刘天云　张兆省　皇甫泽华　张庆龙　宋金龙　徐玉杰　安再展

摘 要：振動压实过程控制是土石方工程碾压施工的发展方向。通过压实质量连续监测技术可以实时评估当前压实质量，通过振动频率优化技术可以提高压实质量和效率，但目前关于振动频率对压实质量监测指标影响的系统研究较少，这限制了两种技术的结合和发展。为研究振动频率对振动加速度频域类压实质量监测指标的影响，采用不同的振动频率进行堆石料现场碾压试验，分析振动频率大范围变化时对压实计值CMV的影响及原因。结果表明，各振动频率下的CMV与碾压遍数均具有较强的线性相关关系，其可以作为堆石料压实质量监测指标。振动频率对CMV的影响可分为三个区域，即近共振频率区域，低于共振频率区域和高于共振频率区域。共振频率区域振动轮-土相互作用力较大，振动非线性强烈，CMV最大;低于共振频率区域振动轮-土相互作用力较小，不发生跳振，CMV比共振区域的小;高于共振频率区域随着振动频率增大，振动轮-土相互作用减小，CMV减小。

关键词：堆石料;振动频率;CMV;碾压试验

中图分类号：TV523   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.022

Effect of Vibration Frequency on Compaction Quality Monitoring Index of Rockfill

LIU Tianyun1， ZHANG Zhaosheng2， HUANGFU Zehua2， ZHANG Qinglong1， SONG Jinlong3， XU Yujie3， AN Zaizhan1

（1.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China;

2.Qianping Reservoir Construction and Management Administration， Zhengzhou 450003， China;

3.Henan Water Conservancy First Engineering Bureau， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：The process control is the development trend of vibration compaction construction of earthwork. The current compaction quality can be evaluated in real time by continuous monitoring technology and the compaction quality and efficiency can be improved by vibration frequency optimization technology. However， there is little systematic research on the influence of vibration frequency on compaction quality monitoring index， which limits the combination and development of the two technologies. In order to study the influence of vibration frequency on the frequency domain monitoring index， the field compaction test of rockfill was carried out with different vibration frequencies. The influence of vibration frequency on CMV and the causes were analyzed. The results show that the CMV has a strong linear correlation with the number of roller passes at each vibration frequency and can be used as a monitoring index for the compaction quality of rockfill materials. The influence of vibration frequency on CMV can be divided into three regions， namely， near resonance frequency region， lower than resonance frequency region and higher than resonance frequency region. In the resonance frequency region， the wheel-soil interaction force is large and the vibration nonlinear is strong， thus the CMV is the largest. The CMV in the lower than the resonance frequency region is smaller than that of the resonance region because of the smaller wheel-soil interaction force. With the increase of the vibration frequency， the wheel-soil interaction force decreases and the CMV decreases with the increase of the vibration frequency.

Key words： rockfill materials; vibration frequency; CMV; rolling compaction test

1 研究概述

土石方振动压实广泛应用于各类土木工程建设中，压实质量对工程安全至关重要。对土石坝而言，压实质量不达标可能导致大坝不均匀沉降、抗滑稳定性不足和库水渗漏等问题[1]，严重危害大坝安全。目前土石坝压实质量检测一般采用事中碾压参数控制与事后试坑取样结合的方法，工作量大，效率较低，不能对全坝面压实质量进行实时监测评估。20世纪70年代发现振动轮加速度二次谐波幅值随土体刚度的增大而增大，由此提出压实计值CMV（Compaction Meter Value）作为土石料压实质量监测指标[2]。此后，许多学者提出各种压实质量监测指标，并结合GPS等技术研发出一些新的压实技术，大大提高了碾压施工效率和质量[3-4]。随着对振动压实理论的深入研究发现振动频率对压实效果有重要影响。一些学者将压路机和土视为一个动力系统，研究碾压频率对该动力系统的影响[5-6]。研究表明，振动频率对压实效果有显著影响，对某一刚度土体存在最优振动频率，且随着土体刚度的增大，最优振动频率增大[7-8]。另一些学者通过试验方法对此进行了研究，如Wersll等[9-10]研究了不同振动频率对砂砾料压实效果的影响，王莉[11]提出碾压过程中振动频率的优化方法等，生产厂商研发了可调节振动频率的碾压机[12]。但目前振动频率优化并没有在实际工程中应用，主要原因之一是振动频率优化建立在已知当前压实状态的基础上，而振动频率的改变会导致压实质量监测指标的变化，目前对这种影响的研究还不够深入全面。因此，研究振动频率对压实质量监测指标的影响具有重要的工程意义。

压实质量监测指标中有一类指标是通过加速度信号频域分析得到的，如CMV、压实监测值CV（Compaction Value）和压实控制值CCV（Compaction Control Value），其本质都是反映加速度信号的畸变程度。目前对该类指标的工程适用性研究较多，但关于振动频率对该类指标影响的研究较少。

刘东海等[13]针对堆石料提出CV作为压实质量监测指标，研究了CV与碾压遍数、行车速度、铺层厚度和激振力状态的关系。其中激振力分为低频高幅和高频低幅两种模式，图1（a）和（b）分别为两种振动模式碾压情况下第2遍和第8遍碾压的CV值，可以看出在相同碾压遍数情况下，各测点在低频高幅振动模式下的CV值明显大于高频低幅模式下的。但激振力状态包含振动频率和振幅两个参数，该结果并没有将两个因素分离，因此不能直接说明振动频率对CV的影响。

范娟等[14]采用正交试验研究了振幅、振动频率、碾压速度和行驶速度4个因素对高速铁路路基压实质量监测指标CMV的影响，其中振动频率采用了29.0、30.5、32.0、33.5 Hz四个水平。采用方差分析对4个因素进行了显著性分析，结果见表1。可见，振动频率对CMV具有显著影响。

Mooney[12]总结了智能压实（Intelligent Compaction，简称IC）的发展现状。IC在连续压实控制（Continuous Compaction Control，CCC）系统的基础上结合了自动反馈系统，可以实时监测压实质量并调整碾压参数，但目前IC并没有实际应用，主要原因是当前压实质量评估模型没有考虑碾压参数变化。Mooney总结了各碾压参数（如振幅、振动频率、行车速度和行车方向）对各压实质量监测指标的影响。图2为振动频率对CCV的影响，可以看出振动频率为20 Hz情况下的CCV明显大于振动频率为25 Hz情况下的CCV。

虽然关于振动频率对CMV的影响的研究取得了一些成果，但由于试验碾压机没有经过专门的改造，因此存在频率和振幅无法分离、频率变化范围较小和试验采用的振动频率较小等问题，是振动频率局部范围影响的研究，不能系统全面分析振动频率对压实质量监测指标的影响，也无法对影响原因进行准确分析。

本文通过对振动碾压机进行改造，实现振动频率大范围无级调节，采用不同的振动频率对堆石料进行现场碾压试验，研究了振动频率大范围变化对压实质量监测指标的影响，并对影响原因进行了分析。

2 现场碾压试验

为研究不同振动频率对CMV的影响，在河南省前坪水库进行了堆石料现场碾压试验。前坪水库位于河南省洛阳市汝阳县前坪村，为大（2）型水库，主坝为黏土心墙土石坝。现场碾压试验碾压材料为坝壳堆石料，由水库上游料场开采，最大粒径400 mm，含水率为3%～4%。

试验机械为三一重工26 t振动碾压机（见图3），碾压机进行了智能化改造，装配有RTK-GPS系统和无级调频系统。无级调频系统由变量泵-定量马达组成，通过控制变量泵电磁阀开口大小来控制进入振动马达的液压油流量，从而实现振动频率的调节。改造后的碾压机可实现振动频率0～34 Hz范围内的无级调节。加速度传感器量程为±10g，固定在振动轮上，可实时采集振动轮竖向振动加速度信号。碾压机位置和车速可通过RTK-GPS系统实时获得。

为研究振动频率对CMV的影响及各振动频率条件下CMV作为堆石料压实质量监测指标的适用性，采用频率14、20、24、28、32 Hz进行碾压试验。各频率试验对应一条长12 m的试验条带，共往返碾压8遍，采集每一遍碾压的振动轮振动加速度信号。采用快速傅里叶变换进行频域分析并计算CMV。条带每1 m长度计算一个CMV值，12个CMV的平均值作为该条带的CMV值。最后在一條完全压实的试验条带上采用12、14、16、18、20、22、24、28、32、34 Hz这10个振动频率进行碾压试验，测定完全压实堆石料上各频率对应的CMV。以上试验车速均为0.69 m/s。

[3] MEEHAN C L， CACCIOLA D V， TEHRANI F S， et al. Assessing Soil Compaction Using Continuous Compaction Control and Location-Specific in Situ Tests[J]. Automation in Construction， 2017，73：31-44.

[4] LIU D， MIN L， SHUAI L. Real-Time Quality Monitoring and Control of Highway Compaction [J]. Automation in Construction，2016，62：114-123.

[5] SIMINIATI D， HREN D. Simulation on Vibratory Roller-Soil Interaction[J]. International journal Advanced Engineering，2008，2（1）：137-146.

[6] 任军锋，陈浙江.振动压实系统动力学模型及其解析[J].建筑机械，2005（7）：70-73.

[7] SERGIU B. The Roller-Ground Dynamic Interaction in the Compaction Process Through Vibrations for Road Construction[J]. Romanian Journal of Transport Infrastructure，2016，5（2）：1-9.

[8] 龚创先.振动压路机压实性能研究与优化[D].湘潭：湘潭大學，2013：31-40.

[9] WERSLL C， LARSSON S， RYDEN N， et al. Frequency Variable Surface Compaction of Sand Using Rotating Mass Oscillators[J]. Geotechnical Testing Journal，2015，38（2）：198-207.

[10] WERSLL C， NORDFELT I， LARSSON S. Resonant Roller Compaction of Gravel in Full-Scale Tests[J]. Transportation Geotechnics，2018，14：93-97.

[11] 王莉.基于地面振动信号对振动压实频率的研究[D].西安：长安大学，2009：10-18.

[12] MOONEY M A. Intelligent Soil Compaction Systems [M]. Washington， D.C.： Transportation Research Board，2010：47-50.

[13] 刘东海，李子龙，王爱国.堆石料压实质量实时监测指标与碾压参数的相关性分析[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2013，46（4）：361-366.

[14] 范娟，宋晓东，田利锋，等.高速铁路路基连续压实质量检测指标CMV影响因素分析[J].铁道科学与工程学报，2015（3）：463-467.

[15] ZHU X， BAI S， XUE G， et al. Assessment of Compaction Quality of Multi-Layer Pavement Structure Based on Intelligent Compaction Technology[J]. Construction & Building Materials， 2018，161：316-329.

[16] NIE Z H. Comparison Experimental Study on Subgrade Compaction Quality Test Methods[J]. Applied Mechanics & Materials，2011，71：4679-4684.

[17] 闫国栋.高速铁路路基连续压实质量控制研究[D].长沙：中南大学，2010：31-59.

[18] POWNUK A M， OLAGUE P B， KREINOVICH V. Why Compaction Meter Value （CMV） is a Good Measure of Pavement Stiffness： Towards a Possible Theoretical Explanation[J]. Математические структуры и моделирование， 2016，4（40）：48-54.

[19] 管迪.振动压实中的次谐波振动与混沌[J].筑路机械与施工机械化，2007，24（6）：59-61.

[20] ANDEREGG R， KAUFMANN K. Intelligent Compaction with Vibratory Rollers Feedback Control Systems in Automatic Compaction and Compaction Control [J]. Transportation Research Record，2004（1）：124-134.

【责任编辑 张华岩】