砂礫石壩粗粒料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)探討

莫林謀，季 平，華天波，梁 濤

(1.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司四川分公司，四川 成都 610073；2.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

現(xiàn)如今在國(guó)內(nèi)砂礫石壩的填筑工程中，控制壓實(shí)質(zhì)量主要采取控制碾壓參數(shù)和試坑檢測(cè)的“雙控”法，即主要依靠人工控制填筑施工的碾壓參數(shù)(主要包括鋪層厚度、振動(dòng)碾壓機(jī)的行車速度與碾壓遍數(shù))和人工現(xiàn)場(chǎng)挖坑取樣檢測(cè)等手段[1]。人工現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)這種常規(guī)的質(zhì)量控制方法對(duì)于推動(dòng)我國(guó)砂礫石壩的建設(shè)起到了積極作用，然而隨著填筑規(guī)模的擴(kuò)大，這種傳統(tǒng)的壓實(shí)質(zhì)量控制管理機(jī)制已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代機(jī)械化施工的要求。為了實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)壩料壓實(shí)質(zhì)量的監(jiān)控，探求合適的壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)，研發(fā)一種連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量控制方法很有必要，它對(duì)提高砂礫石壩施工質(zhì)量、加快施工進(jìn)度具有十分重要的意義。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，多種新型壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法相繼誕生，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)研發(fā)了用于檢測(cè)各種碾壓材料壓實(shí)質(zhì)量的檢測(cè)方法，主要集中在路基工程、鐵路交通等領(lǐng)域[2- 6]。由于水電工程施工的復(fù)雜性和特殊性，上壩填筑的土石料粒徑和級(jí)配較為分散，專門用于砂礫石壩填筑施工質(zhì)量控制的儀器設(shè)備較少涉及，現(xiàn)有的相關(guān)檢測(cè)設(shè)備也基本是從其他工程領(lǐng)域沿用過(guò)來(lái)，在砂礫石壩大粒徑的粗粒料檢測(cè)過(guò)程中存在隨機(jī)性大、精確度差、實(shí)際使用效果不佳等問(wèn)題，因此亟需研究適用的壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)和方法用于砂礫石壩粗粒料的填筑施工質(zhì)量控制。

1 研究工程概況

某水利工程的攔河大壩為混凝土面板砂礫石壩，大壩壩殼料由爆破堆石料和河床砂礫石料組成，上游混凝土面板作為大壩防滲結(jié)構(gòu)。水庫(kù)總庫(kù)容22.49億m3，正常蓄水位1820m，大壩壩頂高程1825.8m，最大壩高164.8m，壩頂寬度12m，壩頂長(zhǎng)度795m，覆蓋層深度94m。在大壩填筑過(guò)程中，壩料的壓實(shí)質(zhì)量直接關(guān)系到壩體的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定，有效控制其壓實(shí)質(zhì)量是保證大壩安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

2 實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)

鐘登華和劉東海等人[7- 10]的研究表明，振動(dòng)輪加速度a與被壓材料的壓實(shí)狀況有著密切關(guān)系，但是單一的振動(dòng)加速度檢測(cè)結(jié)果存在較大的不確定性和波動(dòng)性。由此我們對(duì)碾輪振動(dòng)加速度的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理，根據(jù)土體反力測(cè)試原理，選定如下4個(gè)衍生指標(biāo)。

(1)加速度峰值ap：該指標(biāo)描述的是碾輪振動(dòng)過(guò)程中加速度信號(hào)振幅的變化規(guī)律，其計(jì)算公式如下：

ap=max{|ai|}(i=1，2…n)

(1)

式中，ai—某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的加速度數(shù)值，m/s2；n—一段時(shí)間內(nèi)采集的加速度數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

(2)加速度均方根值arms：該指標(biāo)反映的是碾輪振動(dòng)過(guò)程中的有效振動(dòng)加速度，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中，ai—某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的加速度數(shù)值，m/s2；n—一段時(shí)間內(nèi)采集的加速度數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

(3)加速度峰值因素CF：該指標(biāo)是交變電流中常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用來(lái)說(shuō)明交流電源輸出峰值負(fù)載電流的能力[11]。本文將其引入來(lái)描述碾輪振動(dòng)加速度波形的變化規(guī)律，其計(jì)算公式如下：

(3)

式中，C—放大系數(shù)，本文中取為10；ap—加速度峰值；arms—加速度均方根值。

從CF值的物理意義可以看出，其實(shí)際上是一個(gè)綜合了加速度峰值變化趨勢(shì)和均方根值變化趨勢(shì)的檢測(cè)指標(biāo)，描述的是土體對(duì)碾輪輸出峰值加速度的能力，即土體對(duì)碾輪產(chǎn)生最大反作用力的能力，是一個(gè)無(wú)量綱值。

(4)加速度諧波比值CMV：該指標(biāo)為加速度信號(hào)進(jìn)行調(diào)諧分析后得出的二次諧波幅值與基頻幅值的比值(諧波比)[12- 14]，其計(jì)算公式如下：

(4)

式中，C—放大系數(shù)，通常取300；A1—加速度頻譜圖中二次諧波對(duì)應(yīng)的幅值；A0—加速度頻譜圖中基頻對(duì)應(yīng)的幅值。

由文獻(xiàn)[15- 16]可知，CF指標(biāo)綜合了ap和arms指標(biāo)的變化趨勢(shì)，其在表征土體壓實(shí)程度方面比ap和arms指標(biāo)具有更好的效果。因此在本文中，作者進(jìn)一步對(duì)CF和CMV指標(biāo)在砂礫石壩粗粒料上的檢測(cè)效果作對(duì)比分析，評(píng)估其適用性和優(yōu)劣性，得出較適宜表征砂礫石壩粗粒料壓實(shí)程度的實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為分析評(píng)估實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)CF和CMV在砂礫石壩粗粒料上的檢測(cè)效果，本次研究在不同的粗粒料上分別進(jìn)行了不同碾壓參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)，觀察各指標(biāo)在不同試驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)表現(xiàn)情況。分析各指標(biāo)與碾壓參數(shù)和試坑檢測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性，以及各指標(biāo)在相同壩料上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，以評(píng)判各指標(biāo)表征砂礫石壩粗粒料壓實(shí)質(zhì)量的優(yōu)劣。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用江蘇東華測(cè)試DHDAS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，檢測(cè)的主要物理量為碾輪豎向振動(dòng)加速度及其主振頻率，測(cè)試系統(tǒng)主要由傳感器、振動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀和監(jiān)測(cè)分析軟件客戶端組成。試驗(yàn)采用的碾壓機(jī)為中大機(jī)械YZ系列32t單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)如圖1所示，傳感器均豎向安裝在碾輪內(nèi)側(cè)機(jī)架上。

圖1 振動(dòng)碾壓機(jī)(中大YZ32)

3.2 試驗(yàn)方案

在壩面的砂礫石料和堆石料區(qū)分別選取了5個(gè)條帶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，砂礫石料和堆石料的級(jí)配設(shè)計(jì)曲線如圖2所示。碾壓試驗(yàn)條帶的長(zhǎng)度均為50m，寬度均為2.2m(碾輪寬度)，如圖3所示。單個(gè)網(wǎng)格大小為2.2m×5m，將每個(gè)碾壓條帶劃分為10個(gè)試驗(yàn)網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行編號(hào)①～⑩，其中奇數(shù)區(qū)為緩沖區(qū)，在偶數(shù)區(qū)間進(jìn)行挖坑檢測(cè)，獲得常規(guī)壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)。

圖2 堆石料和砂礫石料級(jí)配曲線

圖3 堆石料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)圖

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 與碾壓參數(shù)的相關(guān)性分析

在Origin軟件中繪出每個(gè)碾壓區(qū)域測(cè)得的檢測(cè)指標(biāo)的散點(diǎn)圖，堆石料某試驗(yàn)區(qū)的數(shù)據(jù)如圖4所示。對(duì)各檢測(cè)指標(biāo)與碾壓遍數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析，目前在相關(guān)領(lǐng)域已有研究成果的相關(guān)性分析多為線性模型[7- 10]，函數(shù)表達(dá)式為：

y=ax+b

(5)

式中，a、b—回歸系數(shù)。

由圖4數(shù)據(jù)點(diǎn)的趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)：圖中y隨著x的增大而有增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是其增長(zhǎng)速率逐漸變慢，并且當(dāng)x進(jìn)一步增大時(shí)，y逐漸趨于某一常數(shù)，可知該曲線可能有一條水平漸近線。

由此可以假設(shè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的趨勢(shì)線為雙曲線型，雙曲模型的函數(shù)表達(dá)式可表示為：

(6)

式中，a、b—回歸系數(shù)。

接下來(lái)對(duì)線性模型和雙曲模型兩種回歸模型進(jìn)行分析比對(duì)，計(jì)算兩種模型中每個(gè)碾壓區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)與碾壓遍數(shù)的決定系數(shù)(R2)，以判定更合適的回歸模型。為了減小偶然誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的干擾，對(duì)碾壓條帶各試驗(yàn)網(wǎng)格的決定系數(shù)(R2)取切尾均值，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 堆石料上實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)隨碾壓遍數(shù)變化趨勢(shì)

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)在同種壩料不同碾壓區(qū)域的檢測(cè)值范圍不盡相同，而在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，要求數(shù)據(jù)的波動(dòng)不能太大。因此本文引入標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vσ來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)在不同試驗(yàn)區(qū)間的穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vσ是反映數(shù)據(jù)離散程度的指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

表1 CF和CMV指標(biāo)與碾壓遍數(shù)的決定系數(shù)(R2)(碾壓機(jī)振碾10遍)

(7)

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，從與碾壓參數(shù)的相關(guān)性角度分析，在堆石料和砂礫石料上，CF指標(biāo)無(wú)論采用線性模型還是雙曲模型，與碾壓遍數(shù)n的相關(guān)性均比CMV指標(biāo)要高，其中采用線性模型時(shí)與碾壓遍數(shù)的決定系數(shù)(R2)分別達(dá)到0.776和0.921，具有很強(qiáng)的線性相關(guān)性；從數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的角度分析，在堆石料和砂礫石料上，CF的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vσ均比CMV要小，離散程度較低。綜合以上分析結(jié)果來(lái)看，CF指標(biāo)更適合作為砂礫石壩粗粒料壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)。

4.2 與試坑檢測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性分析

文獻(xiàn)[2]指出，在土體填筑碾壓過(guò)程中，可以采用實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)的必要條件是實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)與常規(guī)指標(biāo)之間的決定系數(shù)(R2)不得小于0.70，該系數(shù)通過(guò)試驗(yàn)段上的對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行確定，一般要求測(cè)得不少于18組對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)[17- 18]。然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸處理，得到?jīng)Q定系數(shù)(R2)、相關(guān)方程以及實(shí)時(shí)檢測(cè)的目標(biāo)值，運(yùn)用該目標(biāo)值進(jìn)行過(guò)程控制。由于堆石料和砂礫石料采用的主要壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)分別為孔隙率和相對(duì)密度[1]，下面將分別分析實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)與相對(duì)密度和孔隙率的相關(guān)關(guān)系。

對(duì)該砂礫石壩的堆石料上5個(gè)試驗(yàn)條帶的偶數(shù)區(qū)間進(jìn)行挖坑檢測(cè)，共取得25組標(biāo)準(zhǔn)試坑檢測(cè)指標(biāo)樣本，結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，如圖5所示。

對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，方法同上述堆石料分析方法，回歸模型的決定系數(shù)(R2)分別為CF∶0.993(線性模型)、0.991(雙曲模型)，CMV∶0.807(線性模型)、0.842(雙曲模型)，CF指標(biāo)與壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)(相對(duì)密度Dr)的相關(guān)性均比CMV指標(biāo)要高。因此CF指標(biāo)更適宜作為砂礫石料壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)，其與相對(duì)密度的相關(guān)方程為CF=6.068Dr+10.574，現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度Dr要求控制在0.9以上，對(duì)應(yīng)CF的目標(biāo)控制值為16.03，即在砂礫石料碾壓過(guò)程中CF≥16.03時(shí)，即達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 堆石料區(qū)實(shí)時(shí)檢測(cè)與試坑檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

在砂礫石料區(qū)由于受現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件所限，僅對(duì)各個(gè)條帶的一個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行試坑檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖5 實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)與試坑檢測(cè)指標(biāo)的回歸分析

表3 砂礫石料區(qū)實(shí)時(shí)檢測(cè)與試坑檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某面板砂礫石壩的堆石料和砂礫石料10個(gè)碾壓條帶的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，在不同壩料上CF與碾壓遍數(shù)n的相關(guān)性均較高，并且CF指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vσ較小，均低于10%，離散程度較低，因此CF指標(biāo)較適宜作為本工程砂礫石壩粗粒料壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)指標(biāo)。進(jìn)一步建立CF指標(biāo)與常規(guī)壓實(shí)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系式，對(duì)應(yīng)常規(guī)壓實(shí)指標(biāo)的控制標(biāo)準(zhǔn)，CF指標(biāo)的目標(biāo)控制值分別為18.22和16.03，即在本工程的堆石料和砂礫石料碾壓過(guò)程中，當(dāng)CF分別達(dá)到18.22和16.03時(shí)，可認(rèn)為該壩料已達(dá)到所要求的壓實(shí)質(zhì)量，后期可進(jìn)一步研發(fā)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)壩體碾壓過(guò)程中壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。