路总公司企业标准——《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程》（Q/CR9210—2015）[3]，目前正在主持编写交通部有关连续压实控制方面的行业标准。

在铁路路基连续压实控制标准中，主要规定了实施的4个步骤：设备检查，规定使用前对振动压路机的振动性能等进行检测，且检测结果必须符合要求；相关校验，建立常规检测指标与连续指标（VCV）之间的相关性，只有满足要求（相关系数不小于0.70）才可以采用；过程控制，规定了如何在填筑碾压过程中进行压实程度、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。

3.3 连续压实控制系统及功能

连续压实控制系统主要包括加载设备（振动压路机）、量测设备、控制软件和压实信息管理平台（后台与远程）。从20世纪80年代起，众多厂家对这类技术的量测设备都进行过研制，但由于具体方法的不同，大部分的测试效果都不十分理想，甚至带来了负面效果。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。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，关键在于所建立的技术原理是否可靠，对散体压实成型的技术特征和专业知识是否有深入的理解和正确把握。不管是哪类方法，一个优良的连续压实控制系统一般需要实现以下功能。

（1）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）压实工艺监控。目前有些振动压路机的振动性能并不稳定，常常出现激振力急剧下降和明显波动的情况，影响压实和控制效果。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）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，按照设定的目标值，可以实时地连续监控填筑体的压实程度（图1（a）），及时给出压实质量平面分布图，便于现场管理和质量控制。

（4）压实稳定性控制。碾压遍数不是一个定数，它会随压实工艺和填料等发生变化。通过压实状态的变化信息可以判定压路机的压实功效是否发挥到最大、压实是否稳定（图1（b））。其目的在于优化压实遍数，避免“过压”和“欠压”现象的发生。

（5）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）最小风险控制验收检验。传统的抽样检验点不一定正好选在压实薄弱区域上，因而可能会造成“漏检”现象，而最小风险控制的核心是选取压实薄弱区域进行常规验收检验，最大程度地降低常规检验不合格的风险。

3.4 工程应用

连续压实控制技术在中国的应用是从20世纪80年代开始的，但大多以试验性应用为主，没有真正用于生产实践。这项技术的正式应用还是从铁路行业标准颁布（2011年）开始的。目前这项技术已在沪昆高铁贵州段、呼准鄂铁路、京沈高铁、石济高铁等项目中开始了普遍应用。在使用过程严格执行了连续压实标准。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。

图1 连续压实控制的压实成果

此外，近年来连续压实控制技术在公路、机场、水坝等建设中也有一些应用，但控制内容可谓五花八门，这与没有统一规定有关，因此建立相关标准是下一步要做的重点工作。

4 结语

本文对连续压实控制技术进行了综合性论述，限于篇幅，很多问题没有展开论述和分析，留待以后逐步解决。连续压实控制技术的推广应用，首先对各类填筑工程的碾压质量控制大有好处，可以打破“只重视结果验收，不重视过程控制”的固有的陈旧观念，使工程质量得到更大的提高；其次可以在一定程度上推进振动压路机的科技进步，向着“智能碾压”的方向发展，带动产业的升级换代，使中国的传统产业有机会、有能力走向国际。

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相关领域得到更好的发展。

[1]徐光辉. 中国交通领域连续压实控制发展概述[J]. 建设机械技术与管理, 2014(8):43-45.

[2]TB 10108—2011.铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程.

[3]Q/CR9210—2015.铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程.

国家自然科学基金项目（51178405）