沖擊壓實(shí)技術(shù)在高速公路土石方路基中的應(yīng)用

賈陸軍

(湖南路橋集團(tuán)通盛有限公司)

0 引 言

沖擊壓實(shí)技術(shù)是 20世紀(jì) 70、80年代在南非發(fā)展成熟并應(yīng)用于工程建設(shè)中的一種新型壓實(shí)技術(shù),在 1996年引入我國(guó)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,物流業(yè)的發(fā)展和城市間的合作更加緊密,公路的交通量日益增長(zhǎng),原有公路的設(shè)計(jì)通行能力不能滿足交通量增長(zhǎng)的需求,在對(duì)路基施工時(shí)要注意施工工藝。在我國(guó)公路施工中,主要用于地基的碾壓和路基的增強(qiáng)補(bǔ)壓,土方路基的分層壓實(shí)應(yīng)用較少。為驗(yàn)證沖擊壓實(shí)施工技術(shù)在土石方路基中的可應(yīng)用性,在某公路段土方路基施工中進(jìn)行了嘗試應(yīng)用,并取得了較好的效果。

1 土石料壓實(shí)特性

(1)土的壓實(shí)特性是指土體在外部壓實(shí)能量作用下,顆?？朔枇?產(chǎn)生位移,相互擠壓靠近,使土的孔隙減小、密度增加、強(qiáng)度提高的特性。

(2)以壓實(shí)為標(biāo)準(zhǔn)的分類法基于土的壓實(shí)性能,直觀、簡(jiǎn)便,便于確定恰當(dāng)?shù)膲簩?shí)方法和適當(dāng)?shù)膲簩?shí)設(shè)備。按以壓實(shí)為標(biāo)準(zhǔn)的分類法,可將土分為巖土填方和帶有大塊石及石塊的粒狀土,砂和砂石料,粉砂、粉質(zhì)土,粘性土四類。

(3)影響壓實(shí)的因素有很多,其中填料本身的因素主要有填料級(jí)配、填料含水量和顆粒間粘聚力等。單位體積土達(dá)到最大干密度所消耗的壓實(shí)能量(擊實(shí)功)可按式(1)計(jì)算

式中:M為擊錘質(zhì)量,kg,輕型法錘質(zhì)量為2.5kg,重型法錘質(zhì)量為4.5kg;g為重力加速度(ms-2);d為落距,m,輕型法落距為0.30m,重型法落距為0.45m;N為每層土的擊實(shí)次數(shù),小試筒對(duì)應(yīng)擊數(shù)為 27,大試筒對(duì)應(yīng)擊數(shù)為 59;n為鋪土層數(shù),輕型法鋪 3層,重型法鋪 5層;V為擊實(shí)筒容積,m3,小試筒容積為 997×10-6m3,大試筒容積為 2177×10-6m3

(4)用細(xì)粒土作填料進(jìn)行填方施工時(shí),應(yīng)將含水量控制在最優(yōu)含水量wopt士(2～3)%范圍內(nèi)。粉質(zhì)土和粘性土用作填料時(shí)須嚴(yán)格控制層鋪厚度和含水量。礫類土或砂類土同時(shí)滿足Cu＞5和Cc=1-3兩個(gè)條件時(shí),可以認(rèn)為填料級(jí)配良好。

(5)對(duì)于混合填料,粗料(粒徑大于5mm)含量是影響填料最大干密度的主要因素。當(dāng)粗料含量為 70%左右時(shí),粗料形成完整骨架,細(xì)料填充空隙,填料壓實(shí)后的干密度值可達(dá)到最大值。

2 沖擊壓實(shí)機(jī)理

沖擊壓路機(jī)是兼具強(qiáng)夯和普通振動(dòng)壓路機(jī)優(yōu)點(diǎn)的一種壓實(shí)機(jī)械,作業(yè)方式是沖擊和滾動(dòng)復(fù)合行為。沖擊壓路機(jī)的沖擊能是由壓路機(jī)輪軸組件的質(zhì)量、壓實(shí)輪向量半徑差所產(chǎn)生的勢(shì)能決定的,可按公式2計(jì)算

式中:E為勢(shì)能,kj;m為沖擊壓實(shí)機(jī)輪軸組件的總質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m/s2;h為輪子的內(nèi)外半徑差值,m。沖擊壓路機(jī)工作機(jī)理見(jiàn)圖 1。

圖1 沖擊式壓路機(jī)工作機(jī)理

沖擊壓路機(jī)的沖擊能以低頻大振幅的方式作用在路基填料中,產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波向深層填土傳播,使疏松的土顆粒變得緊密,小的土顆粒逐漸填充到大的土顆粒孔隙之中,使填料得到壓實(shí),從而達(dá)到快速高效的壓實(shí)路基土的目的,避免由于壓實(shí)度不夠、壓實(shí)不均勻等引起的路基較大變形、路基穩(wěn)定性以及路面開(kāi)裂這些影響交通安全。

3 沖擊壓實(shí)施工工藝

沖擊壓實(shí)的適用范圍:地基沖擊碾壓、土石混填、填石路堤分層沖壓、路基補(bǔ)壓等;要控制好新路基的壓實(shí)質(zhì)量,充分發(fā)揮各種壓實(shí)機(jī)械的工作效率,使施工的路基達(dá)到壓實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)的要求,具體要求如下:

(1)確定不同種類填土的最大干密度和最佳含水率;

(2)檢查控制填土的含水率;

(3)分層填筑,分層壓實(shí);

(4)注意新舊路基結(jié)合處的壓實(shí),舊路加寬新舊路基結(jié)合處是壓實(shí)的死角氣,因此,在壓實(shí)的過(guò)程中盡量使壓路機(jī)往邊部靠,保證結(jié)合帶的壓實(shí),至于壓不到的地方采用人工夯實(shí)或強(qiáng)夯處理,保證路基整體的壓實(shí)度均勻一致;

(5)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)檢查和試驗(yàn)檢測(cè)。

沖擊壓路機(jī)在進(jìn)行沖擊壓實(shí)的過(guò)程中要保證一定的速度進(jìn)行沖擊,否則,速度過(guò)慢或者過(guò)快都會(huì)影響到壓實(shí)效果。在沖擊壓實(shí)的過(guò)程中要嚴(yán)格控制沖擊壓路機(jī)的行駛速度。

沖擊壓路機(jī)壓實(shí)路基時(shí),應(yīng)按照?qǐng)D 2的路線進(jìn)行壓實(shí),這樣可以保證縱向和橫向分別錯(cuò)輪,進(jìn)而保證沖擊地面受到均勻的沖擊壓實(shí),能夠使地基土密度均勻,地基強(qiáng)度提高幅度一致,不會(huì)出現(xiàn)漏沖或過(guò)沖現(xiàn)象。

圖2 沖擊壓實(shí)的沖壓路線

沖擊壓實(shí)對(duì)填料含水率要求低,但為減少由于沖擊在填料表面出現(xiàn)大量細(xì)灰、塵土導(dǎo)致沖擊能量的較多損失,防止壓實(shí)過(guò)程中揚(yáng)灰現(xiàn)象嚴(yán)重影響施工,應(yīng)在施工前用灑水車灑水,保證施工中不揚(yáng)塵即可。沖擊壓實(shí)機(jī)對(duì)深層土體有密實(shí)作用,但由于其沖壓輪產(chǎn)生集中的沖擊力,對(duì)表層土體有所松動(dòng),且易形成高低參差的表面,應(yīng)配合使用平地機(jī)和普通壓路機(jī),進(jìn)一步提高表層土的壓實(shí)度。

4 沖擊壓實(shí)試驗(yàn)研究

選取某高速公路路基作為土石方?jīng)_擊壓實(shí)試驗(yàn)路段,土石方工程量約為 350000m3。

4.1 沖壓試驗(yàn)參數(shù)

沖擊壓實(shí)試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土石方?jīng)_壓試驗(yàn)參數(shù)

4.2 沖壓施工程序

基礎(chǔ)層面處理、測(cè)量層面標(biāo)高、填料含水量及級(jí)配控制、填筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高(厚度控制)、場(chǎng)地平整并測(cè)量填筑后層面標(biāo)高、沖壓、測(cè)量沖壓后標(biāo)高、檢測(cè)試驗(yàn)、沖壓施工質(zhì)量驗(yàn)收、進(jìn)入下一道工序。

關(guān)于填料的質(zhì)量控制內(nèi)容有:如果填料含水量偏大(大于最佳含水量+3%)應(yīng)及時(shí)松動(dòng)晾曬至最佳含水量士 3%以內(nèi);或含水量小于最佳含水量-3%,應(yīng)計(jì)算缺水量,及時(shí)灑水;填料級(jí)配不能達(dá)到要求時(shí),應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整填料級(jí)配;如遇雨天,不應(yīng)進(jìn)行施工。滿足填料含水量、級(jí)配要求和天氣條件時(shí),方可進(jìn)行施工。

關(guān)于填筑表面平整的要求:按5m×5m方格網(wǎng)測(cè)量層面各點(diǎn)標(biāo)高h(yuǎn)i,應(yīng)滿足條件

式中:hi為任意點(diǎn)標(biāo)高;σ為允許偏差,沖壓試驗(yàn)可取5cm;n為方格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);h為n個(gè)標(biāo)高的平均值。

對(duì)于個(gè)別不滿足條件的節(jié)點(diǎn),應(yīng)把以節(jié)點(diǎn)為中心 5m× 5m范圍土刨松5cm,填至設(shè)計(jì)標(biāo)高后(必要時(shí)灑水),使用光輪壓路機(jī)靜碾 1～2遍。

4.3 不同沖擊能量的沖壓試驗(yàn)

沖擊壓實(shí)相當(dāng)于低能量的強(qiáng)夯,沖擊壓實(shí)有效加固深度按式(3)估算

式中:H為有效加固深度,m;α為比例系數(shù);W為沖擊總能量,k。

國(guó)內(nèi)外眾多工程實(shí)例中,有效加固深度公式中的系數(shù) α統(tǒng)計(jì)資料標(biāo)準(zhǔn)不一,故很難取得指定工程和土類型的比例系數(shù),只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值預(yù)估,然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定比例系數(shù)。考慮沖擊壓實(shí)的沖擊能量與強(qiáng)夯不是同一個(gè)數(shù)量級(jí),α可暫時(shí)強(qiáng)夯加固比例系數(shù)的一半,暫取 0.3。在行駛速度為12km·h-1時(shí),按照式(3)計(jì)算,在25kJ沖壓機(jī)有效加固深度約為1.0m,32kJ沖壓機(jī)有效加固深度約為1.2m。以下通過(guò)25kJ沖壓機(jī)對(duì)虛鋪1.0m厚,32kJ沖壓機(jī)對(duì)虛鋪1.2m厚填筑層進(jìn)行沖壓試驗(yàn)。

每沖壓 4遍(2輪次),用灌砂法檢測(cè)填筑層不同深度(表面以下20cm,50cm,80cm)壓實(shí)度及試驗(yàn)小區(qū)平均標(biāo)高,繪制壓實(shí)度與沖壓遍數(shù)關(guān)系曲線見(jiàn)圖 3,表面沉降與沖壓遍數(shù)關(guān)系曲線見(jiàn)圖 4。粉吸收瀝青中的油分,溶脹后均勻分布在瀝青中,使得瀝青整體變軟。

圖3 沖擊壓實(shí)試驗(yàn)——壓實(shí)度與沖壓遍數(shù)關(guān)系曲線

圖4 沖擊壓實(shí)試驗(yàn)——表面累計(jì)沉降與沖壓遍數(shù)關(guān)系曲線

摻量—粘度:粘度是橡膠瀝青首要的技術(shù)性質(zhì),粘度大的瀝青在荷載作用下產(chǎn)生較小的剪切變形,彈性恢復(fù)性能好,與瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有很好的相關(guān)關(guān)系。由試驗(yàn)結(jié)果可知,其規(guī)律性明顯好于針入度和軟化點(diǎn)指標(biāo)。從這個(gè)指標(biāo)看出,膠粉的摻加能夠大大提高瀝青的粘度,而且隨摻量的增加,橡膠瀝青是粘度呈指數(shù)關(guān)系急劇增長(zhǎng),且摻量越大,增大的趨勢(shì)越明顯。

摻量—軟化點(diǎn):重交通瀝青(AH-70)經(jīng)膠粉改性后軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)升高,說(shuō)明其感溫性能得到改善。當(dāng)膠粉摻量為 15%時(shí),與基質(zhì)瀝青相比,其軟化點(diǎn)提高了 7.9℃, 60℃粘度增加了 4.9倍,當(dāng)量軟化點(diǎn)提高了8℃。當(dāng)膠粉摻量大于 15%時(shí),軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)與粘度增長(zhǎng)幅度降低。

摻量—延度:延度值基本基本都在 20～35之間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基質(zhì)瀝青(15℃延度＞100mm)。但是可以看出摻量對(duì)延度有顯著的影響,隨著摻量的增加,橡膠瀝青的延度在增大,但是變化幅度不大。

摻量—針入度指數(shù):在廢膠胎粉摻量較低時(shí)橡膠瀝青的針入度指數(shù)并沒(méi)有得到提高,反而有所降低,只有在較高摻量時(shí)針入度指數(shù)才有所提高,基本上隨摻量的增加而增大,說(shuō)明經(jīng)改性后其溫度敏感性降低了。其摻量—針入度指數(shù)的曲線基本上是一條S形曲線,在10%-20%之間針入度指數(shù)變化明顯,其他情況下隨摻量的增加,針入度指數(shù)的變化都不明顯。膠粉摻量大于 20%時(shí),針入度指數(shù)值基本穩(wěn)定。道路瀝青的針入度指數(shù)要求在 -1.0～1.0范圍內(nèi),因此膠粉摻量在 5%～15%的針入度指數(shù)滿足要求。

摻量—彈性恢復(fù):廢膠胎粉本身是一種良好的彈性材料,瀝青的彈性恢復(fù)能力的提高可以減小荷載作用的殘余變形,減小路面的損壞。彈性恢復(fù)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)改性瀝青性能的新指標(biāo)已備廣泛使用。結(jié)果表明,隨著廢膠胎粉的摻量的增大,彈性恢復(fù)增大。

摻量—短期老化:瀝青老化是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程,它的速率直接影響路面的使用壽命,是影響路面耐久性的主要因素。從薄膜烘箱前后的針入度比可以看出,橡膠瀝青烘箱后的針入度比比基質(zhì)瀝青的值大,且都大于 70%;其烘箱后的橡膠瀝青粘度提高。軟化點(diǎn)比比基質(zhì)瀝青的低,粘度比提高,說(shuō)明橡膠瀝青抗老化能力比基質(zhì)瀝青的強(qiáng)。

摻量—當(dāng)量脆點(diǎn):有資料表明,當(dāng)量脆點(diǎn)作為評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料低溫抗裂性能的指標(biāo)是合理的,與路用性能也有很好的相關(guān)性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,隨著膠粉摻量的增加橡膠瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)明顯降低,在摻量較高時(shí)橡膠瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)低于不摻膠粉瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

上述試驗(yàn)表明,膠粉摻量 15%(膠粉與瀝青質(zhì)量百分比)的改性瀝青的各項(xiàng)性能滿足要求,經(jīng)改良后,粘度增大,施工時(shí)混合料出場(chǎng)溫度宜 175～185℃,初壓溫度宜 165～170℃。采用膠粉改性的基質(zhì)瀝青,可以使其針入度與當(dāng)量脆點(diǎn)降低,軟化點(diǎn)、粘度和當(dāng)量軟化點(diǎn)升高,說(shuō)明其高溫、低溫性能得到一定的改善,并且經(jīng)改良后,其 PI提高,其感溫性降低。橡膠粉作為一種新型能源再生利用材料,具有環(huán)保效益,可以降低噪聲,節(jié)約成本,修建出優(yōu)質(zhì)的瀝青路面。

[1] 天津市建設(shè)管理委員會(huì).天津市廢輪胎膠粉改性瀝青路面技術(shù)規(guī)程(DB/T29-161-2006J10732-2006),2006.

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