沖擊碾壓法在路基增強(qiáng)補(bǔ)壓中的應(yīng)用與參數(shù)優(yōu)化

趙敏，厲廣廣，王宇

（1.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安710032；2.江蘇嘉隆工程建設(shè)有限公司，江蘇宿遷223800）

沖擊碾壓法在路基增強(qiáng)補(bǔ)壓中的應(yīng)用與參數(shù)優(yōu)化

趙敏1，厲廣廣1，王宇2

（1.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安710032；2.江蘇嘉隆工程建設(shè)有限公司，江蘇宿遷223800）

從能量角度分析沖擊能量與沖擊碾壓速度的關(guān)系，依托路基增強(qiáng)補(bǔ)壓沖擊碾壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在試驗(yàn)段不同分段不同埋深設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)沉降量、含水率、壓實(shí)度等指標(biāo)對(duì)不同沖碾遍數(shù)和速度下路基壓實(shí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：土體壓實(shí)效果在一定范圍內(nèi)隨沖碾速度和遍數(shù)的增加而增強(qiáng)，超過(guò)這一范圍則效果有所減弱，試驗(yàn)工況下合理的沖碾?yún)?shù)為以11～12 km/h的速度沖碾15～20遍，其中11 km/h+20遍、12 km/h+15遍為最優(yōu)組合；對(duì)比同一斷面不同檢測(cè)指標(biāo)，該沖碾方式下道路中心壓實(shí)效果略遜于兩側(cè)，建議對(duì)道路中心適當(dāng)增壓1～2遍。

沖擊碾壓法；路基；增強(qiáng)補(bǔ)壓；沖碾?yún)?shù)

沖擊碾壓技術(shù)引入我國(guó)的20余年中，在機(jī)場(chǎng)道路、高速公路等路基、地基工程中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的效果，引發(fā)了巖土工程界對(duì)沖擊碾壓的研究熱潮［1］。張曉玉等［2］對(duì)沖擊壓路機(jī)的壓實(shí)機(jī)理和影響因素進(jìn)行了分析，通過(guò)試驗(yàn)研究了沖碾遍數(shù)與沉降量、壓實(shí)度的關(guān)系。何永明等［3］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)沖壓試驗(yàn)分析了不同沖擊遍數(shù)對(duì)沉降量、彎沉值、壓實(shí)度的影響，驗(yàn)證了沖擊碾壓法施工在路基工程中的可行性。廉慶國(guó)等［4］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)沖碾試驗(yàn)對(duì)德商高速公路低液限黏土地基的施工給出了合理的碾壓遍數(shù)和沖碾?yún)^(qū)域的有效加固深度。周勇等［5］研究振動(dòng)碾壓和沖碾2種不同碾壓條件下不同松鋪厚度對(duì)應(yīng)的路基沉降和孔隙率的關(guān)系，并給出合理的碾壓方法和碾壓遍數(shù)。胡昌斌等［6］通過(guò)土壓力傳感器對(duì)不同沖碾遍數(shù)、沖壓線路、行駛速度下路基的豎向和側(cè)向動(dòng)土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，更為直觀地反映出各控制量的變化規(guī)律。陳忠清等［7］利用自行研制的沖擊碾壓模擬試驗(yàn)設(shè)備研究沖碾加固效果與沖擊輪質(zhì)量和牽引速度的關(guān)系，探討了牽引速度的最佳值。

以上研究結(jié)果表明，沖擊碾壓法在地基和路基施工中具有良好的適用性，相對(duì)于傳統(tǒng)的振動(dòng)碾壓法，其壓實(shí)效率更高，影響深度更大，合理的碾壓遍數(shù)能夠使得壓實(shí)效果事半功倍。此外，沖碾速度也是影響沖擊壓實(shí)效果的主要因素之一。目前的研究主要集中在沖碾遍數(shù)上，對(duì)于沖碾速度的研究相對(duì)較少。本文主要

1　能量分析

沖擊輪重心位置提升產(chǎn)生的勢(shì)能、轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能以及滾動(dòng)克服土體變形所做的功共同組成了沖擊壓路機(jī)的動(dòng)力。

假設(shè)：①地基或路基為完全彈性；②沖擊壓路機(jī)勻速行駛；③不考慮沖擊輪轉(zhuǎn)動(dòng)其他能量損失［8］。在此假設(shè)下對(duì)沖碾過(guò)程從能量角度做簡(jiǎn)化分析。

當(dāng)沖擊輪處在最高位置時(shí)沖擊勢(shì)能E0最大，表示為

式中：m為沖擊輪自身質(zhì)量；v為水平?jīng)_擊速度；h為沖擊輪重心高差；W為沖擊輪轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)能。

假設(shè)沖擊輪重心離地距離e近似等同其回轉(zhuǎn)半徑R，則

式中：J0和ω0分別為沖擊輪質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度。

沖擊輪重心從最高點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到最低點(diǎn)的瞬間，假設(shè)勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，此時(shí)，沖擊能量

由此可見(jiàn)，沖擊能量與沖碾速度的平方成正比，沖碾速度的適當(dāng)增加，能夠很大程度上增強(qiáng)沖擊能量，即沖碾速度對(duì)沖擊壓實(shí)效果的影響較為明顯。

2　試驗(yàn)分析

2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

依托江蘇省道改擴(kuò)建工程，選取新建路段K4+ 900—K5+100為試驗(yàn)段，經(jīng)取樣送檢得到該路段土體最大干密度為1.72 g/cm3，天然含水率11.5%～14.3%，最佳含水率13.5%。采用中鐵20局工程機(jī)械廠生產(chǎn)的YCT20型沖擊壓路機(jī)，其沖擊輪單輪寬度0.8 m，整機(jī)質(zhì)量12 t，配合使用QCY360型266 kW牽引車(chē)。

2.2試驗(yàn)方案

沿試驗(yàn)段縱向每40 m布置1個(gè)檢測(cè)斷面。沿?cái)嗝鏅M向布置3個(gè)沉降檢測(cè)點(diǎn)，分別位于道路中線及中線兩側(cè)8 m位置；沿?cái)嗝尕Q向布置3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，地面以下每25 cm布置1個(gè)。通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)地表沉降量、壓實(shí)度、土體含水率等進(jìn)行檢測(cè)，以反映路基壓實(shí)效果。土的回填松鋪厚度為60 cm。

將試驗(yàn)段等分5個(gè)分段，沖擊壓路機(jī)在各分段保持勻速行駛，速度分別為9，10，11，12，13 km/h，采用《公路沖碾應(yīng)用技術(shù)指南》中A類(lèi)沖碾線路，即從路基一側(cè)向另一側(cè)沿道路中心線由外向內(nèi)對(duì)稱(chēng)循環(huán)沖碾，每5遍改變沖壓方向，并對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)地表沉降量、土體壓實(shí)度、含水率進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)。各指標(biāo)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)如下：沖碾最后5遍的沉降量不得大于1 cm；地基表層內(nèi)30 cm土體含水率在ωop-3%～ωop+2%范圍內(nèi)［9］。其中，ωop為最佳含水率。碾壓面下有效影響深度范圍內(nèi)土的壓實(shí)密度≥90%。

2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)5個(gè)試驗(yàn)分段各檢測(cè)點(diǎn)，每沖碾5遍檢測(cè)記錄1次，直至沖碾25遍，共測(cè)得沉降數(shù)據(jù)5組，土體含水率數(shù)據(jù)6組（含未沖碾），壓實(shí)度18組（含未沖碾）。

2.3.1沉降量

為分析不同沖碾速度和遍數(shù)的壓實(shí)效果，測(cè)得不同檢測(cè)斷面3個(gè)沉降檢測(cè)點(diǎn)沉降量的平均值，見(jiàn)表1。相同碾壓遍數(shù)不同沖碾速度下沉降增量變化情況見(jiàn)表2。相同沖碾速度不同沖碾遍數(shù)下沉降增量變化情況見(jiàn)表3。

由表1、表2、表3可知：

1）當(dāng)沖碾速度為11～13 km/h，沖碾遍數(shù)為15～25遍時(shí)，其5遍沉降量差值均不超過(guò)10 mm，滿(mǎn)足檢測(cè)指標(biāo)要求。建議沖碾的合理速度和遍數(shù)分別取11～13 km/h，15～25遍。

表1　不同沖碾速度和遍數(shù)實(shí)測(cè)沉降量的平均值mm

表2　相同碾壓遍數(shù)不同沖碾速度下沉降增量變化情況

表3　相同沖碾速度不同沖擊碾壓遍數(shù)下沉降增量變化情況

2）相同沖碾遍數(shù)時(shí)，隨著沖碾速度的增長(zhǎng)，各斷面檢測(cè)點(diǎn)沉降值先增大后減小，增長(zhǎng)速率呈增大→減小→增大的趨勢(shì)。其中沖碾速度為11～12 km/h時(shí)沉降變化較小，相對(duì)穩(wěn)定，則11～12 km/h為最佳沖碾速度。

3）相同沖碾速度時(shí)，隨著沖碾遍數(shù)的增加，各斷面檢測(cè)點(diǎn)沉降值始終保持增長(zhǎng)并最終趨于穩(wěn)定，其增長(zhǎng)速率逐漸減小。其中沖碾20遍左右（15～25遍），沖碾產(chǎn)生的沉降變化相對(duì)穩(wěn)定，則20遍左右為最佳沖碾遍數(shù)。

綜上所述，僅從沉降量的變化規(guī)律，可判斷該路段以11～12 km/h的沖碾速度碾壓20遍左右，能夠取得較好的壓實(shí)效果。

此外，由沖碾20遍時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，該試驗(yàn)段路基松鋪系數(shù)為1.21～1.25。

2.3.2含水率

對(duì)地基表層下25 cm處不同斷面檢測(cè)點(diǎn)土體進(jìn)行取樣，以烘干法測(cè)得不同檢測(cè)點(diǎn)的含水率。同一斷面3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)土體含水率平均值隨沖碾速度和遍數(shù)變化情況見(jiàn)表4。

表4　不同沖碾速度和遍數(shù)土體含水率平均值%

由表4可見(jiàn)：沖碾15遍以前，含水率變化明顯，負(fù)增長(zhǎng)率較大，15遍以后含水率變化趨于穩(wěn)定，即單純?cè)黾記_碾遍數(shù)對(duì)土體含水率的改善不再明顯；沖碾速度＜12 km/h時(shí)，含水率減小較快，13 km/h時(shí)減小較慢，甚至出現(xiàn)含水率逆增加的現(xiàn)象。這主要是因?yàn)闆_碾速度過(guò)快，沖擊能量較大，破壞土體結(jié)構(gòu)，使得地下毛細(xì)水上涌，因此沖碾速度不宜過(guò)快。實(shí)踐證明［2］以（97%～102%）ωop來(lái)判斷沖碾含水率合理范圍可行，則該路段土體壓實(shí)含水率的合理取值范圍為13.10%～13.77%，不難得出相對(duì)合理的沖碾?yún)?shù)為11～12 km/h，15～20遍。

2.3.3壓實(shí)度

以同一斷面同一深度3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的壓實(shí)度平均值為縱坐標(biāo)，沖碾速度為橫坐標(biāo)，參考以上章節(jié)結(jié)論選取沖碾遍數(shù)為15，20，25計(jì)3組數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，考慮不同深度壓實(shí)度的變化，繪制土體壓實(shí)度隨沖碾速度變化曲線，見(jiàn)圖1。以沖碾遍數(shù)為橫坐標(biāo)，以某一沖碾速度（12 km/h）為研究對(duì)象，考慮不同深度壓實(shí)度的變化，繪制壓實(shí)度隨沖碾遍數(shù)變化曲線，見(jiàn)圖2。

圖1　不同沖碾遍數(shù)不同埋深下壓實(shí)度隨沖碾速度變化曲線

圖2　不同埋深下壓實(shí)度隨沖碾遍數(shù)變化曲線

對(duì)比圖1可知：在不同沖碾遍數(shù)下隨沖碾速度增長(zhǎng)路基壓實(shí)度變化趨勢(shì)一致，均先變大后減小。11～12 km/h對(duì)應(yīng)壓實(shí)度增長(zhǎng)率較?。?2.7%～1.1%），其中沖碾15遍，壓實(shí)度峰值出現(xiàn)在12 km/h附近，而沖碾20～25遍時(shí)，沖碾速度保持在11 km/h左右，壓實(shí)度最高。在有效影響深度范圍內(nèi)，以11～12 km/h沖碾速度沖碾15～20遍路基壓實(shí)度均保持在90%以上，符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于本工程，建議合理的沖碾?yún)?shù)選取11 km/h碾壓20遍左右或12 km/h碾壓15遍左右。

由圖2可知，在12 km/h沖碾速度下隨沖碾遍數(shù)增加，路基土體壓實(shí)度先增大而后減小，沖碾15～20遍時(shí)各檢測(cè)點(diǎn)壓實(shí)度均＞90%，變化較小趨于穩(wěn)定。當(dāng)沖碾遍數(shù)超過(guò)20遍時(shí)，壓實(shí)度明顯開(kāi)始減小，這是因?yàn)槁坊馏w在不斷沖碾作用下產(chǎn)生了疲勞現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，穩(wěn)定性下降。由此可見(jiàn)，沖碾遍數(shù)不宜過(guò)多，對(duì)于本工程建議沖碾15～20遍為宜。

2.3.4不同檢測(cè)指標(biāo)

參考以上章節(jié)結(jié)論，選取沖碾速度11 km/h，沖碾20遍工況下，同一斷面不同檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果做對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表5。其中1～3依次為道路中線左側(cè)8 m、道路中線、右側(cè)8 m處各指標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)。

表5　同一斷面不同檢測(cè)點(diǎn)各指標(biāo)檢測(cè)值對(duì)比

由表5可見(jiàn)：對(duì)比不同檢測(cè)點(diǎn)，各指標(biāo)檢測(cè)值變化不大，即沖碾效果均勻，方式相對(duì)合理。檢測(cè)點(diǎn)2相對(duì)檢測(cè)點(diǎn)1，3的沉降量和壓實(shí)度略小，含水率略大。這主要與沖碾行駛線路、沖壓邊角的處理及碾壓沖擊輪錯(cuò)輪、重疊有關(guān)。在實(shí)際工程中有必要研究同一斷面不同位置的沖碾效果，以便更好地指導(dǎo)沖碾。在本工程中，建議道路中線位置可在合理運(yùn)行速度不變的情況下適當(dāng)增加1～2遍沖碾遍數(shù)。

3　結(jié)論

研究了路基增強(qiáng)補(bǔ)壓中沖碾各參數(shù)組合和沖碾效果之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

1）沖擊碾壓法在路基增強(qiáng)補(bǔ)壓中效果較為明顯，能夠降低土體的滲透性，增強(qiáng)路基密實(shí)度和穩(wěn)定性，提高承載力，尤其是在高等級(jí)道路中具有良好的適用性。沖擊碾壓法的壓實(shí)有效深度相對(duì)較大，對(duì)不同深度土體壓實(shí)效果良好，能夠較好地增強(qiáng)路基的整體性，避免路基各層發(fā)生不均勻變形，影響道路的使用壽命。

2）沖擊能量與沖碾速度的平方成正比，沖碾速度對(duì)沖擊壓實(shí)效果較為明顯。但并非沖碾速度越快越好，本工程建議合理的沖碾速度為11～12 km/h。沖碾遍數(shù)增加在一定范圍內(nèi)能夠有效地改善壓實(shí)效果，本工程建議合理的沖碾遍數(shù)為15～20遍。具體對(duì)應(yīng)不同沖碾?yún)?shù)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，如以12 km/h的沖碾速度運(yùn)行，沖碾遍數(shù)宜采用15遍左右，而以11 km/h的沖碾速度運(yùn)行，沖碾遍數(shù)宜采用20遍左右。

3）不同沖碾線路及錯(cuò)輪方式對(duì)同一斷面不同位置的碾壓效果不同，在本工程中道路兩側(cè)的碾壓效果要略?xún)?yōu)于道路中線，因此可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)道路中線適當(dāng)增加1～2遍。

［1］陸新.沖擊碾壓技術(shù)在填土地基處理中的應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6（5）：990-994.

［2］張曉玉，湯振周.沖擊壓路機(jī)在高速公路填方路基中的應(yīng)用［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011（11）：39-42.

［3］何永明，王勇，弓福.哈五公路路基沖擊碾壓試驗(yàn)分析［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011（1）：43-45.

［4］廉慶國(guó)，錢(qián)紅梅.德商高速公路低液限黏土地基沖擊碾壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2013（10）：70-71.

［5］周勇，吳立堅(jiān)，劉升傳.新建高速公路高填石路基碾壓試驗(yàn)研究［J］.公路，2010（2）：71-74.

［6］胡昌斌，袁燕.沖擊碾壓改建路面施工對(duì)路基動(dòng)力作用的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32（3）：745-752.

［7］陳忠清，徐超，呂越.沖擊碾壓加固砂土模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2011，36（增2）：525-531.

［8］DEREK A.Impact Rolling in the Spectrum of Compaction Technique Sand Equipment［C］//Earthworks Seminar Proceedings.Adelaide：Australia Geomechanics Society，2004：1-4.

［9］交通部公路科學(xué)研究院.公路沖碾應(yīng)用技術(shù)指南［M］.北京：人民交通出版社，2006.

Application and Parameter Optimization of Impact Rolling Method in Additional Compaction of Subgrade

ZHAO Min1，LI Guangguang1，WANG Yu2
（1.School of Civil&Architecture Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an Shaanxi 710032，China；2.Jiangsu Jialong Engineering Construction Co.，Ltd.，Suqian Jiangsu 223800，China）

T he relationship between impact energy and impact rolling speed in terms of energy was analyzed，the detection points were set in different depth segments of the test section based on field test of impact rolling method in additional compaction subgrade，the subgrade compaction effect with different impact rolling time and speed were evaluated by the indicators including the settlement，water content and compaction degree.T he results show that the soil compaction effect increases with the impact rolling speed and time increasing within a certain range and the effect reduces a little beyond this range，the reasonable range of impact rolling parameters is 15～20 times with the speed of 11～12 km/h under test conditions，optimal combination of which are 11 km/h+20 times and 12 km/h+15 times，and the compaction effect of road center is slightly lower than the effect of both sides in such impact rolling way compared with the different detection index of the same section，which suggested that 1～2 times should be added for impact rolling of road center.

Impact rolling method；Subgrade；Additional compaction；Impact rolling parameter

U416.1

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.25

1003-1995（2016）09-0100-04從能量的角度對(duì)沖碾速度與沖碾壓實(shí)效果之間的關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，并以江蘇一省道改擴(kuò)建工程路基增強(qiáng)補(bǔ)壓施工為依托，通過(guò)試驗(yàn)給出合理的沖碾遍數(shù)和速度，為類(lèi)似工程提供參考。

（責(zé)任審編趙其文）

2016-03-06；

2016-06-23

趙敏（1970—），女，教授，碩士。