智能壓實：需要的只是更多機會

譚忠華

導語：

壓實是道路施工過程中最重要的環(huán)節(jié)之一。路面材料需要達到最佳的密實度，才能保證充分的支撐力、穩(wěn)定度與強度；高質量、均勻的壓實是良好、持久的路用性能的保障。均勻性，是壓實之關鍵。

智能壓實（Intelligent Compaction，簡稱IC）指的是使用配備現(xiàn)場測量系統(tǒng)與反饋控制功能的振動壓路機，對土壤、骨料基層或者瀝青路面材料等進行的壓實。基于GPS的繪圖系統(tǒng)以及自動記錄結果的軟件應該是智能壓實設備的組成部分；通過集成測量、文檔記錄、控制系統(tǒng)等，IC壓路機可以實現(xiàn)壓實過程的實時監(jiān)測與糾正。此外，IC壓路機還使用帶有彩色標記的圖表持續(xù)記錄碾壓遍數(shù)、材料剛度測量值、壓路機的準確位置等信息。圖1中的寶馬格VarioControl系統(tǒng)，即為典型的IC壓路機組成。

IC壓路機使用了振動壓路機的結構。具備自動反饋系統(tǒng)（Automatic Feedback Control，簡稱AFC）的IC壓路機，通過裝配的部件將信息輸入文檔記錄系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)，由后者實時處理這些數(shù)據，再通過顯示屏展示給壓路機操作手。典型的IC反饋系統(tǒng)如圖2所示。

壓路機的準確位置、通過某個特定位置的速度與遍數(shù)等均可借助GPS繪出。使用IC技術進行施工的流程如圖3所示，IC數(shù)據處理與分析流程，如圖4所示。壓實度計或加速度計裝在振動輪里面或者上方，用于監(jiān)測所施加的壓實作用力、頻率及被碾壓材料的響應，通過該儀器的讀數(shù)可以確定碾壓的效果。計算被碾壓材料的響應的方法通常為廠家獨有，故而產生了各種類型的智能壓實測量值（Intelligent Compaction Measurement Values，簡稱ICMV）。

在IC壓路機中，附加的溫度儀器被用來監(jiān)測瀝青路面材料的表面溫度。這十分重要，因為在某些溫度范圍內進行碾壓可能會產生不利的效果。圖5為使用紅外傳感器測量瀝青表面溫度的例子。

用于壓實瀝青路面材料的IC壓路機采用雙鋼輪配置，如表1所示。對兩個振動輪的監(jiān)測與自動反饋控制增加了智能壓實的難度。此外，進行瀝青路面材料壓實的時機與面層溫度也至關重要。因此，將IC技術用于瀝青路面材料碾壓時，需要額外的儀器與考慮。

ICMV：孰優(yōu)孰劣？

連續(xù)壓實控制（Continuous Compaction Control，簡稱CCC）是指在壓實過程中利用連續(xù)壓實儀檢測振動輪的動態(tài)響應信號，根據被壓材料與振動壓路機的相互作用，經過處理后得到能反映土體壓實狀況的控制指標。由于振動輪響應信號的處理方式不同，故而形成了幾種連續(xù)壓實控制技術。國內外學者對此進行了大量的研究，并且研制出基于不同工作原理的壓實檢測儀器，包括落錘頻譜式路基壓實度快速測定儀、瑞雷波法壓實儀、核子密實度計、電渦流壓實度計等，其中以安裝在振動壓路機上的連續(xù)壓實度儀應用最廣。

1974年，瑞典的Heinz Thurner博士將振動輪諧波與土壤壓實特性聯(lián)系在一起，第一次對“ICMV”這個概念進行了研究。他使用一臺安裝了加速度計的戴納派克光輪振動壓路機，在粒狀土上進行了現(xiàn)場試驗。結果表明，一次諧波振幅激振頻率下的振幅比、壓實效果與土石料剛度密切相關。1975年，Heinz Thurner博士與?ke Sandstr?m合作成立了Geodynamik公司，繼續(xù)對ICMV進行研究。

1976年，Geodynamik與戴納派克共同開發(fā)了壓實度儀Compactometer，其工作原理是使用安裝在振動壓路機上的加速度傳感器檢取系統(tǒng)在振動激勵下的響應信號，通過濾波器和信號的傅立葉變換得出振動信號的基波和二次諧波分量，然后用二次諧波與基波的比值來反映壓實程度。這就是CMV（Compaction Meter Value，壓實度值）測量方法。1980年，Thurner、Sandstr?m、Forssblad、Hansbo、Pramborg、Machet等人在巴黎的第一次國際壓實會議上析出了5篇關于CMV測量技術的文章。

1983年，Geodynamik公司將示波器的值（OMV）用于振蕩壓路機。OMV為取自振動輪橫向加速度幅值的無量綱值。悍馬公司曾經將OMV測量技術用在他們的光輪振蕩壓路機上，然而，描述OMV與土壤特性兩者關系的英文文獻幾乎無跡可尋。

同年，寶馬格開發(fā)了一個土壤壓實檢測系統(tǒng)——Terrameter BTM 01。借助加速度計的數(shù)據，檢測系統(tǒng)中的Omega值既反映了作用于材料的能量大小，也間接反映了材料的壓實狀況。1985年，Hoover在實地研究三種不同類型粒狀土的Omega值之后，發(fā)布了一份鼓舞人心的研究報告。2000年，寶馬格公司在第三代壓路機中引入了兩個新技術，即Terrameter BTM-E和VarioControl。BTM-E第一次為壓實狀態(tài)提供了一個物理值，即土壤動態(tài)剛度模量EVIB（單位MN·m-2）。與Omega值不同，EVIB與振動壓路機的參數(shù)無關，因而振動參數(shù)的改變對測量結果無任何影響。VarioControl系統(tǒng)能夠產生可變換方向的振動，使振動方向根據物料的密實度在垂直和水平方向無級調節(jié)，由于振動方向決定傳遞給土壤的壓實能量的大小，因此該系統(tǒng)可以使壓實能量與土壤狀態(tài)相匹配。

1990年代末期，安邁公司提出使用壓路機集成的剛度測量值ks作為評價指標。ks使用測定的振動輪位移、估算的作用力和一個反映壓路機與土壤的交互作用的彈簧-緩沖器模型，提供準靜態(tài)剛度的量度。

戴納派克、天寶（Trimble）、卡特彼勒等廠商將CMV測量技術作為ICMV系統(tǒng)的一部分，借助GPS系統(tǒng)，通過車載裝置把CMV數(shù)據實時地顯示出來。天寶還為光輪振動壓路機提供了一個經過改造的連續(xù)壓實控制系統(tǒng)。2004年，酒井公司提出了一個類似于CMV的無量綱參數(shù)——CCV（Compaction Control Value，壓實控制值）。與CMV的不同之處是，CCV同時考慮了基頻和次諧波頻率。

MDP（Machine Drive Power，機器驅動力）是卡特彼勒的一項創(chuàng)新型土壤壓實測量技術，該技術有助于操作者確認所碾壓土壤的承載強度是否符合要求，進而得知是否可移至下一個作業(yè)區(qū)域。傳統(tǒng)系統(tǒng)在地面被壓實時測量其振動反應，而MDP測量的是抵消碾壓阻力所需的能量。隨著地面被進一步壓實，其碾壓阻力會降低，據此計算土壤剛度或承載強度。 2003年，為了評估MDP系統(tǒng)在粒狀土、粘性土上的應用，愛荷華運輸部、美國聯(lián)邦公路管理局和卡特彼勒聯(lián)合發(fā)起了一個共同研究項目。根據Tehrani、Meehan、White、Thompson等人的論文及報告，是年，美國開始對MDP測量技術進行現(xiàn)場測試研究；2008年，明尼蘇達州的一個土方壓實工程全面使用了這項技術。

寶馬格、安邁和戴納派克提供的AFC/IC系統(tǒng)，在振動輪跳動被確定或者達到預設的測量閾值時可以自動調節(jié)振幅和頻率。Adam、Kopf等人在著述中稱，將AFC用于土壤壓實具有以下優(yōu)勢：使得更快地完成碾壓作業(yè)（通過減少碾壓遍數(shù)等）的可能性更大，以及提高土壤特性的均勻性。根據美國聯(lián)邦公路管理局的聯(lián)合資金交通項目——“加快實施智能壓實技術在路基土壤、骨料基層、瀝青面層中的應用（Accelerated Implementation of Intelligent Compaction Technology for Embankment Subgrade Soils， Aggregate Base， and Asphalt Pavement Materials）”最終報告的文獻綜述部分，現(xiàn)有技術文獻沒有很好地對上述優(yōu)勢進行量化。

目前，至少有6個制造廠商（安邁、寶馬格、凱斯、卡特彼勒、戴納派克和酒井，其中凱斯使用了安邁的技術）在壓路機上使用了ICMV技術。每個廠商都使用了獨有的軟件進行專有數(shù)據過濾、記錄和顯示，這些不同的ICMV系統(tǒng)的特點如表2所示。不同廠商的壓路機配置及顯示軟件如圖6～10所示。

研究：進展與發(fā)現(xiàn)

壓實是道路施工過程中最重要的環(huán)節(jié)之一。路面材料需要達到最佳的密實度，才能保證充分的支撐力、穩(wěn)定度與強度；高質量、均勻的壓實是良好、持久的路用性能的保障。均勻性，是壓實之關鍵。一般而言，壓實質量控制（QC）、質量保證（QA）均需要做現(xiàn)場抽查（核子密度儀或無核密度儀）或者芯樣測試。

然而，這些傳統(tǒng)的密實度控制方法存在以下問題。

（1）現(xiàn)場抽查是在某些隨機位置進行的有限測試，其結果無法代表整個路面區(qū)域。

（2）一些薄弱、不合格的壓實區(qū)域在現(xiàn)場抽查中沒有被發(fā)現(xiàn)。

（3）路面上部的密實度檢測結果在表明整個路面結構能力時的作用有限。

結果是，路面可能沒有被均勻壓實，從而導致早期損壞和糟糕的長期使用特性。智能壓實技術正是為了解決這些問題而研發(fā)的。

1974年，Heinz Thurner博士研究了通過在碾壓機械上安置加速度傳感器來檢測土石料的壓實狀態(tài)，拉開了IC技術研究的序幕；1976年，瑞典的 Geodynamik與戴納派克公司聯(lián)合開發(fā)了壓實計，提出用CMV值（即壓實計值）控制土石料的壓實狀態(tài)；20世紀80年代初，寶馬格推出具有開創(chuàng)性的創(chuàng)新成果——可以在工作期間檢測土壤壓實程度的測量系統(tǒng)Terrameter BTM 01，讓公司成為全球壓實控制系統(tǒng)的創(chuàng)新領導者；安邁公司基于上述成果，將土石料的剛度參數(shù)作為評價指標，其在碾壓過程中對土石料剛度的連續(xù)測定被視為土石壓實質量控制的重大突破。

直到1990年代，智能壓實技術在美國才有了第一例應用，遠遠落后于歐洲和日本。2007年，為了證明IC技術是行之有效的，也為了給各州智能壓實施工規(guī)范的進展提供支援，美國聯(lián)邦公路管理局發(fā)起了一個聯(lián)合資金交通項目（TPF）——“加快實施智能壓實技術在路基土壤、骨料基層、瀝青面層中的應用（Accelerated Implementation of Intelligent Compaction Technology for Embankment Subgrade Soils， Aggregate Base， and Asphalt Pavement Materials）”。2008～2010年，美國聯(lián)邦公路管理局在佐治亞、印第安納、堪薩斯、馬里蘭、明尼蘇達、密西西比、紐約、北達科他、賓夕法尼亞、德克薩斯、弗吉尼亞、威斯康辛等12個州開展了16個演示工程和開放日活動，并且對各州工作人員、當?shù)氐耐练?攤鋪施工承包商進行培訓。安邁、凱斯、寶馬格、卡特彼勒、戴納派克、酒井、沃爾沃、拓普康（TopCon）、天寶等設備制造商和組件供應商為這個長達3年的項目提供了智能壓實設備與技術支持。

該項目的目標包括：向美國各州交通運輸部門人員及道路施工承包商展示如何將智能壓實技術應用于路基、底基層及熱拌瀝青混合料（HMA）壓實；為各州交通運輸部門建立智能壓實技術的專業(yè)知識基礎；促進智能壓實質量控制（QC）規(guī)范的發(fā)展；明確智能壓實技術需要改進之處及其優(yōu)先次序，確定智能壓實設備及數(shù)據分析的進一步研究方向。

以下為該項目的主要發(fā)現(xiàn)。

（1）IC技術對現(xiàn)有支承層的繪圖可以有效地確定薄弱位置，便于在壓實上層之前采取糾正措施。

（2）借助IC技術追蹤碾壓遍數(shù)與HMA表面溫度，為在最佳溫度范圍內保持全面碾壓的一致性提供了必要的手段。

（3）IC技術在保證夜間攤鋪施工等能見度低的條件下的均勻壓實方面尤其有利。

（4）IC技術對路面施工各階段的責任均有深遠的影響，最終幫助建造更好、質量更一致的公路。

（5）使用IC壓路機繪制現(xiàn)有支撐材料的圖像，可以在隨后的HMA攤鋪之前確定薄弱位置。IC現(xiàn)場演示工程也表明，薄弱位置難以達到理想的壓實度，甚至可能會在施工車輛的作用下出現(xiàn)早期破壞。

（6）IC壓路機（被設置為低振幅、低頻率）的繪圖已經成功地在碎石底基層、穩(wěn)定土底基層以及銑刨之后的瀝青路面上演示。

（7）由于有限的抽查和所測量特性的差異（比如物理特性和材料配比），ICMV與HMA芯樣密度的相關關系并不一致。

（8）與ICMV和HMA芯樣密度的相關關系相比，ICMV和基于FWD（落錘式彎沉儀）/LWD（輕型落錘儀）的彎沉值或模量之間呈現(xiàn)出更明顯的線性關系。

（9）ICMV與核子密度儀（NG）或無核密度儀（NNG）測量值之間具有相對較低的相關關系，可能是因為：ICMV反映的是整個路面結構及下部支撐的剛度，而NG/NNG僅僅測量HMA層最上面的6 inch；在測量過程中，ICMV尚未考慮溫度效應，NG/NNG測量則與HMA溫度無關。

（10）使用多線性回歸改進了ICMV與現(xiàn)場抽查的相關關系分析。這些分析表明，ICMV受到機器設置（如振幅、振動頻率等）、下層結構狀況、HMA溫度等多重因素的影響。

（11）智能壓實數(shù)據可以用來為某個特定項目的特定材料創(chuàng)建壓實曲線，該曲線用于確定最佳碾壓遍數(shù)，從而避免過壓與欠壓。

（12）智能壓實數(shù)據可用于建立半變異函數(shù)，作為壓實均勻性之度量。一般而言，后續(xù)碾壓的均勻性有所增加。

應用：瑕不掩瑜

2014年，美國聯(lián)邦公路管理局公布了一份應用筆記，里面記錄了智能壓實技術在阿拉斯加州錫特卡機場加鋪工程中的應用。

該工程采取的施工方案為先銑刨0.5 inch原有路面，再加鋪2.5 inch新面層。施工承包商Knik建設有限公司使用兩臺IC壓路機（悍馬HD+ 140 VO），并根據美國聯(lián)邦公路管理局的IC規(guī)范施工，見圖11。施工時間為每晚7點至次日早晨7點。兩名壓路機操作手均表示，夜間作業(yè)時，難以辨清碾壓標線，要不是可以通過車載顯示器實時掌握壓路機的位置和碾壓遍數(shù)，根本無法保證對瀝青面層的完全覆蓋。

每次換班的時候，會對IC數(shù)據進行采集。數(shù)據采集包括對IC系統(tǒng)的數(shù)據存儲進行設置，以及使用U盤等將原始IC數(shù)據從壓路機拷貝至其他電腦終端。根據數(shù)據分析量的不同，這個過程大致花費15～60 min。IC數(shù)據可以通過悍馬的HCQ軟件檢視，然后輸出為與Veta軟件兼容的格式。Veta是一款基于地圖的查看和分析地理空間數(shù)據的工具（圖12），當前由明尼蘇達交通運輸部門（MnDOT）和TPF-5（334）號聯(lián)合資金交通項目提供研發(fā)資金。它可以單獨查看每一遍碾壓、覆蓋范圍的一致性以及瀝青混合料溫度，還可以方便地讀取壓路機的速度、頻率和振幅設置，執(zhí)行統(tǒng)計分析也十分迅速。

根據規(guī)范，在正式施工之前，需要對交通部門和施工承包商的工作人員進行關于IC作業(yè)的課室培訓，對壓路機操作手進行現(xiàn)場培訓。在開始攤鋪之前，維特根的代表來到現(xiàn)場，對這個項目的質量控制經理進行一對一的培訓，內容涵蓋IC設備的調試、電腦端項目設置、HCQ軟件的使用、數(shù)據傳輸和分析等。該經理還參加了美國聯(lián)邦公路管理局組織的討論會，學習如何使用Veta軟件。在項目開始之前接受培訓，施工方得以在開始攤鋪作業(yè)之前學會使用IC設備。

壓路機操作手起初并不負責設備或者電腦的調試，車載顯示器也花費了他們一段時間去適應。幾個小時后，兩名操作手已經可以利用實時數(shù)據確保合適的碾壓遍數(shù)（通過試驗段確定）。使用IC設備數(shù)日后，他們開始學習如何在電腦軟件上設置新的工程項目。一個星期后，兩人均可以熟練地設置IC設備和相關的電腦軟件。

最后，Knik站在施工方的立場，總結了使用IC設備的優(yōu)勢。

（1）通過GPS設備采集的碾壓遍數(shù)實時數(shù)據，幾乎消除了漏壓某個區(qū)域的可能性，也有助于獲得均勻的壓實度。在夜間攤鋪時，由于壓路機標線幾乎很難看清，壓實遍數(shù)的繪圖顯得尤其重要。對于缺乏經驗的壓路機操作手來說，這也是一個優(yōu)秀的訓練工具。

（2）瀝青混合料溫度的實時數(shù)據，確保了攤鋪機之下的瀝青面層的溫度一致。這對于獲得均勻的壓實度至關重要。

（3）當壓實度不能滿足要求時，可以通過檢視壓路機的所有設定（速度、頻率、振幅等）、碾壓遍數(shù)和溫度記錄，查找出現(xiàn)的問題。

（4）通過開始攤鋪之前繪制的圖像，可以確定現(xiàn)有路面的薄弱位置。

與此同時，他們也指出了IC設備的一些不足之處。

（1）IC還是一種相對較新的技術，在使用過程中，有好幾次因為IC系統(tǒng)崩潰而不得不重新啟動。新系統(tǒng)的Bug給壓路機操作手帶來了不便。

（2）每個項目都會生成海量數(shù)據，如果不每天都進行采集與分析，這些數(shù)據很快就會達到難以控制的地步。這無疑增加了施工方的負擔。

（3）ICMV值（勁度模量/剛度指數(shù)）與密實度之間并無關聯(lián)，也根本無法區(qū)分瀝青層剛度和下層材料剛度。這些ICMV值取決于壓路機的設定，為了進行ICMV值的比較，在項目的整個施工過程中，速度、頻率和振幅必須保持不變。

總體而言，施工承包商Knik建設有限公司對這次的IC技術體驗持正面評價，并且表示將會在其他項目上繼續(xù)使用該技術。

根據Intelligent Compaction網站的信息（圖13），為了推廣IC，2004～2015年，美國一共在177個項目中使用了該技術及相應的設備；2016年，有55個IC項目被各州、縣列入計劃中。

IC技術：價值已經得到證實

2014年，建設創(chuàng)新論壇（CIF）把年度新星獎（Nova Awards）頒給了智能壓實技術。新星獎是對那些已經被證實可以改善建設質量或者降低建設成本的技術的認可。智能壓實技術的入選理由是——“在改善壓實質量、一致性和均勻性方面，智能壓實的作用是其他技術無法比擬的?！?/p>

在2015年的瀝青大世界展會（World of Asphalt）上，沃爾沃建筑設備推出了他們的第一個智能壓實系統(tǒng)——Density Direct。該智能壓實系統(tǒng)可以實時顯示密實度計算結果，預示著智能壓實技術在走向成熟的道路上又邁出了一大步。密實度算法及其在柔性路面上的使用是俄克拉荷馬大學的專利，沃爾沃建筑設備與該大學合作，并且取得了對這一技術進行商業(yè)化的專有權利。

沃爾沃建筑設備的Density Direct與其他智能壓實系統(tǒng)的重要區(qū)別在于，它可以實時顯示密實度的計算結果（利用路面空隙率），而后者往往只提供基于材料剛度計算結果的智能壓實測量值（ICMV）。Density Direct獲得了《裝備世界》（Equipment World）雜志的2016年創(chuàng)新獎，該雜志的編輯Chris Hill稱，“沃爾沃建筑設備的智能壓實系統(tǒng)讓路面壓實度終于不用靠‘猜了?！?/p>

和其他新興技術一樣，智能壓實也有尚待解決的問題。不過，雖然智能壓實還遠遠算不上業(yè)已充分發(fā)展，但是仍不失為壓實技術的一大進步，故越來越多施工單位提出了將智能壓實技術應用到工程項目中的要求，設備制造商也聞風景從，紛紛推出或者升級其智能壓實系統(tǒng)與設備。

基于以上事實，我們現(xiàn)在可以大膽地下結論——IC技術雖然還不夠完美，但是其價值已經得到證實。它需要的，只是更多機會。