公路冲击碾压技术的开发应用

作者：杨世基 吴立坚 刘世军 逄宏波

欢迎访问e展厅 展厅 4 路面机械展厅 沥青摊铺机, 压路机, 平地机, 稀浆封层机, 铣刨机, ... 提 要：高能量冲击压路机的开发应用，促进了压实技术的创新发展。正确使用公路冲击碾压技术，在有效地减少路基的沉降变形，提高路基的整体强度与均匀性，加固特殊土地基，加速旧路改造，克服路基隐患，提高公路工程质量等方面的工程实践表明优势明显，具有广阔的应用前景。 关键词：冲击压路机 冲击碾压 路基 公路建设的实践证明，路基必须达到密实、均匀、稳定，才能保证路面的正常服务功能。在高速公路修建中，当路基受到斜坡地形、土石填料组成、地基土质条件等不利影响时，以及公路建成的速度加快，路基经常会产生沉降变形而引发工程病害。近年来使用冲击压路机开发应用的冲击碾压技术有了很大发展，在解决路基工程质量隐患方面有所创新，如有效地减少路基的工后沉降与差异沉降，保证路堤的整体稳定性；对碾压成型路基的路床、路堤进行检验性追加冲碾遍数，提高了路基的整体强度与均匀性；对湿陷性黄土地基或软弱地基进行冲击碾压的填前处理，使地基满足承载力与稳定的要求；对砂石路面、沥青路面、水泥混凝土路面等旧路应用冲击碾压技术进行改建，不但加快施工进度，还能达到工程质量要求。目前除南非蓝派公司、美国 公司生产的冲击压路机外，国内已有个厂家生产冲击压路机，有的厂家已能批量生产供应市场，因而全国已有二十六个省、区、市应用了冲击碾压技术，工程实践表明，正确使用公路冲击碾压技术，其效果明显，能较好地消除路基的潜在工程隐患，提高公路建设质量，应用前景十分广阔。 1 冲击碾压技术 冲击碾压是岩土工程压实技术的最新发展。冲击压路机由牵引车带动非园形轮滚动，多边形滚轮的大小半径产生位能落差与行驶的动能相结合沿地面对土石材料进行静压、搓揉、冲击的连续冲击碾压作业，形成高振幅、低频率的冲击压实原理。目前以25KJ三边形双轮冲击压路机使用最多，其双轮静重12t，行驶最佳速度为12km/h，对地面产生集中冲击力200~250t，相当于1111~1543kPa。据国家海洋局第二海洋研究所在杭金衢高速公路的宕渣、砂砾路基上经25KJ三边形双轮冲击压路机以12km/h速度冲碾30遍后，实测深度0.8、1.5、2.0、2.5m的平均垂直动土压力分别为：1366、306、272、138kPa。这种高能量冲击力周期性连续冲击地面，产生强烈的冲击波，向下具有地震波的传播特性，产生的冲击碾压功能达到超重型击实功，可使地下深层的密实度不断累积增加，满足重型标准90%压实度以上的有效压实厚度视不同土石材料性状达1.0~1.5m，比现有振动压实机械有更好的压实功效，使被冲压的土石填料更接近于弹性状态，显示出克服土石路基隐患的技术优势。15KJ五边形双轮冲击压路机用于层厚0.50~0.75m分层压实及水泥混凝土路面改造施工。 冲击压路机的技术特性决定较现行常规压路机不同的压实工艺，不采用现有压路机压半轮或部分重叠碾压的施工方法，而是以冲击力向土体深层扩散分布的性状，提出新的冲击碾压方法与施工工艺。冲击压路机双轮各宽0.9m，两轮内边距1.17m，行驶两次为一遍，其冲碾宽度4m。每次冲击力按冲碾轮触地面积边缘与地表以45°—φ/2夹角向土体内分布土压力。每遍第二次的单轮由第一次两轮内边距中央通过，形成的理论冲碾间隙双边各0.13m，当第二遍的第一次向内移动0.2m冲碾后，即将第一遍的间隙全部碾压。第三遍再回复到第一遍的位置冲碾，依次进行至最终遍数。冲击压路机向前行驶在纵向冲碾地面所形成的峰谷状态，应以单双两遍为一冲压单元，当双数遍冲压时，调整转弯半径，达到对形成的波峰与波谷进行交替冲碾，使地面峰谷减小，表面接近平整。冲击压路机一般行驶按顺时针与逆时针方向每五遍进行交换作业。各种土石路基冲碾20~40遍可以使路基形成厚1.0~1.5m的均匀加固层。 2 公路冲击碾压的技术效果 1、减小路堤的工后沉降率 通过室内模型试验与现场路堤沉降量试验观测，路基在达到规范要求的压实度时，其工后沉降率为0.4%左右。一般在斜坡地形的路基断面会加大沉降量的差异，若路堤压实层厚度与填料不均匀，压实不足或均匀性不好，受到土石自重压密变形，会形成拉伸与压缩应变区，使差异沉降加大。当两点沉降量梯度大于0.6%以上，有可能产生变形裂缝，山区高填方路基上常见到纵向或横向裂缝。高填方路堤采用冲击碾压技术施工可使工后沉降率接近0.1~0.15%，能较好地避免差异变形所引发的裂缝，这是解决土石高填方路堤变形病害的有效技术措施。 北京八达岭高速公路34m高填方路基填料为风化花岗岩形成的含块石细粒土砂砾，冲击碾压每层压实厚度1m，平均压实度为重型标准95%，路基宽10.5m，两个断面设左、中、右沉降观测点，完工一年后沉降量为：K10+260断面32、37、32mm，路基中心填方高度26.4m，沉降率0.14%；K10+300断面41、41、44mm，路基中心填方高度33.12m，沉降率0.12%。差异沉降量梯度均小于0.1%。表明路堤工后沉降率减小，冲碾密实，有很好的均匀性。广西六水线36m、34m石灰岩填石路堤的振碾与冲压对比观测，施工期沉降量为振碾76cm，冲压22cm，表明冲击碾压的密实度增强。 在国内高速公路振碾达到压实要求的路基上，用冲击压路机对路床进行检验性补压20遍后的平均沉降量为：北京八达岭线5.4cm；河北宣大线3.9cm；福建福泉线5.0~7.0cm；湖南湘耒线3.0~7.2cm；重庆渝黔线4.8~7.3cm；浙江杭金衢线2.0~3.4cm；江西梨温线5.0~6.0cm等。综合分析不同土石路基路床上通过冲击补压20遍后，原耒路基已经达到压实度规定的沉降量为5.0~7.0cm。当沉降量在5.0cm以下，是原路基压实质量优良，如河北宣大黄土路床原耒压实度96%，浙江杭金衢宕渣、砂砾路床级配良好，原耒压实度在97%以上，故冲碾后沉降量在4cm以下。如沉降量超过7.0cm，则原路基压实不足，其压实度未达到要求，或在90区冲击补压时，沉降量也大于7.0cm。对于5m以下路堤经冲击补压后完成的沉降量已超过正常路基可能发生的工后沉降量，保证了路基的稳定性，特别是斜坡地形的路基其技术效果更明显。 2、 提高路基整体强度与均匀性 使用冲击压路机分层冲击碾压高路堤与补压振碾达标路床工程，能较好地提高路基的整体强度与均匀性，有利于避免路面的早期损坏，延长路面的良好服务水平。 北京八达岭花岗岩风化含块石细粒土砂砾路基的路床，经过20遍冲碾后，计算分析地表下1.5m内，用落锤式弯沉仪（FWD）检测，平均弹性模量值由冲碾前180MPa提高到228MPa。 福建泉州工地对路基冲击碾压20遍后，用黄河标准车测弯沉值，补压前平均l。=220（0.01mm），补压后平均l。=183（0.01mm），即冲击碾压前E。=55.7MPa,补压后E。=63.4MPa。 湖南冲击碾压试验段，用解放车测定冲碾20遍前后的弯沉值分别为141（0.01mm）与66(0.01mm)，折算为黄河标准车的弯沉值分别为219(0.01mm)与102(0.01mm)，即平均E。由冲碾前55.9MPa提高到95.1MPa。 福建某高速公路全线路床经25KJ三边形冲击压路机补压，全线建成通车前夕由交通部公路工程检测中心用自动弯沉仪检测，测试里程4个车道总长596公里，74500个数据。K0+000~K66+987代表弯沉平均值5.80(0.01mm)，K66+987~K113+028代表弯沉平均值6.66(0.01mm)，K113+028~~K154+419代表弯沉值8.53(0.01mm)。用整车式平整度测试车检测，测试里程4个车道总长600公里，6000个数据，IRI总平均值为1.21（σ=0.73）。以相同设备检测路面结构与施工条件相同的某连接线10公里，路床未进行冲击补压。检测结果：代表弯沉平均值16.27(0.01mm)；平整度指标IRI平均值1.55（σ=0.93）。对比表明振碾路床经冲击碾压的技术效果明显，提高了路基的整体强度与均匀性，以及路面的服务水平与使用年限。 冲击碾压后路基形成的沉降量，可计算出路基压实度的增加值。按下式计算： S=h(1-Kh/Kh’) 式中：S为沉降量，cm；h为路基压实影响厚度，cm；Kh为原路基压实度，%；Kh’为冲碾后提高的压实度，%。 冲碾20遍后，在正常情况下，1.5m层厚范围内压实度均增加3~5个百分点，由于冲击压路机是路床顶面上全面积的均匀冲碾压实，达到了全路基的直接检验与补充追加压实，在路床顶面以下形成1.0~1.5m连续、均匀、密实的加固层，提高了路基路面的综合强度与稳定性。 3、 特殊土地基的加固处理 通常湿陷性黄土地基较多采取强夯法处理。在宣化至大同高速公路路基底层湿陷性黄土地基采用25KJ三边形冲击压路机在地表面冲碾40遍处理。冲碾40遍后在地表下110cm内土基平均压实度达到Kh=91%，即原来黄土的干密度ρd=1.35g/cm3提高到1.70g/ cm3，其湿陷系数由0.0438降为0.0022，消除了湿陷性。地表下土基1m内平均弹性模量达到80MPa以上。在路基底面下1m内经冲碾压实，形成连续、均匀、密实的加固硬层，其技术指标已经完全符合黄土地基加固的质量要求。在甘肃、宁夏、山西等湿陷性黄土地基采用冲击碾压进行处理，也取得同样加固效果。 京秦高速公路玉田段有长约16公里的软土路段，在K65+800、K66+100用冲击压路机进行了冲击碾压排水固结加固软土地基试验，冲击碾压对软土地基具有加速沉降与加固的作用。软土路段地表填砂砾层厚50cm，插塑料排水板穿透软土层至砂层，平均长15~16m，间距1.5~2m。在砂砾层上填土高度50cm，三天内冲击碾压22遍。监测结果：地面沉降17.4mm，连续沉降17.8，地表下3m深处分层沉降10.1mm，地表下7m深处分层沉降5.0mm。当路基填土达到2.4m时，六天内进行第二次冲击碾压40遍试验。监测结果：地面沉降20.6mm，连续沉降21.4mm，地表下3m处分层沉降12.0mm，地表下7m深处分层沉降5.0mm，地表下12.5m深处分层沉降2.5mm，地表下17m深处分层沉降0.5mm。孔隙水压力在3m深处当碾压18遍时由11.274kPa增加到11.677kPa，当继续碾压达到33遍时，孔隙水压力由11.274kPa增为16.766kPa。以上监测结果表明冲击压路机对地面施加冲击能量，使土体受拉、压作用，软土自由水经塑料排水板排出地表后土体密实度增加，加速了软基的沉降固结。如果在软基上填筑路堤，采用冲击压路机分层碾压工艺，可在施工过程中加快软基的固结速度，有利于软基的沉降固结。 地基土的天然稠度处于0.5~1.0过湿状态，需要进行加固处理，可用冲击碾压结合水稳定性好的粗粒材料垫层综合加固。该垫层厚度按稠度(wc)确定：当1.0＞ wc≥0.9，垫层厚20cm；0.9＞ wc≥0.75，垫层厚30cm；0.75＞ wc≥0. 5，垫层厚50cm。在粗粒料垫层上用冲击压路机碾压20~30遍后，可使地基土表面部分厚度固结，与水稳定性好的粗粒材料形成加固地基或路床。 4、 加快旧路改造施工 当公路升级需要改建旧路时，必须提高路基质量，满足新路等级的压实标准，通常采取开挖路面与路床、路堤，重新回填分层压实，达到规定的压实度，对沥青或水泥路面需要破碎、翻挖与清除。采用冲击碾压技术则不必开挖路面与路基，可以直接在原路面上用冲击压路机进行冲碾施工，使路基达到质量要求，旧路面能得到利用。使用这种新工艺能节约筑路材料，有利于环境保护，保证工程质量，加快改建公路进度。 宁夏盐兴公路改建，将原砂石路面低等公路提高到二级公路，用25KJ三边形双轮冲击压路机直接冲碾旧路，完成试验段后，指导全线施工。低液限粉土段冲碾50遍后：压实度平均值0~30cm处由84.8%提高到97.1%；30~80cm处由85.0%提高到95.3%；80~150cm处由82.5%提高到94.1%。平均沉降量24.5cm。 路基技术指标已达到规范标准，生产路段低液限粉土路基按冲碾50遍施工。粉土质砂段冲碾30遍后：压实度平均值0~30cm处由91.4%提高到97.6%；30~80cm处由90.7%提高到95.6%；80~150cm处由93.5%提高到96.9%。180cm处由91.8%提高到93.9%。平均沉降量11cm 。路基技术指标已达到规范标准，生产路段粉土质砂路基按冲碾30遍施工。经比较冲击碾压比正常工艺施工每公里由15万元降至7万元人民币，减少费用46.7%。 内蒙古包东线原5cm沥青混凝土面层，15cm手摆块石、10cm砂砾垫层，进行改建施工，用25KJ三边形双轮冲击压路机在面层上直接冲击碾压加固路基。冲击碾压50遍后：压实度平均值0~80cm处由86.8%提高到96.4%；80~150cm处由87.3%提高到93.3%；150~200cm处由86.3%提高到90.3%。路基压实度均已达到规范要求。 安徽天长205线高速公路水泥混凝土路面已损坏，需要进行改建。采用15KJ五边形双轮冲击压路机对水泥路面进行冲碾破碎与路基加固。冲击碾压路面在20遍以内，面版呈网状破坏，有一定沉降量，已对路基进行加固，仍保持半刚性基层与原面版的版体作用，对个别土基软弱部分，需进行换填加固处理。经检测与完成技术处理措施后，即加铺高速公路的面层。上下行车道分先后顺序已完成施工。此外，在广东、河南、浙江等地用相同的五边形冲击压路机进行了水泥混凝土路面改建的冲击碾压试验与施工，取得较好的技术效果。 公路升级改建需要加宽修建新路基，特别是二级公路改建为高速公路时，使用冲击碾压技术能较好地解决新老路结合引起的变形裂缝问题。在加宽路基与坡脚外1.0m地基范围内，地基应进行冲击碾压加固处理。如属于前述的特殊土地基，则采用的技术措施与冲击碾压结合进行加固处理。当新加宽路基分层压实到路床后，对新老路结合部与新路床进行了冲击碾压检验性补压，再视完成路基的具体状况，必要时在结合部路床内加铺土工格栅。这样处理后能较好地避免产生因新老路结合所引发的沉降变形裂缝。 3 使用冲击碾压技术的注意事项 1、合理选用机型。目前国内生产的冲击压路机有12个厂家共20个型号，类别繁多，使用不当，很难达到预期的目的。对于路堤、路床的检验性补压与填石、土石混填路堤的分层压实，经全国现有的工程实践证明，宜使用25KJ三边形双轮冲击压路机。对水泥路面改建与土质路堤分层压实，宜使用25KJ五边形双轮冲击压路机。 2、正确使用冲击碾压施工工艺。对于双轮冲击压路机应按通过两次为一遍，压实宽度4m为计算单元，并按前述的施工工艺作业。单轮冲击压路机以通过一次的轮宽为压实计算单位。 3、正确理解冲击碾压有较宽的含水量范围。由于冲击压路机具有高能量的压实功能，相当于超重型击实标准的击实功，达到重型压实度的含水量仅在小于最佳含水量范围内扩大，其大于最佳含水量的范围不会扩大。因此，含水量视土的塑性指数大小，宜控制稠度不小于1.1~1.2。否则厚80~100cm土层冲压会形成弹簧土，无法压实。 4、控制构造物的安全距离。冲击压路机的轮边与构造物应有1m的安全距离。桥涵构造物上填土厚度不少于2.5m。 目前国内冲击压路机主要应用于高速公路土石高路堤的分层冲碾压实，路堤、路床的检验性补压，以及地基加固处理等工程效果较明显的领域。工程机械标委会开始考虑制订冲击压路机系列产品的技术条件。交通部下达制订公路冲击碾压应用技术规范，正在编制中。今后将进一步促进冲击碾压技术的发展。根据冲击压路机的技术特点，冲击碾压对不同土石材料的压实机理尚需进行系统的研究；还可利用冲击碾压技术研究不同自然条件下路基路面整体设计理论与方法；目前针对冲击压路机只能向前行驶的特性，需要开发配套的冲压设备。此外，冲击碾压技术在农业、水利、环境工程等方面也有广阔的应用前景。 参考文献： [1]冲击压路机的发展趋势 贺杰等 工程机械 2002（02） 2002、2 [2]冲击压实技术在路基工程中的应用 杨世基 公路 1999、7(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/9/2006)