第42卷,第3期 公 路 工 程 Vo1.42,No.3 2 0 1 7年6月 Highway Engineering Jun.,2 0 1 7 基于半变异函数的路基压实度均匀性评价方法 陈春宏 ,王翔 (1.长沙市规划勘测设计研究院,湖南长沙410075; 2.中南大学土木工程学院,湖南长沙410075) [摘要]土体压实质量是决定公路,铁路,机场跑道等土工构造物长期稳定性的重要因素。目前压实质量 检测方法主要是传统的局部取样点测法,在进行压实质量均匀性评价时,多采用变异系数概率统计指标C 作为 评价指标,未能考虑检测数据的空间变异特性,难以从空间分布的角度评价路基压实质量的不均匀性。基于半 变异函数模型,提出能够评价压实度空间分布的均匀性指标U 。以PFWD检测指标为计算对象,分别采用新旧 两种均匀性评价方法对某客运专线试验段路基的PFWD检测结果进行压实均匀性评价。结果表明:与旧指标C , 相比,新指标C更能客观反映填筑路基压实度在空间上的不均匀性,其结果为路基压实均匀性评价提供了新的 思路。 [关键词]PFWD;压实质量;均匀性评价;半变异函数 [中图分类号]TU 413.5 [文献标识码]A [文章编号]1674—0610(2017)03—0086—04 Semivariogram—based Evaluation of Compaction Uniformity for Railway Subgrade Construction CHEN Chunhong ,WANG Xiang。 (I.Changsha Planning Survey and Design Institute,Changsha,Hunan 410075,China; 2.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha,Hunan 410075,China) [Abstract]The compaction quality of soil is an important factor to determine the long—term stabili— ty of highway,railway and airport runway.Conventional methods for the quantification of subgrade corn— paction quality are almost based on random sampling method.The evaluation of the compaction uniformi— ty is all based on the univariate parameters,such as the deviation coefifcient.However,these parameters are unable to consider the spatial distribution of the collected data and evaluate the non—uniformity of the compaction state.Based on the semivariogram model,the new uniformity descriptor U is suggested to quantify the compaction uniformity.The PFWD system is adopted to measure the compaction degree of the earthwork.Both the conventional uniformity descriptor and the proposed new uniformity descriptor are adopted for uniformity assessment.The results indicated that,compared to the conventional uniformity descriptor C ,the proposed new uniofrmity descriptor U is able to provide a more objective evaluation on the spatial non—uni ̄rm distribution of the subgrade compaction state.It is proved to be a new method to evaluate the compaction quality for subgrade compaction woks. [Key words]PFWD;compaction quality;uniformity evaluation;semivariogram 1 概述 降的防控措施进行了大量研究,其中,在路基填筑 施工过程中对压实质量与压实度均匀性的评价与控 在列车循环荷载,雨水冲刷作用,气候变化等 制是防止路基发生不均匀沉降的重要手段。压实均 复杂因素作用下,路基发生不均匀沉降将影响线路 匀性是指路基本体在填筑过程中,沿水平方向,特 的平顺与刚度的均匀性,甚至进一步危害高速铁路 别是列车线路纵向的路基土体刚度的强弱程度的空 的行车与运营安全…。中外学者对路基不均匀沉 间分布状态。在采用压路机进行路基土体的碾压过 [收稿日期]2017—03—10 [基金项目]国家自然科学基金面上项目(51478481);铁道部科技研究开发计划(201OG018一B一3—2) [作者简介]陈春宏(1978一),男,广西北海人,主要从事道路与桥梁方面的设计研究工作。 第3期 陈春宏,等:基于半变异函数的路基压实度均匀性评价方法 87 程中,需要对压实均匀性进行准确的评价来实时指 导碾压施工,从而防止局部路段产生刚度过大的超 压区与刚度过小的欠压区。 为了客观反映某一碾压段面压实质量的均匀性 分布程度,国内外学者对此进行了许多研究。刘俊 峰等 基于统计学中一致性统计量的概念,将车 道问数据一致性统计量h及相应的关键值作为指标 来评价路基均匀性;李跃军等 基于伪方差一均 按照土工试验规程进行PFWD动态平板载荷 试验,压实试验段宽16 m,长16 m,分成8个碾 压带来进行压实,一个碾压8遍,每2 m进行一次 试验,不同纵向碾压带的检测点分布应对齐,保持 在同一横向位置。为保证采集数据的精确性,在压 实过程中,同一试验段内路基尽量使下述条件相 同: ①下卧层(地基)刚度;②填土种类(最优 含水量和最大干密度等);③填筑含水量;④碾压 完成后层厚(一般偏差应≤15%);⑤碾压机型 号和参数,包括振动频率、振幅和检测行驶速度、 方向。 2.3检测数据的空间变异性 值综合评价法提出路基均匀性总体评价指标G。; 王龙等 提出以合格区域面积与压实路段总面积 的比值t来评价整个碾压面的压实均匀性。 然而,这些方法均基于经典统计分析理论 , 其虽然能反映连续压实检测参数在统计分布上的变 异程度,却未能从空间上描述数据的分布特征,故 可能存在虽然满足规范要求,但压实均匀性不满足 工程要求的情况。王翔等 提出将地统计学的分 析方法引入对路基压实均匀性评价中,并以连续压 实检测数据为研究对象,分析了不同压实施工工况 对于一个碾压面的PFWD压实质量检测结果 而言,导致其在空间上波动起伏的主要因素是由于 路基填料本身是一种由不同粒径大小的岩土散粒体 形成的不均匀混合介质。在填筑过程中,受摊铺、 整平、碾压等外力作用的影响,不同位置的填料物 理力学性质(密度、含水率、级配、最大粒径等) 存在一定规律的空间变异性 。 下压实检测数据的地统计参数特征。然而尚未提出 一个明确的压实均匀性评价指标来指导碾压作业。 本文在此研究基础上,基于半变异函数理论对高铁 3压实均匀性评价方法 3.1 半变异函数模型 建设中更加普遍使用的PFWD压实质量检测结果 进行分析,提出半变异函数指标 来进行压实均 匀性评价。并分别采用本文提出的新指标与常规统 计指标C 进行均匀性分析,验证了本文方法的适 用性与优越性。 在常规的压实均匀性评价方法中,都是将压实 质量检测指标看作为普通随机变量,其取值是在数 学上服从一定的统计概率分布,而本文将地统计学 中区域化变量的概念引入对压实质量监测指标的分 析中,其取值为在一个区域内随位置变化的随机函 数。 2压实质量检测指标 2.1 PFWD的检测原理与压实度指标E d 根据地统计学的定义可知,当一个变量呈现为 空间分布时,称为区域化。则压实质量检测指标 E 可认为是以空间点 的两个直角坐标 ,y 为 自变量的区域化变量E d( ,Y)=E d(P),并定义 便携式落锤式弯沉仪PFWD是目前国际上最 先进的对路基路面结构层的动弹性模量进行快速无 损评价的检测设备。其工作原理为通过动力加载模 拟高速列车在运行过程中对路基顶面施加的冲击作 用。 其半变异函数为在任一方向 ,相距l h l(表示 向量h的模)的两个区域化变量值E (P)与 E (P+h)的增量的方差。半变异函数能反映区域 化变量E (P)的空间变化特征,特别是透过随机性 试验时,按照规范要求将落锤从指定高度自由 下落到装配有阻尼系统的荷载板上,通过传感器实 时检测荷载板所受到的冲击荷载 与板下土体的 反映区域化变量的结构性,其计算公式为: 1 y‘ ’ × 沉陷值s,并按下式计算土体动态变形模量为 : E =1.5 ro'/S (1) 式中:E 为动态变形模量,MPa,精确至0.1 MPa;r为荷载板半径,mm; 为荷载板下的动应 力,MPa;S为荷载板的沉陷值,mm。 2.2现场压实试验与检测数据采集 Ⅳ(h) ∑【E (Pi)一E,d(Pi+ )】 i=1 其中:Ⅳ(h)为相距h的压实检测点的对数。根 据上式,不同距离t h l可计算出相应的 (h), 88 公路工程 42卷 把计算出的诸对l h J和 (h),以I h l为横坐 标,y(h)为纵坐标在直角坐标系中标出,可得 6 4 2 0 8 6 4 2 O 2 4 考虑实验半变异函数原点附近的点在反映变量 的空间特性方面极为重要,采用多元线性加权回归 法进行模型参数的拟合,令: 到若干散点,将相邻各点连接起来,得到实验变异 函数的计算结果,如图1所示。变异函数图可以直 观地描述区域化变量E (P)随l h I的变化情 况,便于分析压实质量的空间分布均匀性。 =y( ),60-c。’6l= ,6 =一÷。 , l=h, 2=h , 设多元线性回归方程Y=6。+bl 。+b2x:,其参 : 蚓 瞬 枞 数求解公式如下: b0=歹一bl—xI—b2 x2 _ ; ●.. 扑 ・计算结果 5 lO 1 l l 歹=∑[N(h )y ]/∑N(h ); :l n =l n 采样l日1J隔h/m =图1 半变异函数的计算结果 Figure 1 Caleulaition result of semi—variagram ∑[Ⅳ(hi) 。 ]/∑Ⅳ(hi); =1 n =l n 3.2半变异函数的拟合 乏=∑【Ⅳ(hi) 2 /∑Ⅳ(hi); 。 =为了定量地分析压实质量的空间特性,必须给 实验变异函数 (h)配以相应的理论模型,使得 该理论模型能够精确,真实地反映区域化变量E (P)的空间变化规律。采用球形函数模型来拟合 实验半变异函数计算结果,拟合公式为: 0.h=0 ∑[N(h )( li— ) 】; =l £ = 。=∑[N(h )( l 一 )( 2 一五)】; =l L。 =∑[N(h )( —x1)(y 一歹)】; =1 y c =Co+C( 3・告一 1。 ),。≤ ≤。 lC0+C,h>a n £ y=∑[Ⅳ(hi)( f—x1)(y 一 )】; =式中:C。为块金值;a为变程;c为拱高;C。+c为 ∑[Ⅳ(hi)( 一互) ]; i=l l6 14 12 10 Lyy:∑[N(h )(y 一 ) ], l : 参数计算出来后,需要分三种情况检验是否满 足球形模型。 ——拟合函数 计算结果 s ①当b。≥0,6。>0,b <0时,直接解算参 数,得: 蓄 qI 。种2 0 } . . , 2 4 —采样I司隔h/m 图2半变异函数的拟合结果 Figure 2 Fitting result of semi—variagram ②当b0<0,b。>0,b2<0时,令bo=0,重 新求参数b ,b ,此时方程为: 第3期 Y bl l+b2x2; 陈春宏,等:基于半变异函数的路基压实度均匀性评价方法 89 62 ③当b。≥0,6 >0,b2≥0时,若b2=0,此 时方程为Y=b。+bl 。,变成了线性模型,因此需 羹重矍委 苫5542 50 0 6 12l8 24 30 3642 48 54 60 66 72 78 84 90 96 要更换模型;若b:>0,需调整数据,删除特异 值。 3.3新均匀性指标 压实里程,m 虚拟碾压带A 蟾 由图2可知,拟合后的半变异函数是一个单调 递增函数,当h超过某一数值a(a>0)后,不再 继续单调增大,而往往趋于一个极限值C。+C。在 地统计学中,a被定义为变程(Range),C。+C被 定义为基台值(Sil1)。基台值反映了数据在空间内 变化的平均最大差异程度,而变程反映了达到这个 墨兰 委墨 压实里程/m 虚拟碾压带B 蠼 最大差异的点之间的平均最远距离。基台值越大说 明数据的空间差异性越大,而变程越大,说明达到 墨要 嚣趸 压实里程/m 虚拟碾压带c 这个差异的点之间的间距越远,一定范围内相邻数 据点之间的相关性越大,数据在空间内的分布越平 顺。因此定义新的空间均匀性指标 ,其计算公 式如下: U :图3 三组虚拟的理想压实监测数据 Figure 3 Three groups of virtual compaction data 鱼 a 表1 新指标与旧指标的评价结果对比 Table 1 Comparison of the results obtained by both the con— ventional and new index 其中: ̄/2c来表征数据在空间内波动的最大平均振 幅,与均匀性正相关;变程a表征空间数据的相关 性与连续性,与均匀性负相关。 4 新指标的验证对比与实际应用 4.1 新指标与常规统计指标的验证对比 注: 表示平均值, 表示标准差,C 表不变异系数。 压8遍。试验过程中,将填料含水率严格控制在 以人为虚构的组一维的波动数据来模拟3种理 想状态下的不均匀压实工况,其压实质量的合格率 相同,即压实薄弱区域面积相同,但压实薄弱面积 的空间分布不相同,通过分别采用新指标与常规指 标来对这3种工况的压实数据进行评价(见图3), 以此为例来验证对比新指标与旧指标的优劣性。 6%~7%之间,确保其接近最优含水率(6.5l%)。 下卧层为刚度均匀的填土地基,填料的摊铺厚度为 28~32 am,碾压时压路机的压实参数保持恒定, 碾压行进速度约为5 km/h,振动轮振幅约为1.2 mm,振动轮的振动频率约为30 Hz。仅对2,4, 6,8遍下的压实检测数据进行分析,结果如表2 所示。 表2不同碾压遍数下的均匀性评价结果 Table 2 The uniformity evaluation results under different compaction passes 分别采用新指标与旧指标对这三组数据进行分 析,所得结果如表1所示。 由表1可知:采用常规的统计指标并不能反映 这三组虚拟工况的压实不均匀性,其变异系数都相 等;而采用本文所提出的指标 ,则可以得到较 为合理的判定结果,其中碾压带c的 的均匀性最差。 4.2 压实分析的应用实例 最小,均 匀性最好,碾压带B的均匀性次之,而碾压带A 由表2可以看出:随着碾压遍数的增大,路基 的压实均匀性基本呈现越来越均匀的状态,传统指 为了进一步验证本文提出的新指标u ,的适用 性,采用新指标对沪昆高铁怀化试验段路基的PF- WD检测结果进行均匀性评价分析,试验段一共碾 标与新指标的结果基本一致,然后传统指标存在一 (下转第136页) 136 公路工程 42卷 [ [ i(上接第89页) [J].郑州大学学报:工学版,2014,35(2):l5—18. 定的波动性,并不是单调递减。 FACAS N W,MOONEY M A,FURRER R.Anisotropy in the 综上分析,采用新指标 更能反应压实监测 spatial distribution of roller—measured soil stiffness[J].Inter— national Journal of Geomechanics,2009,10(4):l29—135. 数据在空间分布上的均匀性,更加适用于工程应 THOMPSON M J.WHITE D J.Field calibration and spatial 用。 analysis of compaction—monitoring technology measurements 5 结论 [J].Transportation Research Record:Journal of the Trans— portation Research Board,2007,2004,(1):69—79. ①基于PFWD的压实质量检测数据的空间分 刘俊锋,徐科,李智,等.利用PFWD评价路基施工质量均匀 布特征,采用半变异函数来描述压实检测结果的空 性[J].湖南交通科技,2006,32(3):48—49. 李跃军,吴亚中,李亮.路基施工质量均匀性综合评价法 间分布均匀性,基于球形函数模型,采用加权回归 [J].公路交通科技,2010,27(2):42—47. 法来对半变异函数进行最优拟合,求得新指标 。, 王龙,解晓光,姜立东.基于PFWD碎石土路基压实快速检 作为路基压实质量均匀性的评价指标。 测与均匀性评价方法[J].哈尔滨工业大学学报,2013,45 ②在路基存在压实薄弱区域面积相同,但分 (2):66—71. 布均匀性不同的情况,常规指标C 不能描述薄弱 TRANGMAR B B,YOST R S,UEHARA G.Application of 区域的分布情况,而利用新指标 可准确评判薄 geostatistics to spatial studies of soil properties[J].Advances in Agronomy,1985,38(1):45—94. 弱区域的离散情况,为铁路路基压实均匀性提供更 窦鹏,聂志红,王翔.铁路路基压实质量检测指标CMV与 加合理的评价结果。 E d的相关性校检(J].铁道科学与工程学报,2014,l1(2): 9O一94. [参考文献] 王翔,焦谈,聂志红,等.基于地统计学的路基连续雎实均匀性 [1] 聂志红,焦恢,王翔.连续压实检测指标概率分布模型研究 评价[J].岩土力学,2016(12):3545—3552.