水稳基层压实度检测技术现状与发展

王 睿1，赵 伟2，郭 燕2

（1. 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2. 包头市公路局，内蒙古 包头 014040）

［摘要］压实度的检测是保证水稳基层施工质量的重要环节。本文通过国内外文献调研，对比分析了水稳基层压实度传统检测方法灌砂法（水袋法）和核子密度仪法的工作原理、适用条件与存在的不足，结合目前智能压实技术研究进展情况，阐述了压实度实时检测技术在水稳基层中的应用与需要解决的关键问题，以及路面雷达检测技术用于水稳基层压实度检测的可行性。

［关键词］道路工程；水稳层；压实度；检测方法；实时检测

［中图分类号］U415.52 ［文献标志码］B ［文章编号］1001-554X（2018）09-0039-05

Current status and development of testing technology of cement stabilized gravel

WANG Rui，ZHAO Wei，GUO Yan

水泥稳定碎石（简称“水稳”）具有良好的力学性能、水稳性、整体性以及抗冻性，被广泛应用于高等级公路基层的铺筑。在水稳基层施工过程中，路面压实度是影响道路施工质量的重要因素。适当提高基层压实度不但能够提高路面承载能力、路面稳定性以及耐久性，而且能够延长路面的使用寿命。目前，水稳基层压实度的检测方法除了灌砂法、水袋法与核子仪法之外，还有许多压实度连续检测新方法也逐步应用于实体工程中，如压实度实时检测技术、路面雷达检测技术等。

基于传统的压实度检测方法，吴宪［1］分析了影响水稳基层压实度测定的因素，指出灌砂法检测压实度容易受环境和人为因素的影响；贾廷跃等［2］针对灌砂法检测龄期较长的水稳基层压实度费时、费工的缺点，采用了钻芯取样测定水稳基层压实度的方法；黄天生［3］通过分析核子仪的工作原理，提出对核子仪与灌砂法两者的测量结果进行标定后，可以采用核子仪法抽检压实度。为了克服传统压实度检测方法存在的不足，实现在施工过程中对路面压实质量进行有效检测与控制，Shuiming He［4］建立了公路结构层介质路面雷达的模型，采用数学处理方法计算压实度；黄志福 等［5］分析了振动轮与路面压实材料之间的动力学关系，建立了振动压路机—路面系统动力学模型，提出了采用振动轮垂直加速度有效值表示路面基层

压实度，从而实现路面压实度连续检测；刘东海 等［6］基于压实质量实时监测指标与水稳层压实度之间的质量评估模型，研制开发了公路水稳层振动碾压质量实时监控系统，提出了水稳层全工作面压实质量快速评估方法，为确保高等级公路水稳层施工质量提供了新的技术手段；全志强等［7］依托实际道路提升改造工程，对城市道路压实度自动连续检测进行了研究，并阐述了智能压实应用于水稳层压实过程需要解决的核心问题。

已有文献从多角度对传统的压实度检测方法、连续式检测技术进行了阐述，但是对不同检测方法的使用范围并没详细介绍，为此本文将对常见的几种路面压实度检测技术的测定方法及原理进行简单分析，并确定其使用条件，以利于工程实际应用。

1 水稳基层压实度传统检测技术

压实度是指施工现场铺筑材料压实成型后达到的干密度与室内标准击实条件下最大干密度的比

DOI:10.14189/j.cnki.cm1981.2018.09.001［收稿日期］2018-03-06

［基金项目］内蒙古交通科技项目（NJ-2016-30）；

教育部中央高校基本科研业务费专项资金资助（2014G 3252006）

［通讯地址］王睿，陕西省西安市南二环路中段长安大学

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SURVEYING专题论述值。压实度是道路施工过程中施工质量控制的重要指标之一，表征现场铺筑材料压实成型后的密实状况。压实度越高，密实度越大，材料路用性能性能越好。其中，水稳基层压实度的测定主要包括室内标准密度（最大干密度）确定和施工现场密度试 验［8］。

1.1 水稳碎石材料最大干密度的测定方法

因为水稳基层压实度使用施工现场实际测量的干密度与最大干密度比值确定，所以水稳基层室内标准密度（最大干密度）作为压实度运算的基础参数，最大干密度值的大小直接影响着压实度的测定值。为了提高水稳基层压实度测量的准确性，需要使用正确的试验方法测定水稳基层的最大干密度。

目前，针对水稳基层室内击实成型方法主要有重型击实法和振动法两种。对于这两种室内成型方式，国内学者都开展了许多对比研究。一般情况下，振动成型确定的最大干密度大于重型击实确定的最大干密度。由于重型击实试验方法简单、容易操作，击实设备施工单位一般都有配备。因此，目前在确定水稳基层压实度时，规范要求的最大干密度采用重型击实试验确定较多。1.2 水稳基层现场密度试验检测方法

测定现场密度的传统方法有灌砂法（水袋法）、环刀法、钻芯法以及核子仪法。其中环刀法仅适用于细粒土及无机结合料稳定细粒土的密度测试，钻芯法一般适用于测定已完工、龄期较长的水稳基层现场密度。水稳基层现场密度试验检测方法主要采用灌砂法（水袋法）与核子仪法。

（1）灌砂法（水袋法）。

灌砂法的原理就是利用粒径为0.30～0.60mm或者0.25～0.50mm的干净的标准砂，从一定高度自由下落到试洞内，按其单位重量不变的原理来测量试洞的容积（用标准砂来置换试洞中的试样），并根据试洞内试样的含水量来推算出试样的实测干密 度［9］，如图1所示。计算方法见公式（1）-（3）。

mwmw

s b

（1）式中 ρw为试坑材料的湿密度（砂的密度（g/cmg/cm3）；ρs为量3）；m

w为试坑中取出材料的质量Kd

100

dmax

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CVa

A4

A 2

（g）；mb为填满试坑的量砂的质量（m



g）。d

w10.01w

（2）式中 ρd为试样的干密度（g/cm的含水率（%）。

3）；w为试坑材料d

w

CV10.01KaA

w

d4A100

2

dmax

（3）式中 K为水稳基层的压实度（ CVaA

%）；ρdmax为重型

击实试验确定的试样的最大干密度（A

g/cm3）。

压实度K=ρρddmax

干密度ρρd=

1+W最大干密度ρdmax湿密度ρ=mV含水量WK. 水稳基层压实度（%）；ρd. 水稳基层材料的现场干密度

（g/cm3）；ρdmax . 室内标准密度（最大干密度）（g/cm3）； m. 试洞内试样质量（g）；V. 流入试坑的标准砂体积

（cm3）；w. 试样含水量（%）。

图1 灌砂法基本原理图

采用灌砂法测定水稳基层现场密度的优点有两个方面：一是测定的数值准确性较高；二是操作过程的可控性强，从而成为目前公路建设中路基压实度主要的检测方法。但是采用灌砂法或者水袋法进行现场试验，操作过程受人为因素影响大，若试验过程中操作不当，可能会使检测结果出现较大的误差［11］。图2为采用灌砂法进行现场试验。

图2 灌砂法现场试验图

水袋法工作原理与灌砂法相似，只是将水替换成灌砂法中的量砂。由于在试验过程用水的体积代替试坑的体积，操作复杂、易受人为因素影响，

塑料膜易破，因此水袋法使用较少。

（2）核子仪法。

核子仪法是一种快速、较准确测定材料密度和湿度的先进技术，其工作原理是依靠核子密度仪内部的两种放射源：使用铯137同位素射线测试材料的密度，使用镅241中子源测试材料的水分［1］。放射性射线穿过物质时要发生衰减，其衰减量的大小与物质的密度成正比，通过测量放射性射线的衰减量可以反推物质的密度［12］；中子源产生的快中子射入被测材料中，与料层内物质发生碰撞散射，减速、扩散，使快中子最后变成热中子，热中子被探测器探测，这个作用主要是由物质中的含氢量决定，而氢主要在水中，若被测材料中含水量大，热中子数就多，反之就少，因此探测热中子数的多少即反映其含水量的大小

［13］

。

核子仪法测定水稳基层现场密度检测效率高，数据直观明了，操作性强，可任意选择测点位置及频率。缺点：检测结果稳定性较差，测量值波动幅度较大，在正确使用核子仪法前需要用灌砂法进行标定实验，较为麻烦，所以核子仪法适用于施工质量的现场快速评定，不宜用作仲裁试验或评定验收试验，见图3所示。

图3 核子仪法现场试验图

1.3 水稳基层压实度传统检测方法的不足

通过分析各种传统压实度检测原理及试验方法，可以得出传统压实度检测技术存在以下几点不足：

（1）不论是灌砂法还是水袋法，都属于有损检测，破坏水稳基层结构，并且采用这两种方法时需要熟练的技术人员进行操作，如挖坑、称重等，费时、费工；核子仪法虽然属于无损检测，但是该方法试验费用较高，且对试验环境条件要求高；

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（2）采用传统测定方法测定水稳基层压实度，只能选取有限的点进行测定压实度，采样数量有限，通常只占被压实材料很少的一部分，缺乏充分的代表性，因此不可能提供压实质量全面信息，极容易出现低质量路段的漏检情况；

（3）传统测定方法仅适用于水稳基层碾压完成后，无法在压实的过程中对压实度进行测量，因此无法实时对压实状态进行检测。如果在压实过程中，未能及时发现施工路段欠压状况，会导致返工、工期拖延；若压实遍数过多，又会导致过压情况，影响施工进度。

2 水稳基层压实度检测技术的发展

2.1 水稳基层压实度实时检测技术

由于传统检测技术对水稳基层压实度进行检测存在诸多不足，为了能有效、快速检测水稳基层压实度，压实度实时检测技术得到研究与发展。

压实实时监测技术的工作原理为：将振动碾压过程看做是一种动态振动压实试验，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本身的激振力和路基结构的抵抗力（反力）作用，二者的共同作用引起振动轮的振动响应，基于这种振动响应建立的评定方法，实现碾压过程中的实时监测［14］。根据振动轮响应信号的处理方式不同，形成了几种连续压实控制技术。在20世纪80年代，Bomag公司推出利用Omega值衡量压实能量，从而测量压实度的仪器。随后Bomag公司在该仪器的基础上做了一系列革新，推出了一系列新产品，开发了安装在振动压路机上，用来对碾压过程中的压实度以及温度实时监控的

Bomag Aspalt Manager系统。2001年开发了以动态模量Evib为检测值的压实度检测与压实管理系统BCM05。除此之外，典型的压实度实时检测技术还有Dynapac/Volvo公司的CMV检测系统、长安大学的CMS-01压实度实时检测系统以及Sakai公司的CCV压实度检测系统［15，16］。

刘东海等在研发的公路路基压实质量实时监控系统基础上，开发了公路水稳层振动压实质量实时监控系统（RTM-WSL），系统组成见图4所示；并结合实际工程项目，将压实质量实时监测指

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SURVEYING专题论述

标（Compaction Value，CV）作为高等级公路水

w

d 稳层混合料压实质量实时表征指标，通过安装在碾10.01w

轮上的加速度计获取振动轮的加速度值，经傅里叶

d

K100

变换得到加速度的各谐波分量，dmaxCV的定义为

A

CVa4 （4）A2

依托实际工程得到了水稳层混合料压实度与压实质量实时监测指标之间的关系，并建立了两者之间的回归模型。通过应用回归模型以及实时采集

的CV，实现了施工路段水稳层振动压实质量的实时监控与评估。并利用Kriging插值方法生成施工全作业压实质量云图，可进一步分析压实均匀性和识别碾压薄弱区域，为现场施工及时采取应对措施提供了依据。

式中 A2、A4分别是加速度频谱图中基频和二次谐

波的幅值；a为常数，为使CV值不致过小，取300。

动态坐标

GPS卫星

防水机箱

（含GPS主机+DTC+控制机）

GPS流动站

GPRS

CV值

应用服务器

Internet碾压轨迹碾压遍数碾压频率CV值

RTK差分通讯网络

GPS基准站

客户端实时监控

CV采集仪

数据服务器

图4 公路水稳层振动压实质量实时监控系统结构

与传统压实度检测技术相比，压实度实时检测技术具有以下优势：

（1）能够对水稳层施工中的整个压实过程进行有效监控；

（2）检测点增加，能够覆盖整个施工路段，不再局限于某几个点，路段压实度检测信息全面准确；

（3）可及时发现欠压和过压区域，提示操作人员根据压实状况调整工作参数；

（4）减少检测工作量，实现施工质量智能化控制与信息化管理。

虽然传统压实度检测技术相比，压实度实时检测技术具有以上优势，但是目前安装有压实度实时检测系统对水稳层的压实度检测仍然存在一些不足：振动轮在水泥稳定层上移动或振动过程中的接触动力学问题的研究有待深入，压实度实时检测的应用难点在于实现控制指标与常规检测指标的一致性。因此，构建精确的“振动压路机—水稳基层材料”力学模型、开发实用的检测技术、进行信息处理是压实度实时检测技术进一步应用于水稳基层的42

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关键所在。

2.2 路面雷达检测技术

路面雷达作为一种高效快速、连续无损的路面检测设备，其应用技术自20世纪80年代以来一直是国内外研究人员研究的热门课题。路面雷达测定路面结构层压实度工作原理是：通过确定结构层介电常数与密度、压实度之间的关系得到各结构层的密度以及压实度［17］。

张蓓、黎春林等［18］对路面雷达检测路面含水量、空隙率和压实度机理作了理论分析，推导出由雷达反射波计算含水量、压实度和空隙率等的相关公式，探讨了从路面雷达反射波形精确计算路面材料介电常数的方法，为探地雷达检测路面含水量、压实度和空隙率提供了理论依据；叶盛波等［19］发明了一种基于路面雷达的公路路面压实度的评价方法，但该方法主要应用于沥青面层压实度的无损 检测。

对于水稳基层介质来说，要采用路面雷达检测其压实度，需要找到一种水稳基层介电常数与压实度的关系和路面雷达数据识别方法。目前，针对

路面雷达检测压实度的相关研究还在深入研究，由于路面雷达技术能够实现水稳层压实度的无损检测，因此路面雷达对水稳层压实度检测具有广阔的发展前景。

2.3 压实度检测技术的发展趋势

随着国家对道路施工质量要求的提高，传统的检测技术已经很难满足实际工程施工质量控制的需要，水稳压实度检测技术向智能控制方向发展已经成为必然。压实过程中压实度的在线预测评价是目前智能压实过程中的发展方向，通过压实度的在线预测评价，提出更加高效的压实工艺，从而提高压实作用中的质量以及效率。我国公路交通事业在飞速的发展，研制出能够适应这一发展的智能压路机是当前压实技术与压实机械领域所要达到的一个重要研究目标。

水稳压实度测量装置在线预测评价系统是目前研究的研究方向，可为路面的高质量施工带来很深远的影响，所以压实度在线预测评价系统具有很重要的研究价值。

3 结论

（1）分析了传统的水稳基层压实度检测原理、使用方法以及其优缺点，传统的压实度检测方法操作过程受人为因素影响大且无法实时对压实状态进行检测，已经不能满足水稳基层施工过程中对压实度快速、连续、准确检测的要求；

（2）水稳基层压实度检测技术正从传统检测方法向着便捷、效率高、成本低、精度高以及智能化的方向发展。压实度实时检测技术以及路面雷达检测技术可以实现对水泥稳定碎石层施工过程中的压实度质量实时监控，能够更有效的保障水稳层的施工质量；

（3）通过对比分析传统压实度检测方法与连续式压实度检测技术二者之间的检测特点表明，为了满足对路面压实度检测进行准确测量，压实度智能化控制将是社会发展的大势所趋，并应进一步深入研究智能压实中的压实度在线预测评价系统。

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