《PLOS One》：Field study on compaction effect and energy evolution characteristics of highway subgrade under low-amplitude vibration
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路基压实是公路建设中的关键工序。为阐明整个压实过程中的动力学特性与能量传递机制，本研究利用4条试验车道，在不同碾压遍数条件下开展了公路路基现场试验。研究人员对振动波的动力学特性、能量分布以及施工过程中土体压实度的演化进行了系统测量与分析，并对路基内部的压实效率
路基压实是公路建设中的关键工序。为阐明整个压实过程中的动力学特性与能量传递机制，本研究利用4条试验车道，在不同碾压遍数条件下开展了公路路基现场试验。研究人员对振动波的动力学特性、能量分布以及施工过程中土体压实度的演化进行了系统测量与分析，并对路基内部的压实效率与能量传递进行了定量评估。结果表明，路基材料的动力学行为在不同压实阶段存在显著差异，据此可将其划分为三个不同阶段：松散阶段、最优压实阶段和过压实阶段。在本试验中，第3遍碾压代表最优压实状态，其特征为明显的共振峰、规则的频谱以及高效率的能量传递。随着压实度增加，振动波的水平向传播增强，而竖向衰减加快，导致能量集中于振源下方。此外，研究人员提出的基于能量传递系数的压实效率评估方法验证了该过程的三阶段演化特征，为实时质量评估与碾压终点判定提供了直接、定量的指标。这些发现为路基压实的智能化和精细化过程控制提供了新的理论见解与实测数据支撑。
**一、研究背景与研究意义**
截至2024年底，中国高速公路总里程已达19.07万公里。日益增长的出行需求与人口流动性对国家公路运输系统提出了新的挑战，也对公路建设质量提出了更高要求。路基作为公路系统的承重基础，承担着结构自重、路面结构层及交通动荷载，因此路基压实是道路工程中的关键环节，直接决定了基础设施的长期性能和使用寿命。然而，传统的质量控制方法高度依赖经验判断与事后抽检（如灌砂法，sand cone method），这种方法存在时间滞后和采样离散的固有局限性，无法实现实时优化或闭环控制。这些不足增加了欠压或过压的风险，可能导致结构缺陷或资源浪费。因此，实现公路路基压实的智能化和精细化过程控制至关重要。
现有研究虽已涉及压实机理、质量标准、工艺优化、数值模拟及预测模型等多个方面，但由于现场试验固有的复杂性和时间限制，大多数研究依赖数值模拟方法，导致实测数据稀缺。与采用标准化A、B组填料的铁路建设不同，公路路基通常采用当地材料，表现出显著的各向异性和非均质性。因此，数值模拟和理论模型往往难以准确刻画实际工程条件下材料参数的动态演化。基于此，研究人员依托一条在建高速公路，开展了路基压实性能的现场试验研究，旨在揭示压实过程中振动波的动态响应特性与能量传递机制，为路基压实的智能化和精细化过程控制提供理论依据。
**二、研究方法与关键技术**
研究人员在四川桐子高速公路路基段建立40m×20m试验区域，填料为当地风化砂岩与土颗粒组成的土石混合料，天然密度约2.5–2.7g/cm3，最优含水率8.8%，最大干密度2g/cm3。试验设置4条相同试验车道，采用徐工XS263J振动压路机进行低幅振动碾压，设定1至4遍共4种碾压工况，车速3km/h。采用东华测试DH5922D 32通道动态采集系统，分别将1C301（±16g）传感器安装于振动轮、1C302（±5g）传感器埋设于路基内部（埋深0.10m，间距2m）。试验后采用灌砂法测量测点附近压实度。主要技术方法包括快速傅里叶变换、希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform, HHT）时频分析以及加速度均方根（Root Mean Square, RMS）比值分析。
**三、研究结果**
**3.1 振动波动动态特性**
时域分析表明，Z方向加速度响应幅值较稳定（约5g），而X方向虽峰值较低但行为复杂且易出现随机极端值。Z方向响应反映路基整体压实刚度与能量输入，X方向则指示表面粗糙度、局部材料不均匀性及复杂动力耦合效应。随碾压遍数增加，X和Z方向峰值加速度均呈先降后升趋势。频域分析显示，路基内部频谱曲线形态从第1、2遍的杂乱干涉波与谐波演变为第3、4遍的规则稳定结构。第3遍时基频位于29Hz附近，接近压路机弱振动模态频率，出现明显共振峰。此时系统刚度达到最优，固有频率接近激励频率，Z方向响应幅值达到峰值，表明最优压实状态。
**3.2 振动波能量特征**
HHT分析显示，能量主要集中在20–40Hz频段。X方向能量集中带较宽，第3遍峰值能量最高，高频成分（>40Hz）在2、3遍较为丰富；Z方向能量带随遍数加宽，但高频成分逐渐减少。第4遍能量下降表明过压实引发材料内部微损伤。能量衰减分析表明，振动波沿水平路径传播时迅速衰减。随着碾压遍数增加，X方向归一化幅值显著上升，而Z方向呈相反趋势，说明密实材料优化了水平波传播路径，竖向激励能量被有效限制在振源近场，提高了压实效率。
**3.3 路基压实度**
灌砂法测得第1至第4遍压实度分别为88.78%、92.37%、96.72%和95.77%。第3遍获得最大压实度，第4遍出现轻微下降，验证了第3遍为最优碾压遍数。动态监测信号能够作为实时非破坏性"前兆信号"，在传统方法检测到质量下降之前预警过压风险。
**3.4 压实效率与能量传递**
研究人员提出了基于能量传递系数的压实效率评估方法，η定义为地面加速度RMS与振动轮加速度RMS之比。第1遍η较低（松料消耗能量克服颗粒间摩擦），第2、3遍η显著上升（土体密实、弹性增强、能量以弹性波有效传播），第4遍η略有下降（刚度增大导致能量反射和无效益耗散）。该方法从能量角度验证了压实过程的三阶段演化特征。
**四、讨论与结论**
研究人员指出，振动压实不是一个简单的线性加密过程，而是内部结构演化和波传播特性系统变化的动态过程。研究通过多维动态信号（时域加速度峰值、频谱结构、时频能量分布、空间波衰减规律）与最终压实度的耦合分析，证明了有效压实不仅提高了静力压实度，还从根本上传导结构上改变了材料的动态本构关系，使其成为更高效的振动能量传递介质。动态响应对内部损伤累积的敏感捕捉能力，使得Z方向加速度峰值拐点、主频幅值下降及X方向响应快速衰减等特征可作为判定过压起始和确定"最优碾压遍数"的实时标准。提出的能量传递系数方法从物理本质上揭示了压实过程从塑性变形向弹性响应转变的动力学机制，当能量传递系数达到平台期时对应经济最优碾压遍数，为工程中"何时停止碾压"提供了定量判据。
研究同时存在局限性：结论基于特定的填料类型与操作条件，最优遍数、主频特征和衰减规律可能不适用于其他岩土材料或激励模式；能量传递系数对数据时间窗口的选择较敏感，需通过更多现场试验和数据拟合以优化平衡。
研究结论如下：（1）路基材料经历系统性的动态过渡，可分为松散、最优压实和过压实三个阶段。有效压实阶段表现为Z方向加速度峰值显著增加（系统刚度增大并趋近共振）、频谱从杂乱宽带噪声演化为以激励基频为中心的规则谐波结构、X方向振动波传播增强。（2）动态响应与最终压实质量之间存在稳健相关性。本试验条件下，第3遍碾压对应综合最优动态状态（共振峰、规则频谱和高效能量传递）和最高压实度，被定义为最优碾压遍数。（3）有效压实优化了路基的波导特性。随压实度增加，X方向质点运动水平传播增强，而Z方向运动沿水平路径快速衰减。这种高度局部化的Z方向响应表明竖向激励能量被有效限制在近场用于压实而非侧向耗散。（4）基于能量传递系数的压实效率评估方法从能量角度验证了三阶段压实过程，为实时质量评估和压实终点判定提供了定量指标。
