成果名称

高能级智能碾压控制技术在粗粒土路基快速填筑中的应用研究

成果登记号

知识产权

完成单位

序号

单位名称

通讯地址

1

山东高速济青中线公路有限公司

山东省潍坊市高密市密水街道古城路南817号

2

山东大学

山东省济南市二环东路12550号山东大学兴隆山校区

完成人

序号

姓名

工作单位

对成果的贡献

1

吴传山

山东高速济青中线公路有限公司

项目负责人

2

王术剑

山东高速济青中线公路有限公司

技术负责人

3

蒋红光

山东大学

技术负责人

4

胡晓华

山东高速建设管理集团有限公司

技术研究

5

姜开明

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

6

姚凯

山东大学

技术指导

7

滕建军

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

8

姚占勇

山东大学

技术指导

9

张荣华

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

10

封春光

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

11

李岩

山东高速建设管理集团有限公司

技术研究

12

嵇永军

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

13

梁明

山东大学

技术研究

14

张吉哲

山东大学

技术指导

15

许成虎

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

16

董超

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

17

张华建

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

18

张磊磊

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

19

冯志鹏

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

20

张焕涛

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

21

时孝鹏

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

22

高东兴

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

23

张荣华

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

24

周剑

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

25

蔺伟

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

26

司琦

山东高速济青中线公路有限公司

技术研究

27

李莎莎

山东大学

技术研究

27

李宜欣

山东大学

技术研究

28

王育杰

山东大学

技术研究

29

王新宇

山东大学

技术研究

30

张明

山东大学

技术研究

31

阮思伟

山东大学

技术研究

32

刘芮宁

山东大学

技术研究

成果公报内容

一、任务来源

《高能级智能碾压控制技术在粗粒土路基快速填筑中的应用研究》为山东省交通运输厅科技计划项目（项目号：2021B63），由山东高速济青中线公路有限公司和山东大学共同承担。截至2023年底，我国高速公路总里程达18.36万公里，居世界首位。我国“十四五”规划中，明确指出加快建设交通强国是现代化基础设施体系的重要组成部分，进一步提升高速公路网络质量是新时代背景下深化“交通强国”战略的基本要求，期间新改建高速公路里程将达2.5万公里。为解决粗粒土路基碾压经验不足、压实质量控制难度大以及检测低效等技术难题，本项目依托济青中线高速公路工程开展高能级粗粒土路基碾压技术的研究。本项目的研究不仅可以积累粗粒土智能碾压技术经验，对济青中线高速公路粗粒土路基工程开展有效的技术指导，确保工程质量，大大加快路基工程施工速度，缩短工期，而且对完善我国路基设计、施工技术规范，编制山东省粗粒土路基智能碾压技术规程提供实际工程资料，为相关技术的大面积推广提供技术支撑。路基压实智能监控系统的研发，可以解决路基碾压大厚度摊铺、特别是粗粒土路基智能碾压大厚度压实的施工过程和施工质量监控的技术难题，不仅可以实现粗粒土路基智能施工，确保路基工程质量，相关产品也可以在其它路基压实工程全面推广，项目的社会经济效益十分显著。

二、应用领域和技术原理

1. 应用领域

本项目主要应用领域为交通基础设施建设，特别是道路工程的路基设计与施工。

2. 技术原理

（1）区域典型粗粒土类型划分及工程特性研究：调研了济青中线高速公路沿线粗粒土种类及其分布。选取典型粗粒土填料进行土工试验，明确了其物理力学性能和路用性能；提出了典型粗粒土填料粒径控制标准，评价了粗粒土的工程适用性。

（2）大厚度粗粒土路基关键施工参数和碾压工艺研究：通过开展典型粗粒土物理模型试验和粗粒土路基现场试验路，明晰了粗粒土路基内部应力传递规律，建立了粗粒土路基动态土压力归一化计算模型，提出了粗粒土路基有效压实判断方法，并明确了共振压实最优频率，形成了粗粒土路基高能级碾压工艺和标准。

（3）适用于智能碾压控制技术的质量动态控制指标研究：构建了粗粒土塑性大变形-振动轮-车架相互作用的路基压实动力学模型，建立了各项物理力学指标与振动压实值的相关关系，提出了粗粒土路基智能碾压质量关键评价指标及其控制值。

（4）高能级智能压实控制系统研发：开发了基于北斗卫星定位系统的粗粒土路基智能碾压在线控制系统，提出了基于压实度增量法则的人工神经网络综合评价方法，实现了路基压实过程的在线监控与压实质量的实时评价。

三、性能指标

1. 粗粒土路基高能级压实参数和工艺

根据缩尺模型试验，底层土体应力为0.054MPa时，土体压实度可达93%，即底层土体应力达0.054MPa可作为土体有效压实判断准则；建立了动态变形模量、弯沉和K₃₀与压实度的相关关系，选择弯沉作为压实质量快速检测指标，松铺厚度65cm时的控制值为1.96mm ，松铺厚度80cm时的控制值为1.88mm。

对于65cm的松铺厚度，推荐“静压—700kN—700kN—500kN—500kN—刮平、静压”的施工工艺；对于80cm的松铺厚度，推荐采用“静压—700kN—700kN—500kN—500kN—700kN—刮平、静压”的施工工艺，推荐该填料的最佳超填宽度为120cm，最优松铺厚度为65cm。

分别提出了CMV、CCV和THD作为粗粒土路基高能级智能压实控制指标的止碾标准分别为33.0、14.2和41.5，变异系数分别为3.17%、2.02%、5.71%，均低于均匀性控制值10%。

2. 人工神经网络模型

提出了考虑压实度增量法则的人工神经网络综合评价方法，四参数综合评价模型（CMV、THD、二次谐波分量和加速度上峰值）为粗粒土路基压实质量评价的最优模型，MAE和MSE分别为0.63和0.79，最大偏差为1.82%。

四、与国内外同类技术比较

五、成果的创造性、先进性

1. 建立了粗粒土路基动态土压力归一化计算模型，提出了粗粒土路基有效压实判断方法，并明确了共振压实最优频率，形成了粗粒土路基高能级碾压工艺和标准；

2. 构建了粗粒土塑性大变形-振动轮-车架相互作用的路基压实动力学模型，提出了粗粒土路基智能碾压质量关键评价指标及其控制值；

3. 开发了基于北斗卫星定位系统的粗粒土路基智能碾压在线控制系统，提出了基于压实度增量法则的人工神经网络综合评价方法，实现了路基压实过程的在线监控与压实质量的实时评价。

六、作用意义

1. 直接经济效益

本项目提出了典型粗粒土路基大厚度高能级振动碾压成套施工工艺及施工控制指标；建立了典型粗粒土路基振动压实值等动态指标与压实状态的关联函数，提出了连续智能碾压控制指标与压实状态快速评价方法。确定了填土路基和填石路基的最佳填筑厚度分别为55cm 和85cm。通过试验路现场验证结果显示：填土路基日均功效较传统工艺提升85%，每方施工成本降低约26%；填石路基施工效率提升60%，每方施工成本降低约35%。研究及试验表明，采用大吨位压路机进行超厚层路基填筑施工可以极大的提高工效、降低施工成本。

2. 社会意义

本项目相关研究成果可推广至丘陵山岭区交通基础设施的粗粒土路基工程降低碳排放 40%以上，节约资源，有利于路基工程的可持续发展。