冲击压实技术在路基工程中的应用

作者：交通部公路科学研究所 杨世基

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, ... 摘要：分析冲击压实机理，结合工程实例，表明冲击压实技术具有减少路基工后沉降、提高路基整体强度及加固软弱地基的作用。 关键词：路基工程 冲击碾压 冲击压实机 1、冲击压实技术的特点 振动压路机的工程实践表明，碾压速度是决定压路机面积生产率（m3/h）的重要因素之一，压实深度和铺层厚度也是影响压实效果和压实生产率的重要参数。通常，振动压路机的最佳碾压速度为3—6km/h，最佳压实层厚度0.3—0.5m。要提高压实效果和压实生产率，增强土石体密实度，减少土石体自重的压密沉降变形，必须改进压实工艺，更新碾压技术，改变碾压方式，提高碾压速度的压实铺层厚度。冲击压实技术是将当前振动压实的高频率、低振幅改为高振幅、低频率，在压实作用中较大地增加了对土石方的压实功能。如25KJ三边形冲击压实机的冲击功能较振动压实机增加10倍，压实影响深度达5m，有效压实厚度由振动压实的0.20—0.30m，增加为1.00—1.50m，且冲击压实机的碾压速度较振动压实机提高两倍。通过在国内不同地区与不同土石填方路基的试验工程实践已经得到证实。 冲击式压实机是用三边形或五边形“轮子”来产生集中的冲击能量达到压实土石填料的目的。冲击压实机可由配套的重型工业拖车在前方牵引，也可以自行。 图1为冲击压实机的基本原理。冲击压实机以其静能量来标定，能量按下式以千焦（尔）计算： E=mgh 式中：E为能量，千焦尔，kJ；m为动力部件的质量，kg；g为重力常数（9.81m/s2）；h为轮子外半径同内半径的差值，h=R-r，m，见图1。 目前常用的压实机的有25KJ-T3三边形和15KJ-T5五边形两种压实机。25KJ压实机用于原位碾压和层厚1m以下填料碾压以及碾压质量的检验。15KJ压实机用于层厚50—75㎝的填料碾压，由于是五边形轮子，可比25KJ压实机用较少遍数获得所需的密实度。冲击压实机在土石方压实作业中，突破了传统的碾压方式，当其一角立于地面，向前碾压时，产生巨大的冲击波，由于碾边顺序连续冲击地面，可使土体碾压均匀密实。该机以9—12km/h的行驶速度碾压作业，即冲击碾每秒钟冲击地面两次，相当于低频大振幅冲击压实土体，并周期性地冲击地面，产生强烈的冲击波向地下深层传播，具有地震的传播特性，其压实深度可随碾压遍数递增。25KJ压实机的高能量可对填料作深层压实，从而降低土的渗透性，为分层碾压或填方材料提供坚实的基础。在低交通量道路，对施工现场原位材料的深层压实能形成较高强度和稳定性，而不必换填材料，在多数情况下，直接修筑底基层和基层就可得到优质道路。 检验碾压是冲击压实工作的一个重要内容，25KJ压实机的高能量给出相当于冲击力达250t以上的重击，是一种极为有效的检验碾压。只要用冲击压实机碾压10—15遍，所有软弱的或含水量过多的地方都很容易发现，再碾压几遍就可以补救。高能量冲击压实机在云南、北京、河北、福建、湖南等省、市有关工程的冲击压实试验及冲击碾压中应用，初步认为对减少路基工后沉降，提高路基整体强度及加固软弱地基较通常碾压有较大作用，这对提高当前高速公路修建质量具有现实意义。 2、冲击压实减少路基工后沉降 八达岭高速公路路基填料为风化花岗岩形成的含块石细粒土砂砾，路基填筑采用VV170 40t振动压路机分层（20㎝一层）碾压。要求达到压实度93%的压实标准，下路堤压实度90%，补压冲击碾压20遍，平均下沉量S=5.4㎝，计算有效压实深度1.5m，压实度平均提高到95%。路基高度4.5m，则冲击碾压完成沉降率为5.4/450=1.2%。采用冲击碾压分层（压实厚度1.0m一层）高填方路基高34m，每层冲碾前10遍下沉量为5.5—8.5cm，11—20遍下沉2.4—3.0cm，基本上与补压路基的11—20遍下沉量2.2cm相当。 福建及湖南不同土质路基冲击碾补压20遍后，在原振动压实路基达到规定的路床压实度标准时，其下沉量为5—7㎝，并有相当部分沉降量大于7㎝，达8—12cm，则实测压实度均不符合标准。此外，对宣大高速公路湿陷性黄土按20cm一层振碾达到压实标准后，再用冲击压实机冲碾20遍，下沉量为3.9cm；填石路堤经50t振动压实达到标准后，再冲击碾压20遍，下沉4—5cm；当高填方路基用冲击压实机分层碾压每层20遍，其沉降率可达到4%—5%，可较好地解决高路堤的工后差异沉降问题。 3、冲击压实提高路基整体强度 云南临沧碎石路堤采用冲击压实施工，经灌砂法测定干密度，路床顶面下80cm内平均干密度ρd=2.136g /cm3，平均压实度kh=100.5%；80—150cm平均干密度ρd=2.051g/cm3，平均压实度kh=96.5%。压实度较规定的标准提高3.5%—5.5%，在0—150cm内完成的下沉量为6.92cm。 八达岭花岗岩风化含块石细粒土砂砾路基，经过20遍冲击压实后，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的180MPa提高到228MPa。 福建泉州工地用冲击碾补压20遍后，用黄河标准车测弯沉值，其补压前ι0=220（0.01mm），补压后ι0=183（0.01mm），按E0=2430ι0-0.7式计算，冲击碾压前E0=55.7 MPa，补压后E0=63.4 MPa。 湖南冲击压实试验段，用解放车测定冲击碾压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218.8(0.01mm)与102.4(0.01mm)，按E0=2430×ι0-0.7式计算，平均由冲碾前55.9 MPa提高到95.1 MPa。 不同土石路基通过冲击补压20遍后，不但强度有所提高，而且使原来振动压实达到路床压实标准的路基下沉5—7cm，如果下沉量超过7cm，则原有压实度不足；同时冲碾20遍后，在1.5m层厚范围内压实度均增加3%—5%。由于冲击碾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，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1.5m形成连续、均匀、密实的加固层，提高了路基路面的综合强度与稳定性。 4、冲击压实加固软弱地基 通常湿陷性黄土地基较多采取强夯法处理。在宣化到大同高速公路路基底层湿陷性黄土地基采用25KJ—T3冲击压实机在地表面冲碾40遍处理。并检测地基下沉量、干密度、湿陷系数、弹性模量等指标。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80 MPa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，其技术指标已完全符合黄土地基加固的质量要求。 京秦高速公路玉田段有长约16km的软土路段，1997年4—8月在K65+800、K66+100用冲击压实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，4月30—5月2日冲击碾压22遍。监测结果：地面沉降17.4mm，连续沉降17.8mm，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2.4m时，8月18—24日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深处分层沉降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，此时下雨停止碾压两天，孔隙水压力由11.67kPa降为11.274kPa，当继续碾压达33遍时，孔隙水压力由11.274kPa增为16.766kPa，7m以下深度孔隙水压力未发生变化。以上监测结果表明冲击压实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，采用冲击压实机分层碾压工艺，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。 5、填石路堤施工工艺的改进 填厂材料的特性变化很大，为使施工路堤工后沉降达到最小，应压实到理想结果。通常石料的级配越好，压实所能达到的密实度和弹性模量就越高。填石材料的沉降是由材料特性（石料类型、级配、最大石料粒径和形状）和压实处理（碾压机型、摊铺厚度和碾压遍数）决定的。石料特性和压实过程是相互联系的，必须统一考虑，特别是在填方较厚或填方厚度急剧变化的地方，更应考虑二者的统一性。 碎石路堤采用50t以上振动压实机分层碾压，碾压遍数按碾压下沉值等于零并稳定不变时确定。由于碎石含量不同，其击实试验的最大干密度也不同，碎石填料的最大干密度需要由＞5mm的碎石含量与最大干密度曲线来确定。并采用灌砂法、表面波压实密度仪检测压实度是否达到规定值。 块石路堤由于块石粒径较大，经50t以上振动压实机分层碾压至下沉值为零后，每层厚1.5—2.0m再用25KJ—T3冲击压实机进行检验性补压20遍，如下沉量在5—7cm，表明原来的碾压合格。块石路堤直接使用25KJ—T3型冲击压实机施工，效率高，速度快，三边形双轮以12km/h速度能集中产生250t冲击荷载，连续压实路堤深层部位的石块。这种高振幅、低频率的冲击能量对路堤分层均匀碾压后，可使石块之间嵌锁密实，填石体承受冲击荷载所产生的沉降变形远大于填石路堤建成后自重与外荷引起的变形沉降，避免路堤出现引起路面产生裂缝的差异变形沉降。根据填石工程与施工特点，采用冲击压实配套设备压实效果最好。冲击压实的施工工艺要求如下。 （1）填石施工控制。 填石的粒径及级配在开采料场控制，施工单位根据现场情况采用洞室松动爆破，光面爆破或小型爆破，要求填石料符合以下指标：最大粒径＜500㎜，不均匀系数Cu＞5（Cu=d60/d10），曲率系数Cc=1—3，[Cc=（d30）2/(d10×d60)]。 （2）填石层厚控制。 填石路堤位于水平地形时，压实层厚度100cm；填石路堤在斜坡地带时，压实层厚度80cm。松铺系数一般为1.15—1.20。 （3）压实沉降值控制。 冲击碾压若干遍后，压实沉降值趋于稳定，同时结合落锤式弯沉仪的测定值进行分析，综合确定需要碾压的遍数，及其相应的压实沉降控制值。 （4）填石施工。 石方填筑的关键是要达到要求的级配分布。这就需要采用末端法。这种方法保证使最大的石块居于每层的底部，而较细的颗粒则居于顶部。它能确保最佳的的嵌锁和压实力的传递。同时，提供一个不会致使压实碾轮及橡胶轮胎的牵引机在行进过程中受损的表面。该方法需要在填筑层末端的顶部用卡车倾卸，然后用推土机从末端将填料推入下面的层，使其与正在填筑的一层推成同样的高度。 6、填石路堤的压实标准 规定采用50t以上振动压路机或冲击压实机碾压，可以提高填石路堤的压实标准，具体规定见表1。 表1 压实标准 路堤顶面以下深度/cm 重型击实压实度% 0——150 95 150以下 93 将原压实度标准在80cm以下至150cm，由93%增至95%，150cm以下由90%增至93%，可以较大地减少路堤工后沉降。按下式计算： S=h(1-kh/kh′) 式中：S为下沉量，cm；h为路高，cm；kh为原标准的压实度，%；kh′为提高后的压实度，%。 现以10m填石路堤为例，提高压实标准后在施工中完成增加的下沉量S为： S=70×（1-93/95）+850×（1-90/93）=28.9cm 当采用冲击压实机分层碾压，则压实度还可提高3%—4%，以增加3%计，10m路堤冲击碾压后增加的下沉量为31.2cm。若仅在路床顶面冲击补压20遍，增加的平均下沉量为6cm。这样填石路堤碾压已经完成的工后沉降量已大大超过原来的工后沉降量，从而避免了路基差异变形沉降的发生。 压实标准的最大干密度对于碎石路堤，采用重型击实试验，按＞5mm的碎石含量与最大干密度曲线来确定。 对于块石路堤，按《公路土工试验规程》（JTJ051—93）T0133表面振动压实仪法确定块石填料的最大干密度。 参考文献 1 公路路基施工技术规范（JTJ 033-95）。 2 公路土工试验规程（JTJ 051-93）。 3 公路填石路堤压实标准与检测方法（研究报告）。交通部公路科学研究所，1998。 (end)

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