沖擊壓實(shí)技術(shù)在路基工程中的應(yīng)用
2011-11-07 來源:中國百科網(wǎng)
1、沖擊壓實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

    振動(dòng)壓路機(jī)的工程實(shí)踐表明,碾壓速度是決定壓路機(jī)面積生產(chǎn)率(m3/h)的重要因素之一,壓實(shí)深度和展層厚度也是影響壓實(shí)效果和壓實(shí)生產(chǎn)率的重要參數(shù)。通常,振動(dòng)壓路機(jī)的最佳碾壓速度為3—6km/h,最佳壓實(shí)層厚度0.3—0.5m。要進(jìn)步壓實(shí)效果和壓實(shí)生產(chǎn)率,增強(qiáng)土石體密實(shí)度,減少土石體自重的壓密沉降變形,必須改進(jìn)壓實(shí)工藝,更新碾壓技術(shù),改變碾壓方式,進(jìn)步碾壓速度的壓實(shí)展層厚度。沖擊壓實(shí)技術(shù)是將當(dāng)前振動(dòng)壓實(shí)的高頻率、低振幅改為高振幅、低頻率,在壓實(shí)作用中較大地增加了對(duì)土石方的壓實(shí)功能。如25KJ三邊形沖擊壓實(shí)機(jī)的沖擊功能較振動(dòng)壓實(shí)機(jī)增加10倍,壓實(shí)影響深度達(dá)5m,有效壓實(shí)厚度由振動(dòng)壓實(shí)的0.20—0.30m,增加為1.00—1.50m,且沖擊壓實(shí)機(jī)的碾壓速度較振動(dòng)壓實(shí)機(jī)進(jìn)步兩倍。通過在國內(nèi)不同地區(qū)與不同土石填方路基的試驗(yàn)工程實(shí)踐已經(jīng)得到證實(shí)。

    沖擊式壓實(shí)機(jī)是用三邊形或五邊形“輪子”來產(chǎn)生集中的沖擊能量達(dá)到壓實(shí)土石填料的目的。沖擊壓實(shí)機(jī)可由配套的重型產(chǎn)業(yè)拖車在前方牽引,也可以自行。

    圖1為沖擊壓實(shí)機(jī)的基本原理。沖擊壓實(shí)機(jī)以其靜能量來標(biāo)定,能量按下式以千焦(爾)計(jì)算:

    E=mgh

    式中:E為能量,千焦?fàn)?,kJ;m為動(dòng)力部件的質(zhì)量,kg;g為重力常數(shù)(9.81m/s2);h為輪子外半徑同內(nèi)半徑的差值,h=R-r,m,見圖1。
    

    目前常用的壓實(shí)機(jī)的有25KJ-T3三邊形和15KJ-T5五邊形兩種壓實(shí)機(jī)。25KJ壓實(shí)機(jī)用于原位碾壓和層厚1m以下填料碾壓以及碾壓質(zhì)量的檢驗(yàn)。15KJ壓實(shí)機(jī)用于層厚50—75㎝的填料碾壓,由于是五邊形輪子,可比25KJ壓實(shí)機(jī)用較少遍數(shù)獲得所需的密實(shí)度。沖擊壓實(shí)機(jī)在土石方壓實(shí)作業(yè)中,突破了傳統(tǒng)的碾壓方式,當(dāng)其一角立于地面,向前碾壓時(shí),產(chǎn)生巨大的沖擊波,由于碾邊順序連續(xù)沖擊地面,可使土體碾壓均勻密實(shí)。該機(jī)以9—12km/h的行駛速度碾壓作業(yè),即沖擊碾每秒鐘沖擊地面兩次,相當(dāng)于低頻大振幅沖擊壓實(shí)土體,并周期性地沖擊地面,產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波向地下深層傳播,具有地震的傳播特性,其壓實(shí)深度可隨碾壓遍數(shù)遞增。25KJ壓實(shí)機(jī)的高能量可對(duì)填料作深層壓實(shí),從而降低土的滲透性,為分層碾壓或填方材料提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在低交通量道路,對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)原位材料的深層壓實(shí)能形成較高強(qiáng)度和穩(wěn)定性,而不必?fù)Q填材料,在多數(shù)情況下,直接修筑底基層和基層就可得到優(yōu)質(zhì)道路。

    檢驗(yàn)?zāi)雺菏菦_擊壓實(shí)工作的一個(gè)重要內(nèi)容,25KJ壓實(shí)機(jī)的高能量給出相當(dāng)于沖擊力達(dá)250t以上的重?fù)?,是一種極為有效的檢驗(yàn)?zāi)雺?。只要用沖擊壓實(shí)機(jī)碾壓10—15遍,所有軟弱的或含水量過多的地方都很輕易發(fā)現(xiàn),再碾壓幾遍就可以補(bǔ)救。高能量沖擊壓實(shí)機(jī)在云南、北京、河北、福建、湖南等省、市有關(guān)工程的沖擊壓實(shí)試驗(yàn)及沖擊碾壓中應(yīng)用,初步以為對(duì)減少路基工后沉降,進(jìn)步路基整體強(qiáng)度及加固軟弱地基較通常碾壓有較大作用,這對(duì)進(jìn)步當(dāng)前高速公路修建質(zhì)量具有現(xiàn)實(shí)意義。

    2、沖擊壓實(shí)減少路基工后沉降

    八達(dá)嶺高速公路路基填料為風(fēng)化花崗巖形成的含塊石細(xì)粒土砂礫,路基填筑采用VV170 40t振動(dòng)壓路機(jī)分層(20㎝一層)碾壓。要求達(dá)到壓實(shí)度93%的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn),下路堤壓實(shí)度90%,補(bǔ)壓沖擊碾壓20遍,均勻下沉量S=5.4㎝,計(jì)算有效壓實(shí)深度1.5m,壓實(shí)度均勻進(jìn)步到95%。路基高度4.5m,則沖擊碾壓完成沉降率為5.4/450=1.2%。采用沖擊碾壓分層(壓實(shí)厚度1.0m一層)高填方路基高34m,每層沖碾前10遍下沉量為5.5—8.5cm,11—20遍下沉2.4—3.0cm,基本上與補(bǔ)壓路基的11—20遍下沉量2.2cm相當(dāng)。

    福建及湖南不同土質(zhì)路基沖擊碾補(bǔ)壓20遍后,在原振動(dòng)壓實(shí)路基達(dá)到規(guī)定的路床壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)時(shí),其下沉量為5—7㎝,并有相當(dāng)部分沉降量大于7㎝,達(dá)8—12cm,則實(shí)測(cè)壓實(shí)度均不符合標(biāo)準(zhǔn)。此外,對(duì)宣大高速公路濕陷性黃土按20cm一層振碾達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)后,再用沖擊壓實(shí)機(jī)沖碾20遍,下沉量為3.9cm;填石路堤經(jīng)50t振動(dòng)壓實(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后,再?zèng)_擊碾壓20遍,下沉4—5cm;當(dāng)高填方路基用沖擊壓實(shí)機(jī)分層碾壓每層20遍,其沉降率可達(dá)到4%—5%,可較好地解決高路堤的工后差異沉降題目。

    3、沖擊壓實(shí)進(jìn)步路基整體強(qiáng)度

    云南臨滄碎石路堤采用沖擊壓實(shí)施工,經(jīng)灌砂法測(cè)定干密度,路床頂面下80cm內(nèi)均勻干密度ρd=2.136g /cm3,均勻壓實(shí)度kh=100.5%;80—150cm均勻干密度ρd=2.051g/cm3,均勻壓實(shí)度kh=96.5%。壓實(shí)度較規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)步3.5%—5.5%,在0—150cm內(nèi)完成的下沉量為6.92cm。

    八達(dá)嶺花崗巖風(fēng)化含塊石細(xì)粒土砂礫路基,經(jīng)過20遍沖擊壓實(shí)后,計(jì)算分析地表下1.5m內(nèi),用落錘式彎沉儀(FWD)檢測(cè),均勻彈性模量值由沖碾前的180MPa進(jìn)步到228MPa。

    福建泉州工地用沖擊碾補(bǔ)壓20遍后,用黃河標(biāo)準(zhǔn)車測(cè)彎沉值,其補(bǔ)壓前ι0=220(0.01mm),補(bǔ)壓后ι0=183(0.01mm),按E0=2430ι0-0.7式計(jì)算,沖擊碾壓前E0=55.7 MPa,補(bǔ)壓后E0=63.4 MPa。

    湖南沖擊壓實(shí)試驗(yàn)段,用解放車測(cè)定沖擊碾壓20遍前后的彎沉值分別為141(0.01mm)與66(0.01mm),折算為黃河標(biāo)準(zhǔn)車的彎沉值分別為218.8(0.01mm)與102.4(0.01mm),按E0=2430×ι0-0.7式計(jì)算,均勻由沖碾前55.9 MPa進(jìn)步到95.1 MPa。

    不同土石路基通過沖擊補(bǔ)壓20遍后,不但強(qiáng)度有所進(jìn)步,而且使原來振動(dòng)壓實(shí)達(dá)到路床壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的路基下沉5—7cm,假如下沉量超過7cm,則原有壓實(shí)度不足;同時(shí)沖碾20遍后,在1.5m層厚范圍內(nèi)壓實(shí)度均增加3%—5%。由于沖擊碾是路床頂面上全面積的均勻沖碾壓實(shí),達(dá)到了全路基的直接檢驗(yàn)與補(bǔ)充追加壓實(shí),達(dá)到了全路基的直接檢驗(yàn)與補(bǔ)充追加壓實(shí),在路床頂面以下1.5m形成連續(xù)、均勻、密實(shí)的加固層,進(jìn)步了路基路面的綜合強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

    4、沖擊壓實(shí)加固軟弱地基

    通常濕陷性黃土地基較多采取強(qiáng)夯法處理。在宣化到大同高速公路路基底層濕陷性黃土地基采用25KJ—T3沖擊壓實(shí)機(jī)在地表面沖碾40遍處理。并檢測(cè)地基下沉量、干密度、濕陷系數(shù)、彈性模量等指標(biāo)。沖碾40遍后在地表下110cm內(nèi)土基均勻壓實(shí)度達(dá)到kh=91%,即原來黃土的干密度ρd=1.35g/cm3進(jìn)步到1.70g/cm3,其濕陷系數(shù)由0.0438降為0.0022,消除了濕陷性。地表下土基1m內(nèi)均勻彈性模量達(dá)到80 MPa以上。在路基底面下1m內(nèi)經(jīng)沖碾壓實(shí),形成連續(xù)、均勻、密實(shí)的加固硬層,其技術(shù)指標(biāo)已完全符合黃土地基加固的質(zhì)量要求。

    京秦高速公路玉田段有長(zhǎng)約16km的軟土路段,1997年4—8月在K65+800、K66+100用沖擊壓實(shí)機(jī)進(jìn)行了沖擊碾壓排水固結(jié)加固軟土地基試驗(yàn),沖擊碾壓對(duì)軟土地基具有加速沉降與加固的作用。軟土路段地表填砂礫層厚50cm,插塑料排水板穿透軟土層至砂層,均勻長(zhǎng)15—16m,間距1.5—2m。在砂礫層上填土高度50cm,4月30—5月2日沖擊碾壓22遍。監(jiān)測(cè)結(jié)果:地面沉降17.4mm,連續(xù)沉降17.8mm,地表下3m深處分層沉降10.1mm,地表下7m深處分層沉降5.0mm。當(dāng)路基填土達(dá)2.4m時(shí),8月18—24日進(jìn)行第二次沖擊碾壓40遍試驗(yàn)。監(jiān)測(cè)結(jié)果:地面沉降20.6mm,連續(xù)沉降21.4mm,地表下3m深處分層沉降12.0mm,地表下7m深處分層沉降5.0mm,地表下12.5m深處分層沉降2.5mm,地表下17m深處分層沉降0.5mm。孔隙水壓力在3m 深處當(dāng)碾壓18遍時(shí)由11.274kPa增加到11.677kPa,此時(shí)下雨停止碾壓兩天,孔隙水壓力由11.67kPa降為11.274kPa,當(dāng)繼續(xù)碾壓達(dá)33遍時(shí),孔隙水壓力由11.274kPa增為16.766kPa,7m以下深度孔隙水壓力未發(fā)生變化。以上監(jiān)測(cè)結(jié)果表明沖擊壓實(shí)機(jī)對(duì)地面施加沖擊能量,使土體受拉、壓作用,軟土自由水經(jīng)塑料排水板排出地表后土體密實(shí)度增加,加速了軟基的沉降固結(jié)。假如在軟基上填筑路堤,采用沖擊壓實(shí)機(jī)分層碾壓工藝,可在施工過程中加快軟基的固結(jié)速度,有利于軟基的沉降固結(jié)。

    5、填石路堤施工工藝的改進(jìn)

    填廠材料的特性變化很大,為使施工路堤工后沉降達(dá)到最小,應(yīng)壓實(shí)到理想結(jié)果。通常石料的級(jí)配越好,壓實(shí)所能達(dá)到的密實(shí)度和彈性模量就越高。填石材料的沉降是由材料特性(石料類型、級(jí)配、最大石料粒徑和外形)和壓實(shí)處理(碾壓機(jī)型、攤展厚度和碾壓遍數(shù))決定的。石料特性和壓實(shí)過程是相互聯(lián)系的,必須同一考慮,特別是在填方較厚或填方厚度急劇變化的地方,更應(yīng)考慮二者的同一性。

    碎石路堤采用50t以上振動(dòng)壓實(shí)機(jī)分層碾壓,碾壓遍數(shù)按碾壓下沉值即是零并穩(wěn)定不變時(shí)確定。由于碎石含量不同,其擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度也不同,碎石填料的最大干密度需要由>5mm的碎石含量與最大干密度曲線來確定。并采用灌砂法、表面波壓實(shí)密度儀檢測(cè)壓實(shí)度是否達(dá)到規(guī)定值。

    塊石路堤由于塊石粒徑較大,經(jīng)50t以上振動(dòng)壓實(shí)機(jī)分層碾壓至下沉值為零后,每層厚1.5—2.0m再用25KJ—T3沖擊壓實(shí)機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)性補(bǔ)壓20遍,如下沉量在5—7cm,表明原來的碾壓合格。塊石路堤直接使用25KJ—T3型沖擊壓實(shí)機(jī)施工,效率高,速度快,三邊形雙輪以12km/h速度能集中產(chǎn)生250t沖擊荷載,連續(xù)壓實(shí)路堤深層部位的石塊。這種高振幅、低頻率的沖擊能量對(duì)路堤分層均勻碾壓后,可使石塊之間嵌鎖密實(shí),填石體承受沖擊荷載所產(chǎn)生的沉降變形遠(yuǎn)大于填石路堤建成后自重與外荷引起的變形沉降,避免路堤出現(xiàn)引起路面產(chǎn)生裂縫的差異變形沉降。根據(jù)填石工程與施工特點(diǎn),采用沖擊壓實(shí)配套設(shè)備壓實(shí)效果最好。沖擊壓實(shí)的施工工藝要求如下。

    (1)填石施工控制。

    填石的粒徑及級(jí)配在開采料場(chǎng)控制,施工單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采用洞室松動(dòng)爆破,光面爆破或小型爆破,要求填石料符合以下指標(biāo):最大粒徑<500㎜,不均勻系數(shù)Cu>5(Cu=d60/d10),曲率系數(shù)Cc=1—3,[Cc=(d30)2/(d10×d60)]。

    (2)填石層厚控制。

    填石路堤位于水平地形時(shí),壓實(shí)層厚度100cm;填石路堤在斜坡地帶時(shí),壓實(shí)層厚度80cm。松展系數(shù)一般為1.15—1.20。

    (3)壓實(shí)沉降值控制。

    沖擊碾壓若干遍后,壓實(shí)沉降值趨于穩(wěn)定,同時(shí)結(jié)合落錘式彎沉儀的測(cè)定值進(jìn)行分析,綜合確定需要碾壓的遍數(shù),及其相應(yīng)的壓實(shí)沉降控制值。

    (4)填石施工。

    石方填筑的關(guān)鍵是要達(dá)到要求的級(jí)配分布。這就需要采用末端法。這種方法保證使最大的石塊居于每層的底部,而較細(xì)的顆粒則居于頂部。它能確保最佳的的嵌鎖和壓實(shí)力的傳遞。同時(shí),提供一個(gè)不會(huì)致使壓實(shí)碾輪及橡膠輪胎的牽引機(jī)在行進(jìn)過程中受損的表面。該方法需要在填筑層末真?zhèn)€頂部用卡車傾卸,然后用推土機(jī)從末端將填料推進(jìn)下面的層,使其與正在填筑的一層推成同樣的高度。

    6、填石路堤的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

    規(guī)定采用50t以上振動(dòng)壓路機(jī)或沖擊壓實(shí)機(jī)碾壓,可以進(jìn)步填石路堤的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn),具體規(guī)定見表1。

    表1 壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

    路堤頂面以下深度/cm 重型擊實(shí)壓實(shí)度%

    0——150 95

    150以下 93

    將原壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)在80cm以下至150cm,由93%增至95%,150cm以下由90%增至93%,可以較大地減少路堤工后沉降。按下式計(jì)算:

    S=h(1-kh/kh′)

    式中:S為下沉量,cm;h為路高,cm;kh為原標(biāo)準(zhǔn)的壓實(shí)度,%;kh′為進(jìn)步后的壓實(shí)度,%。

    現(xiàn)以10m填石路堤為例,進(jìn)步壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)后在施工中完成增加的下沉量S為:

    S=70×(1-93/95)+850×(1-90/93)=28.9cm

    當(dāng)采用沖擊壓實(shí)機(jī)分層碾壓,則壓實(shí)度還可進(jìn)步3%—4%,以增加3%計(jì),10m路堤沖擊碾壓后增加的下沉量為31.2cm。若僅在路床頂面沖擊補(bǔ)壓20遍,增加的均勻下沉量為6cm。這樣填石路堤碾壓已經(jīng)完成的工后沉降量已大大超過原來的工后沉降量,從而避免了路基差異變形沉降的發(fā)生。

    壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的最大干密度對(duì)于碎石路堤,采用重型擊實(shí)試驗(yàn),按>5mm的碎石含量與最大干密度曲線來確定。

    對(duì)于塊石路堤,按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ051—93)T0133表面振動(dòng)壓實(shí)儀法確定塊石填料的最大干密度。
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