冲击压实机械在路基压实中的应用.doc

冲击压实机械及其在路基工程中的应用研究（一）
文章来源：
发布日期：2003-9-18

［摘要］本文分析了冲击压实机的压实机械及土工原理，通过在凤嵋路工程中的研究应用，阐明了这种技术在路基补强中的作用。
　　关键词：冲击压实机械；路基工程；应用研究1概论
　　冲击压实机械是一种新式路基压实机械，1997年5月首次在北京八达岭高速公路补强中应用，1997年7月至1998年年底先后在宣大高速公路、福泉厦高速公路、京秦高速公路、湖南湘涞高速公路等高等级公路上使用，取得了较好的工程效果。同时，国内的科研及工程机械单位也开始研制生产，并将产品投放市场，对公路路基压实质量的提高产生了很强的推动作用。为了有效提高公路路基压实度，甘肃省交通厅工程处在凤嵋首次采用这种机械进行路基补强，并完成了48km的一级公路补强工作，结合施工进行试验研究。
　　2机械构成及压实作用原理
　　2.1冲击压实机的主要机械构造组成
　　冲击式压实机主要由“拖架、摇臂、三叶凸形轮”三部分组成，在这三部份之间的相互联结中间设置了多级缓冲结构，牵引轴处采用缓冲弹簧，摇臂限位处采用缓冲橡胶块，另一端采用缓冲油缸和贮能器，冲击轮与拖架之间采用橡胶套连结，摇臂轴处设举升后，冲击轮由拖架上的四个橡胶轮支撑，作为短途转场及跨越桥涵构筑物之用。
　　现国内所使用的冲击压实机多以“三叶形”为主，由轮式及履带式的大马力牵引车拖动，行驶速度9—15km/hr。由于冲击的能量及运行的动力均来自于牵引机械的动力输出，故牵引功率较大，在240—480马力范围内。
　　2.2冲击压实原理
　　冲击压实机三叶形凸轮在滚动过程中，距离轮轴中心最远点（R）着地时使得冲压轮整体重心举升（h）产生势能，加之牵引机械轮按一定速度转动具有了瞬时动能，转化为距轮心最近处（r）着地时的动能冲击地面，达到压实路基的作用。
　　冲击压实机的冲击能量W应为：w＝12mv2（V-冲压轮着地速度）。对于一般路基的非饱和土，冲压轮着地时由于动能释放，在冲压轮下的局部面积（约0.60m×0.80m）产生瞬时的冲击动荷载，向下传递快速挤密深层土颗粒；同时冲击能量以震动波的形式在弹性半空间中传播，使土颗粒相互靠拢，排出孔隙中的气体与水，土颗粒重新排列而挤密压实。
　　由此可见，冲击压实机的压实原理可归类为轻型强夯（20-50KJ），这种夯法结合了压路机连续工作的特点，即把强夯用夯锤一点一点上下夯击方式变连续滚动式的夯击，故有方便简单的特点及较高的工作效率。
　　冲击式压实机的压实功能以其静能量来标定：
E=mgh（KJ）
式中：E—为能量（KJ）；
m—为冲压轮及轮轴等动力部件质量（kg）；
h=R-r（m）；
g为重力常数（9.81m/s2）；
凤嵋工程上采用了20KJ（三边形）、25KJ（三边形）等2种压实机。

表1 2种机械的参数
型号
YCT20
YCT25
自重
12T
15.6T
标定能量
20KJ
25KJ
工作速度
9-12km/hr
10-15km/hr
冲击轮宽度
2×800（mm）
2×900（mm）
外形尺寸
3700×2750×1790
4064×2960×2170
压实厚度
400-1000mm
400-1200mm
压实产量
1500m3/hr
20000m2/hr
牵引机功率
≥160KW（218马力）
≥176KW（240马力）
3冲击压实机的压实功效及经济性能
冲击压实机由于较大地增加了压实功，如25KJ三叶形冲击压实机的压实功是振动压路机的10倍，所以压实影响深度及有效压实度都有成倍增加。据其它方面资料介绍，压实影响深度是5m，有效压实厚度1.00-1.50m,可广泛应用于土石路基的填筑及补强，尤适合于补强(详见下表2)。
表2冲击压实机与强夯、普通压路机的路基适用性、经济指标的对比

冲击压实机
强夯
普通压路机
压实原理
冲击轮滚动产生的动势能转换成冲击路基的动能，压实路基、冲压能量为20-50KJ。压实原理与强夯相同。有效压实深度1-1.50m。
用具有较大势能的重锤(1000-8000KJ)下落转变成动能，对地基产生动荷载及震动波，挤密压实土体。有效加固深度4-15m。
静力压路机为轮下的静压力对路基产生压应力压实土体，有效压实厚度为0.2-0.25m。振动压路机为振动压力波向深层传递，压实路基,有效压实深度0.3-0.5m。
压实工效
工作速度9-15km/hr。每小时可压实面积为：20000m2/hr。按有效压实厚度1.00-1.50m,压实20遍计,压实工效为:1000-1500m3/hr。
每小时的夯实面积为:15-25m2/hr。按轻型强夯加固深度4m计，压实工效为:60-100m3/hr。
工作速度3-6km/hr。按压实厚度0.4m,压实遍数5遍计，压实工效为:240-360m3/hr。
对路基的适用性
适用于路基补强及土方填筑（需普通压路机预压），压实厚度对路基比较合理，施工速度快。最大压实度可超过95%，可形成一层密实硬壳。
仅能适合于路基的原始基础处理及有比较宽工作面的路基处理，施工速度很慢,加固厚度在多数情况有浪费,压实度可超过95%。
适合于各种情况下的路基填筑压实，但须严格按平行作业法分层碾压。最大压实度可达95%。
经济指标
施工单价6元/m2。每套机械单价80-100万元。机械构造简单，维修方便。
施工单价9元/m2。每套机械单价约20-40万元。起吊夯锤的起重量设备利用率较低。
施工单价约3元/m2。每台机械单价约30-50万元。机械可靠性较好，维修较复杂。
　　通过表2的对比分析可看出:冲击压实机是一种比较适合于路基的高效压实机械，综合技术经济指标在高等级公路上优于普通压路机。
　　4在凤嵋路路基补强工程中的研究应用情况
　　为了有效提高路基压实度,确保凤嵋路的路基质量，从1999年8月28日至于12月2日，结合施工选择了4个试验段，对冲击压实的规律进行了一系列的试验研究，限于篇幅本文只以C1试验段结果为例予以介绍。
　　4.1试验段的选择及机械选型
　　4.1.1根据补强施工路段的实际情况、试验任务要求并结合现场各路段施工进展情况，将各试验段选择在无埋设涵洞等构造物的地段。试验段两端留有足够的转弯减速与加速长度。各试验段长度100-200m，全幅宽度25.5m，检测段长度50-100m，宽度15-25m(见表3)。
表3 断面选择
试验段 编号
里程桩号
断面型式
检测断面位置
填挖高度(m)
A3
K1772+360-460
已成型高填路堤
全断面
2.5-2.8
A1
K1772+970-K1773+070
半成型高填路堤
全断面
2.0
C1
K1771+520-620
挖方路基
南侧扩建路基
1.0
C2
K1767+656-766
填方路基
北侧老路基
1.5

南侧新路基
1.8
4.1.2碾压参数和检测次数
　　冲击压实施工机械采用铁道部第二十工程局机械厂制造的YCT-20型冲击压路机，自重12t。两个冲碾轮为三瓣式凹凸轮，冲击能量20KJ。经试验,轮胎式牵引对冲击能量的抵耗过大,本次试验采用的牵引设备为375KW履带式坦克牵引车，碾压机械行驶速度为10-12km/hr。
　　冲碾机械行驶一圈后，根据实测轮迹分析，每个轮瓣产生的轮迹(夯坑)长a=0.7m左右，宽度b=0.8m，双轮外缘总宽2.70m。辗轮每转动一圈前进6.30m左右，产生3个a×b=70×80cm矩形轮迹(夯坑)，碾压第一遍时,前后轮迹中心点纵向排距S1=3，a=2.10m，平行轮迹中心点横向行距S2=2.375，b=1.90m。第二圈右轮迹插入第一圈双轮迹之间时，则形成横向排距S1=0.95，a=0.76m，纵行距S2=1.25，b=0.875m的梅花状轮迹。以此计算25.5m宽度路段冲碾机械理论上行驶约6.7圈为全断面碾压一遍。实际检测与观测试验以冲碾机行驶8圈为一遍，在冲击碾压前原始状态下先检测一次，每8遍64圈为一组进行一次检测与观测，每个试验段共碾压40遍，检测6次。采用多种综合手段进行试验检测,每遍检测内容为：压沉量观测钻孔取样、动力触探、标准贯入、面波、核子密度仪检测、路基回弹模量与弯沉试验。
　　4.2C1试验段检测结果述评
　　C1试验段为挖方路堑段，该地段北半幅为原有公路，南半幅拓宽段在原农田处下挖1.0m左右。已成型路基土为全新统冲积黄土状粉质粘土,含水量在1.0m以上变化为11.9-14.9%,1.0m以下为15.3-17.4%;平均稠度为1.31,属干燥路基,具湿陷性。为保证车流畅通,冲击碾压后检测段布置于南半幅挖方地段,检测段长100m,宽15.0m,在检测区共布设纵向测线4条,压沉量观测点44个。
　　4.2.1补强碾压前路基土的物理力学性质指标
　　将场区内6个钻孔中不同深度所采取的原状样进行室内土工试验,其结果经统计整理见表4。
　　表4补强碾压前路基土的物理力学性质指标(n=6)
深度H(m)
含水量w（%）
容重( (KN/m3
干容重(d(KN/m3
饱和度sr(%)
孔隙率n(%)
孔隙比e0
压缩系数a1-2
压缩模量Es
平均稠度
0-0.3
11.9
21.7
19.4
83.4
28.1
0.418
0.05
26.5
1.55
0.3-0.6
13.2
18.9
16.7
66.8
35.5
0.632
0.09
17.4
1.43
0.6-0.9
14.9
17.9
15.6
53.1
45.3
0.830
0.21
9.4
1.45
0.9-1.2
17.4
18.2
15.5
57.9
42.1
0.729
0.16
10.9
1.13
1.2-1.5
15.5
17.4
15.1
59.0
43.0
0.758
0.21
8.7
1.09
1.5-1.8
15.3
17.6
15.3
58.4
42.9
0.756
0.19
9.3
1.21
4.2.2不同碾压遍数的压实度随深度变化规律
碾压前(0遍)和碾压8、16、24、40遍时各检测点平均干容重及压实度随深度及碾压遍数变化统计结果见表5。
表5干容重及压实度与碾压遍数统计结果
指标/
　 　深度
压实度K/干容重(d (KN/m3)

0遍
8遍
16遍
24遍
40遍

0.0-0.3
0.87/19.4
>1/20.8
>1/22.7
>1/23.3
>1/23.3

(d增长率
7.2
17.0
20.1
20.1

0.3-0.6
0.90/16.7
0.94/17.4
0.98/18.1
0.99/18.4
0.99/18.4

(d增长率
4.44
8.38
10.18
10.18

0.6-0.9
0.84/15.6
0.90/16.7
0.92/17.0
0.96/17.8
0.94/17.4

(d增长率
7.10
8.97
14.1
11.54

0.9-1.2
0.84/15.5
0.83/15.4
0.84/15.5
0.84/15.5
0.84/15.5

1.2-1.5
0.82/15.1
0.81/15.0
0.82/15.2
0.82/15.2
0.82/15.2

1.5-1.8
0.83/15.3
0.85/15.7
0.83/15.3
0.85/15.7
0.84/15.6

检测结果表明：
　　(1)冲碾前采用普通碾压方法施工后，成型路基压实度较低，0-0.6m以上K=0.85-0.90,不能满足规范要求的压实度标准。0.60m以下均小于0.84。
　　(2)冲碾后在0.9m深度内，压实度随碾压遍数增加而增大，深度愈浅，压实度增长幅度愈大。0.9m深度下，压实度随碾压遍数增加没有明显增长。碾压24遍以后，0.9m以上深度路基压实度达到0.95以上的质量标准。说明该试验段冲击碾压有效加固深度0.90m，碾压影响深度1.05m。
　　(3)碾压24遍后,有效加固深度范围内压实度没有明显增长,说明冲击碾压补强施工对挖方路基采用20遍是适宜的。
　　4.2.3路基压沉量随碾压遍数的变化规律
　　碾压前和碾压8、16、24、32、40遍时各测线平均压沉量统计结果见表6。
表6平均压沉量观测结果
断面号
8遍
16遍
24遍
32遍
40遍
累计值
A-A
5.57
3.42
1.49
2.14
2.71
15.33
B-B
6.45
1.34
1.07
2.11
1.71
12.68
C-C
8.83
0.11
1.76
2.58
1.28
14.56
D-D
8.44
-2.27
-0.54
0.36
0.32
6.31
平均值
7.32
0.60
1.02
1.78
1.50

累计值
7.32
7.92
8.94
10.72
12.22

测试结果表明:
　　(1)由于检测段为挖方路堑,路基土天然结构较疏松,冲击碾压后压沉量较大。碾压40遍后，一般最终压沉量累计达12.68-15.33cm。
　　(2)随着碾压遍数的增大，压沉量有不断增大的明显规律，碾压8遍压沉量增长幅度最大，8遍后压沉量增长幅度锐减并渐趋为定值。
　　(3)由于冲击碾压期间时逢降雨，路旁排水渠道积水侧渗导致南道肩含水量增大,邻近南侧路肩D-D一线,在碾压16遍后即已出现反复鼓胀隆起，经冲碾后局部含水量偏高区产生橡皮土。说明冲击碾压可以检验出饱水软弱路基。
　　4.2.4冲击碾压前后路基的水稳定性变化
　　试验区原黄土状粉质粘土具湿陷性，湿陷性土层分布厚度大于2.0m,为评价冲碾补强路基在饱水条件下的稳定性，将采取的冲碾前和冲碾8、16、24、40遍后路基2.0m深度内的原状样进行室内湿陷性试验。将试样在天然湿度下逐级加压至200KPa稳定后浸水，测定其湿陷系数。
表7路基各深度平均湿陷系数δs
深度(m)
0遍
8遍
16遍
24遍
40遍
0.3-0.6
0.003
0.001
0.006
0.004
—
0.6-0.9
0.016
0.020
0.018
0.009
—
0.9-1.2
0.004
0.020
0.026
0.023
—
1.2-1.5
0.018
0.030
0.001
0.030
0.029
1.5-1.8
0.008
0.005
0.037
0.023
0.013
　　试验结果表明，冲碾补强前路基土0.6m以上不具湿陷性，0.6-1.8m深度湿陷系数δs均大于0.015，具轻微湿陷性。经碾压24遍后，0.90m以上地基土的湿陷性消除，说明冲击碾压有效影响深度范围内路基土的水稳性有所提高。0.9m有效影响深度以下，随碾压遍数增加，湿陷系数未见降低趋势。