沖擊碾壓法的幾點(diǎn)思考

沈禮偉

【摘要】沖擊碾壓法作為一種高效、經(jīng)濟(jì)的壓實(shí)技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種路基壓實(shí)和軟基處理等領(lǐng)域，并不斷被應(yīng)用于新的領(lǐng)域。軟土地基處理方法包括換填法、強(qiáng)夯法以及沖擊碾壓法等等，而對(duì)沖擊碾壓法的研究有很多。本文通過總結(jié)歸納對(duì)其特點(diǎn)以及研究現(xiàn)狀做了詳細(xì)分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的思考，提出在進(jìn)行地基處理時(shí)的相關(guān)見解。

【關(guān)鍵詞】沖擊碾壓法

一、沖擊碾壓法概述

沖擊碾壓是利用三邊形或五邊形重輪來產(chǎn)生集中沖擊能量對(duì)填筑土石方進(jìn)行壓實(shí)。與傳統(tǒng)的振動(dòng)壓路機(jī)相比，沖擊碾壓將一般碾壓機(jī)具的高頻率、低振幅振動(dòng)改為低頻率、高振幅振動(dòng)，壓實(shí)沖擊能量可增加10倍（以25kJ三邊形沖擊壓實(shí)機(jī)為例），在2m深度內(nèi)壓實(shí)效果明顯。[1]沖擊碾壓也能有效改善淺部土層的強(qiáng)度和承載力特性，明顯提高淺部土層的強(qiáng)度指標(biāo)。

二、研究現(xiàn)狀

沖擊壓實(shí)技術(shù)最早于上世紀(jì)50年代由Aubrey Berrange提出，經(jīng)歷多年研究之后，80年代該技術(shù)趨于成熟。90年代之后該技術(shù)在全世界范圍內(nèi)開始推廣，1995年由南非蘭派公司將這種壓實(shí)設(shè)備傳入我國，引起了我國科技人員的重視，道路與機(jī)場科技等人員對(duì)它經(jīng)歷了從不了解到逐步推廣，直到廣泛應(yīng)用的過程。日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)90年代便將沖擊壓實(shí)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于機(jī)場工程、地基加固、水壩填筑、地基填筑等工程實(shí)踐中，并制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

目前，沖擊壓實(shí)技術(shù)己在我國14個(gè)省、市共60多項(xiàng)工程中得到了應(yīng)用。這些工程在專業(yè)類型方面涉及機(jī)場、道路、水壩等。機(jī)場工程包括香港新赤臘角機(jī)場、首都機(jī)場、廣州白云機(jī)場、重慶萬州機(jī)場、貴州興義機(jī)場、新疆且末機(jī)場和華北某軍用機(jī)場等；在公路方面有八達(dá)嶺高速公路、京珠高速公路、河北宣大高速公路和石黃高速公路、寧夏桃同高速公路、甘肅天蘭高速公路、青海以及新疆東部的西徨、馬平高速公路和西塔公路及平阿公路、陜西地區(qū)的西禹高速公路和陜北地區(qū)的黃延高速公路、廣東莞深高速公路、重慶渝黔高速公路、黑龍江大齊高速公路等高等級(jí)公路。[2]在工程性質(zhì)方面涉及填土壓實(shí)、軟土處理、地基補(bǔ)強(qiáng)、破碎原道面等。在土質(zhì)方面涉及黃土、塊片石、砂土、粘土、軟弱土等。

在黃土地區(qū)，由宣大高速公路所得施工技術(shù)參數(shù)表明，即沖擊碾壓40遍以后，土的干密度增加很少，甚至有稍許減少。不同碾壓遍數(shù)下，深度80cm以上的干密度明顯地低于上部的數(shù)值，160cm處為1.29-1.41g/cm3和天然狀態(tài)的1.29-2.34 g/cm3相差無幾；西惶公路濕陷性黃土地基沖壓處理得到參數(shù)，當(dāng)沖壓遍數(shù)由10遍增加到30遍后，地表下80cm以內(nèi)平均壓實(shí)度明顯提高：而80cm-120cm內(nèi)平均壓實(shí)度提高較小。沖壓前后，孔隙比在80cm以內(nèi)明顯降低：80cm以下無明顯變化。壓縮系數(shù)和壓縮模量的影響深度也在80cm左右。從消除濕陷性來看，80cm深范圍內(nèi)的土體在處理后濕陷性基本消失，80cm之下仍有濕陷性存在。綜合各種指標(biāo)即得沖擊碾壓法在西寧至惶源高速公路濕陷性黃土地基處理的有效影響深度在80cm左右，沖壓遍數(shù)以30遍為宜；馬場垣至平安高速濕陷性黃土地基沖擊碾壓處理的有效影響深度也在80cm左右，而沖壓遍數(shù)以30～40遍為宜。

三、沖擊碾壓法加固原理

土體在壓實(shí)過程中，壓實(shí)機(jī)械所產(chǎn)生的應(yīng)力使一定深度范圍內(nèi)的土體顆粒重新排列并擠密，土的密度和強(qiáng)度隨之提高，土體漸漸由塑性狀態(tài)變?yōu)閺椝苄誀顟B(tài)，直到彈性狀態(tài)。土體只有在彈性狀態(tài)下才一能夠承受一定的荷載而不變形。很顯然，加大作用于土體的沖擊能量，可以增加影響深度，提高土體的密實(shí)度，從而更容易使上體達(dá)到彈性狀態(tài)。沖擊碾壓技術(shù)正是應(yīng)用了這種原理。[3]

沖擊壓實(shí)機(jī)械最顯著的特點(diǎn)是壓實(shí)輪形狀是將傳統(tǒng)圓形輪改為非圓形（三邊形、四邊形或五邊形），這種輪子有一系列交替排列的凸點(diǎn)和沖壓面。在行進(jìn)過程中，由配套的大功率牽引車帶動(dòng)"凸輪"滾動(dòng)前進(jìn)。沖擊壓實(shí)輪的凸點(diǎn)交替抬升與下落。從而在行駛滾動(dòng)中產(chǎn)生集中沖擊能量，同時(shí)輔以滾壓、揉壓的綜合作用，連續(xù)對(duì)土體產(chǎn)生碾壓作用而使土體達(dá)到密實(shí)。

沖擊壓實(shí)機(jī)的三葉凸形輪在輪胎式或履帶式牽引機(jī)車快速的拖動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，其局部面積上發(fā)生了瞬間的豎向振動(dòng)荷載，振動(dòng)荷載向地基快速傳遞能量，傳給地基的能量是由壓縮波（即縱波）、剪切波（s波即橫波）和瑞利波（R波）聯(lián)合傳遞的。體波（壓縮波與剪切波）沿著一個(gè)半球波陣面徑向的向外傳播，而瑞利波則沿著一個(gè)圓柱波陣面徑向地向外傳播。壓縮波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是屬于平行波陣面方向的一種拖拉運(yùn)動(dòng)，這種波使孔隙水壓力增大，同時(shí)還使土粒錯(cuò)位，土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由疏松變?yōu)榫o密；剪切波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)引起和波陣面方向正交的橫向位移；而瑞利波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)則由水平和豎向分量組成。剪切波和瑞利波的水平分量使土顆粒間受剪，導(dǎo)致土的密實(shí)。[4]對(duì)于均質(zhì)各向同性彈性空間表面上豎向振動(dòng)的振源，三種彈性波占總輸入能量的百分比分別為：瑞利波67%，剪切波26%，壓縮被7%。瑞利波占了來自豎向振動(dòng)的總輸入能量的2/3，該波隨距離的增加而衰減，但比體波慢得多，從而對(duì)位于和接近地面的地基土，瑞利波的豎向分量起到松動(dòng)、降低表層土強(qiáng)度的作用，因此，沖擊壓實(shí)后，地基土應(yīng)有強(qiáng)度恢復(fù)期。

四、沖擊碾壓法適用范圍

根據(jù)前人大量的試驗(yàn)研究，地基1.5m深度范圍內(nèi)沖壓后的波速值比沖壓前波速值有明顯提高，表明沖擊碾壓技術(shù)在1.5m深度范圍具有較好的沖壓效果，并在其下約3.0m深度范圍內(nèi)對(duì)地基的壓實(shí)度均有一定的提高和影響。并且沖擊碾壓的壓實(shí)功率大大地超出常規(guī)壓實(shí)機(jī)械，壓實(shí)效果即在較大的深度范圍內(nèi)整體地提高了地基的壓實(shí)度。[5]

宣大公路、西惶公路、馬平公路、西塔公路及平阿公路試驗(yàn)段所展開的沖擊壓實(shí)試驗(yàn)研究表明，采用沖擊壓實(shí)技術(shù)處理路段的壓實(shí)度、濕陷性、沉降量及孔隙比等指標(biāo)均表明，在地基土表面1.2m以內(nèi)，沖壓前后各種指標(biāo)數(shù)值的變化很大，并在沖壓約30遍后，各種指標(biāo)均能達(dá)到要求。而在1.3m以下，沖壓前后各種指標(biāo)數(shù)值的變化很小，并且大多數(shù)不能達(dá)到要求。因而，沖擊壓實(shí)技術(shù)只適合于淺層濕陷性及濕軟性黃土地基的處理，且其有效影響深度一般不超過1.2m，沖壓遍數(shù)以30-40遍左右為宜。但濕陷性可完全消除的深度僅為80cm。為對(duì)振碾的土體進(jìn)行補(bǔ)充沖擊壓實(shí)，定為20遍是比較合適的。補(bǔ)壓的影響深度亦為1.0-1.2m。

五、結(jié)論

首先，國內(nèi)外對(duì)于軟土地基處理中的沖擊碾壓法研究已經(jīng)很多，研究成果豐碩，然而由于各地區(qū)環(huán)境差異較大，土質(zhì)條件等因素決定了沖擊碾壓法在不同地區(qū)不同的效果，需要更多的試驗(yàn)更多的研究。其次，根據(jù)沖擊碾壓法原理，分析了該方法在軟土地基處理中的特點(diǎn)。最后根據(jù)沖擊碾壓法的原理及特點(diǎn)找到該方法對(duì)地址等條件的要求，確定其適用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐超，陳忠青.沖擊碾壓法處理粉土地基試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（2）：389-392.

[2] 范國兵，張震.沖擊碾壓技術(shù)在高速公路軟基處理中的應(yīng)用[J]. 山西建筑，2011（06） ：120-121.

[3] 徐志開.淺談公路路基施工中的沖擊碾壓施工技術(shù)[J]. 科技信息，2011（07）：308-309.

[4] 張周奎，李光明.沖擊式壓路機(jī)在路基壓實(shí)中的應(yīng)用[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2001（6）：37-38.