连续压实控制技术中压实计方法的谐波比指标的局限性问题研究

徐光辉，雒泽华

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

连续压实控制技术中压实计方法的谐波比指标的局限性问题研究

Research on Limitation of Harmonic Ratio of Compaction Meter for Continuous Compaction Control

徐光辉1，雒泽华2

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

0 引言

连续压实控制（CCC）是一类方法和技术的统称。目前国际上主要有两种方法：其一是基于力学分析原理、以力学量为评定指标的力学方法，如德国力学方法的评定指标为振动模量，中国动力学方法的评定指标为抵抗力即反力，还有的评定指标为弹簧系数等；其二是基于信号处理原理、以无量纲量为评定指标的信号方法，主要以1976年的瑞典压实计方法为代表，其评定指标称作压实计值（CMV），即谐波比，以及后来被改进的RMV和CCV等。

随着连续压实控制技术在中国的工程中得到应用，国内外连续压实方面的各种技术也相继进入市场。由于采用“谐波比”原理的检测技术简单且易于模仿，所以使这种被许多国家淘汰的方法又再一次被一些厂家重新仿制。但大部分使用者不了解“谐波比”技术的局限性，在工程中盲目应用，给压实质量控制带来严重的安全隐患。因此，有必要对这类方法的局限性和可用性进行分析，主要目的在于帮助使用者对该方法有一个清晰的认知并指导其如何使用。

1 压实计方法的原理

1976年，瑞典的GEODYNAMIK与DYNAPAC公司联合开发了压实计，并初步提出了连续压实检测与控制思想。该方法通过判别振动压路机振动轮响应信号的畸变程度来评价填筑体的压实状态，频谱特征如图1所示。

为了定量分析振动轮响应信号的畸变程度，研制者通过频谱分析，定义了一个连续评定指标——CMV（Compaction Meter Value），即压实计值（以CCMV表示）：

图1 不同压实状态时振动轮响应信号的频谱特征

由图1可知，当填筑体松软时，振动轮响应信号中只含有基频信号，此时CMV为0；随着填筑体不断被压密，振动轮响应信号中出现了一次谐波分量，随着碾压遍数的增加，填筑体的压实状态由松散向密实过渡，此时CMV随着压密程度的提高逐渐增大。压实计法就是根据CMV的大小，利用常规试验结果得到CMV与密度、模量等指标的相关关系，而进行连续的压实质量控制。瑞典制定的连续压实控制标准（1994年）也是以压实计方法为核心，规定相关系数 r ≤ 0.60（即r2≤ 0.36），比其他国家规定的r ≤ 0.70（即r2≤ 0.50）要小，根本原因就是压实计方法的局限性所致。

根据CMV的定义，谐波比为基频与一次谐波的比值。但是在碾压过程中，根据振动压路机与填筑体相互作用的动力学分析得知压路机振动轮的响应信号中不只是存在一次谐波。

1 各国官方试验结果分析

压实计方法自诞生以来，在使用上一直存在局限性。从20世纪80年代起，许多国家的官方研究部门对此进行了试验研究和论证，得到的结论是一致的——该方法仅适用于振动压路机响应信号出现一次谐波的情况，没有普遍应用价值。为了更有说服力，本文完全采用第三方和使用者已经公开的试验数据进行分析。

1.1 美国明尼苏达州运输部门（2006年）

资料来源：Intelligent Compaction and In-Situ Testing at Mn/DOT TH53 MN/RC-2006-13。

该报告2006年版专门对压实计方法进行了对比试验研究，采用不同填料和Caterpillar压路机进行。常规试验主要采用GeoGauge（一种稳态振动试验）、LWD（类似于动态平板载荷试验）和DCP（一种灌入式动态试验）进行试验，取得的模量与相应的CMV进行对比。共11组试验（每组有22个对比试验数据），仅有一组（占9.09%）的相关系数r=0.63，勉强满足瑞典规范要求，但不满足德国、中国等国规范不小于0.70（即r2≥0.50）的要求，其余10组（占90.9%）试验的相关系数r=0.0。

2.2 美国国家科学院交通运输研究委员会（2010年）

资料来源：NCHRP REPORT 676，Transportation Research Board of The National Academies。

这是一份公路智能压实研究项目报告，对目前连续压实控制（CCC）技术以及智能压实（IC）进行了分析；同时对各国的压实评定指标进行了总结性分析，其中对压实计的谐波比指标CMV分析如下。

（1）当土体刚度较小时，CMV几乎不随土体刚度发生变化，不能用来评定压实效果，这是振动轮响应信号的频率成分未发生变化的表现。

（2）当土体刚度变大后，振动轮响应信号中出现一次谐波分量，这时CMV可以用来评定压实效果。

（3）当土体刚度继续变大，则振动轮响应出现各种谐波成分的分量，此时CMV出现异常，不能用来评定压实效果。

（4）当土体刚度很大时，振动轮发生弹跳，CMV值为0或者很小，不能评定压实效果。

由此可见，CMV在控制软弱或较硬的填筑体时均不适用，而正确控制填筑体的软弱区或合格区（较硬）是连续压实控制的根本任务之一。至于何时压路机振动轮响应信号中出现一次谐波分量，既没有理论上的判别依据，也无法预先确定，现场人员更无法判别。

1.3 日本建设省（1985年）

日本建设省土木研究所在20世纪80年代曾对压实计方法进行过较为细致的研究[1]。分别对夹粉土砾、夹粘土砾和堆石料3种材料进行了对比试验。试验研究的结论为：CMV只对含有较多细颗粒的填料在某种程度上是有效的，而对于堆石料等粗粒坚硬填料没有什么效果，这与美国的研究结论一致。

1.4 中国30余年资料

（1）中国水利水电部门。公开资料显示，中国水利水电科学研究院曾在20世纪80年代引进瑞典压实计方法，90年代初的产品YS-1型压实计（曾被列为国家科委重大科技成果并获奖）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，但到目前为止并没有得到广泛地推广应用，其主要原因还是由于CMV与压实质量之间没有较好的对应性。

（2）沈阳至丹东高速公路。据辽宁省高等级公路建设局介绍，在沈阳至丹东高速公路建设中曾想采用压实计方法进行压实过程控制，但由于CMV与压实质量之间没有很好的对应性而不得不放弃。

（3）哈尔滨至大连客运专线。根据中铁一局哈大客专项目部实验室提供的资料，2008年11月，在哈大客运中铁一局工地，采用“GPS+CMV”方案进行了现场试验研究。试验段的填料为石渣土，采用BOMAG压路机进行碾压和测试。在连续测试的同时进行了相应的K30、Evd、Ev2等常规试验，以便进行对比分析（图2）。结果表明：CMV与K30、Ev2、Evd之间的相关系数均小于0.30，几乎没有相关性。究其原因，主要是由于路基较坚硬造成的（K30在80~170 MPa·m－1之间，Ev2在80～300 MPa之间），同样与美国科学院的研究结论一致。

（4）兰新铁路。根据兰新铁路智能压实视频宣传片提供的资料，图3（a）是CMV与压实系数K之间的关系，由此可知压实土体是一种粘性细粒土。按照压实计的使用原则，此时应该是适用的。当压实系数K在0.87～0.92之间时，CMV与K确实存在线性关系，但是随着碾压遍数增加，K提高到0.94以上（坚硬状态）之后，CMV便不再变化，甚至有下降趋势，此时已无规律可循。

同样，由图3（b）可知对于地基系数K30，当K30在90~120 MPa·m－1之间（较硬状态）时，与CMV大致上呈线性关系；但随着碾压遍数增加，当K30在120～160 MPa之间（坚硬状态）时，CMV几乎不随K30而发生太大的变化，没有任何对应性，也就无法判定压实质量的好坏，这与美国科学院的结论也是一致的。

从20世纪80年代起，国内水利部门开始仿制“谐波比”原理的设备（国产压实计），掀起第一次推广热潮；90年代公路部门也开始仿制，掀起第二次推广热潮；21世纪开始，国内众多压路机厂商开始引进或者仿制压实计装配在压路机上，属于第三次热潮。但所有这些仿制均以失败而告终，没有在工程实践中得到普遍应用。

自从2011年铁路连续压实控制行业标准（TB 0108—2011）颁布以来，出于商业目的，许多厂商又开始仿制“谐波比”原理的设备，掀起第四次仿制热潮，并声称相关系数普遍可以达到0.80～0.90，但是这种说法是否具有普遍意义值得商榷。若此结论具有普遍意义，将颠覆近50年来全世界公认的研究和工程实践结论，也与“谐波比”原理本身不符。实际上，那种只凭少量的试验数据便得到可以普遍使用的结论是不科学的，得到正确的结论需要长期的、大量的、各种工况的成功案例予以支撑。

另外，根据2014年铁路领域一些单位在西南地区采用美国压实计设备进行的大量对比试验，CMV与常规检测结果之间也没有很好的对应性，达不到普遍应用的程度，也再一次说明了谐波比方法存在较大的局限性。

1.5 其他资料

公开资料显示，德国在20世纪80年代的连续控制指标也曾根据“谐波比”的原理，采用与CMV类似的指标，但在90年代以后就放弃了这种做法，不再采取CMV，转向研究力学类指标（如振动模量）。这是因为CMV是一个相对指标，对土体压实反应不敏感，受限较多，适用范围太窄，用于大部分填料时得不到正确的结论。

另外，根据美国国家科学院NCHRP REPORT 676报告，目前瑞典Dynapac压路机没有使用基于CMV原理的技术进行智能反馈控制。

2 压实计方法的局限性原因分析

造成CMV与常规指标之间相关性差异的原因主要有两方面：其一是压路机检测和常规检测，二者的影响范围存在明显不同；其二是CMV指标定义本身存在问题。

图2 哈大客专铁路进行的CMV对比试验

图3 CMV与K和K30关系

2.1 检测影响范围不同引起的误差

压路机的测试深度与常规检测深度的测试影响范围相差较大。例如，在垂直方向上，15 t振动压路机的测试深度可达1.2 m，而平板载荷试验的测试深度为0.45 m；在水平方向上，压路机的测试范围为2.0 m2左右，而平板载荷试验的测试范围只有0.071 m2。可见连续指标和常规指标所代表的是各自影响范围内的平均值。因此无论是水平还是垂直方向上，只要填料存在变异性，二者的相关关系的离散性就会大一些，这是采用何种指标都会面临的实际问题。

2.2 指标定义本身引起的误差

除了上述原因之外，CMV存在局限性的根本原因在于指标的定义问题。从CMV的定义可以看出，影响CMV的关键之一就是振动轮动态响应信号中会出现什么样的信号成分。根据动力学理论，压路机响应信号中之所以产生谐波，一是由于压路机与被压土体之间存在相互作用，二是由于填筑体可能存在非线性本构关系，而这两种原因又常常耦合在一起，异常复杂，难于判定。

图4是根据实测压路机动态响应信号而进行的频谱分析。图4（a）为在砂性土上碾压时的测试结果，可见基频和一次谐波成分，可以采用CMV指标进行控制；图4（b）是在二灰碎石上碾压的测试结果，可见基频、一次、二次、三次谐波，此外还出现了二分之一次谐波成分，无法采用CMV指标进行控制；图4（c）、（d）都是在碎石土上碾压的测试结果，图4（c）碎石的含量更高一些，可见除了基频外，已经很难区分其他的谐波成分了，也无法采用CMV指标进行控制。

图4 实测碾压不同填料时压路机响应信号的频谱特征

国内外几十年的大量实践表明，振动压路机响应信号的频谱结构大部分都比较复杂，并非只有基频和一次谐波成分；而CMV只适用于压路机与填筑体之间能够产生一次谐波的简单线性振动情况。如何判定压路机与填筑体之间的相互作用为简单线性振动，目前还没有理论上的依据可循，并非现场技术人员所能完成的，更达不到普遍应用的程度。实际上，“谐波比”原理的方法就是一种经验法而已。

3 结语

大量的国内外官方以及工程部门的实例表明，采用一次谐波与基波相比（谐波比）原理为代表的压实控制技术和设备，其评定指标CMV与常规检验指标（压实度、各种模量、地基系数等）之间除了采用某种压路机碾压某类填料有效之外，其余情况下均没有较好的效果，不能正确反映压实质量信息。若盲目采用，会造成对压实质量的严重误判，使填筑碾压存在质量隐患，甚至引起后期安全事故。

关于以“谐波比”为原理的压实技术与设备的使用局限性已分别在2011年颁布国家行业标准《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程》（TB10108—2011）和2015年转换的中铁总企业标准（Q/CR9210—2015）的条文中进行了说明。此类经验法技术不具备普遍应用的价值，若在填筑碾压控制中普遍使用，不仅会给压实质量控制带来极其混乱的局面，也会影响连续压实控制技术在中国工程市场的健康发展。

[1]日本土质工学会.粗粒料的现场压实[M].郭熙灵,文丹译.北京:中国水利水电出版社,1999.

国家自然科学基金项目（51178405）