超厚鋪層壓實(shí)設(shè)備的現(xiàn)狀與應(yīng)用

劉潔+牛春亮+李朋偉+謝娟娟

0 引言

隨著國(guó)家各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展和施工質(zhì)量要求的不斷提高，在道路、高鐵、機(jī)場(chǎng)和水利建設(shè)中超厚層攤鋪、壓實(shí)工藝得到快速推廣和應(yīng)用。超厚層攤鋪壓實(shí)可減小結(jié)構(gòu)物總層數(shù)，有效改善層間結(jié)合，增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)的整體性，提高施工效率，降低施工成本[1]。

一般超厚鋪層的單層厚度為450～800 mm，甚至更厚。目前應(yīng)用于超厚層壓實(shí)的設(shè)備以采用圓周振動(dòng)、垂直振動(dòng)和沖擊3種壓實(shí)方式的壓路機(jī)為主，他們有各自的特點(diǎn)[2-5]。本文將分別對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)原理和工程應(yīng)用等方面探討，以期為實(shí)際工程提供參考。

1 壓實(shí)原理

1.1 圓周振動(dòng)壓路機(jī)

圓周振動(dòng)壓路機(jī)的激振器沿滾輪軸線布置，工作時(shí)振動(dòng)軸上的偏心塊繞中心軸周期性高速旋轉(zhuǎn)，形成圓周方向的激振力，使被壓實(shí)材料處于高頻振動(dòng)狀態(tài)，并降低其內(nèi)摩擦力；此外，在超大噸位壓路機(jī)本身重力和激振力的作用下，對(duì)被壓實(shí)材料施加一定的壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，迫使被壓實(shí)材料的顆粒重新排布、互相嵌鎖，從而提高被壓實(shí)材料的壓實(shí)度（圖1）。

振動(dòng)壓路機(jī)的主要工作參數(shù)是振幅和頻率，振動(dòng)參數(shù)的選擇直接影響振動(dòng)壓路機(jī)整機(jī)性能和壓實(shí)效果。由于被壓實(shí)材料的物理特性復(fù)雜多樣，使得振動(dòng)參數(shù)的選取也較為復(fù)雜。振動(dòng)參數(shù)選取的基本原則是：用于基層壓實(shí)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證其工作振幅，主要修正振動(dòng)頻率；用于路面壓實(shí)時(shí)應(yīng)優(yōu)先保證其振動(dòng)頻率，主要修正工作振幅。

（1）頻率。通常把“壓路機(jī)-土”系統(tǒng)簡(jiǎn)化為具有2個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)。這種二自由度的數(shù)學(xué)模型基本上可真實(shí)地反映“壓路機(jī)-土”系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)。對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，可以得到上、下車振幅隨激振頻率變化的曲線，如圖2所示。

振動(dòng)壓路機(jī)在壓實(shí)作業(yè)過程中，振動(dòng)輪的振幅會(huì)隨著頻率變化而波動(dòng)。為了使振動(dòng)壓路機(jī)上、下車的振幅保持相對(duì)穩(wěn)定，應(yīng)該使振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)頻率略高于二階固有頻率。但是，這種頻率選擇方法在起振與停振時(shí)需快速穿過共振區(qū)。

不同的被壓實(shí)材料具有不同的固有頻率，壓路機(jī)的振動(dòng)頻率應(yīng)依據(jù)被壓實(shí)材料的類型合理選取。實(shí)踐證明，常規(guī)單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)在振動(dòng)頻率為26～33 Hz范圍內(nèi)工作時(shí)，土壤、石料等被壓實(shí)材料均可獲得較好的壓實(shí)效果。

（2）振幅。振動(dòng)輪對(duì)地面的作用力不同于激振力，主要由振幅產(chǎn)生。振幅越大，被壓實(shí)材料顆粒的運(yùn)動(dòng)位移就越大，振動(dòng)輪對(duì)地面的作用力就越強(qiáng)，壓實(shí)能量向地面的傳播越深，從而壓實(shí)效果越好。相對(duì)振動(dòng)頻率而言，振幅的變化對(duì)壓實(shí)效果影響較大，理論上，超大噸位振動(dòng)壓路機(jī)的振幅可取偏高值，以便適應(yīng)超厚鋪層壓實(shí)。

1.2 垂直振動(dòng)壓路機(jī)

垂直振動(dòng)壓路機(jī)鋼輪內(nèi)的激振器上安裝有2組同步反向高速旋轉(zhuǎn)的偏心塊，2組偏心塊各自的離心力在垂直方向上相互疊加，在水平方向上相互抵消，由此產(chǎn)生了僅在垂直方向交變的合力，帶動(dòng)鋼輪在垂直方向上振動(dòng)，即對(duì)土壤產(chǎn)生垂直振動(dòng)作用，如圖3所示。

垂直振動(dòng)壓路機(jī)的主要工作參數(shù)與圓周振動(dòng)壓路機(jī)相同，一般頻率取下限，振幅取上限。

1.3 沖擊壓路機(jī)

沖擊壓實(shí)是一種沖擊和揉搓相結(jié)合的壓實(shí)方法。工作時(shí)，多邊形滾輪在牽引車的牽引下向前滾動(dòng)，滾輪重心上下交替變化，依靠動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)換產(chǎn)生對(duì)地面向下的強(qiáng)大沖擊力，具有夯實(shí)、碾壓和揉搓等綜合作用。與圓周振動(dòng)壓路機(jī)相比，沖擊式壓路機(jī)是將振動(dòng)壓實(shí)的高頻率、低振幅變?yōu)楦哒穹⒌皖l率，壓實(shí)能量較大，增強(qiáng)了壓實(shí)深層效果，如圖4所示。

沖擊壓路機(jī)以靜能量來標(biāo)定壓實(shí)能力，能量計(jì)算公式為

E=GS

式中：E為能量（kJ）；G為滾輪重力（kN）；S為滾動(dòng)過程中重心的運(yùn)動(dòng)距離（m）。

從公式看，沖擊壓路機(jī)的壓輪重量以及形狀直接影響壓實(shí)效果，其中多邊形壓輪內(nèi)外半徑差值越大，沖擊能量越大，壓實(shí)效果越顯著。

2 不同壓實(shí)設(shè)備的試驗(yàn)對(duì)比

2.1 圓周振動(dòng)壓路機(jī)與垂直振動(dòng)壓路機(jī)

為了對(duì)比分析圓周振動(dòng)壓路機(jī)與垂直振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)效果，分別用22 t的2種壓路機(jī)進(jìn)行了壓實(shí)對(duì)比試驗(yàn)（圖5）。

2種壓路機(jī)的振幅均為1.9 mm，頻率均為28 Hz，車速均設(shè)置為3 km·h-1。土槽內(nèi)砂性土壤松鋪厚度為80 cm，翻松后進(jìn)行整平處理，2組試驗(yàn)土壤含水率為12%～14%。試驗(yàn)時(shí)，先靜壓2遍，然后大振12遍。

每壓2遍后在表面以及20、40、60 cm等不同深處取點(diǎn)測(cè)試壓實(shí)度。某2組試驗(yàn)結(jié)果見圖6、7。

由圖6、7可知，與圓周振動(dòng)壓路機(jī)相比，垂直振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)深處的壓實(shí)效果更顯著：在深度相同、壓實(shí)遍數(shù)相同時(shí)，壓實(shí)度可提高1%～2%，說明垂直振動(dòng)壓路機(jī)在超厚壓實(shí)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.2 圓周振動(dòng)壓路機(jī)與沖擊壓路機(jī)

為了對(duì)比分析圓周振動(dòng)壓路機(jī)與沖擊壓路機(jī)的壓實(shí)效果，在某工地進(jìn)行了超厚鋪層壓實(shí)對(duì)比試驗(yàn)（圖8、9）。對(duì)比試驗(yàn)的壓實(shí)條件相同，被壓實(shí)材料為黃土高原當(dāng)?shù)氐狞S土，含水率為10%～14%，鋪層厚度為800 mm。

同等試驗(yàn)條件下進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果證明：與沖擊壓路機(jī)相比，大噸位圓周振動(dòng)壓路機(jī)在深層的壓實(shí)度略低，但壓實(shí)均勻性高；沖擊壓路機(jī)雖然壓實(shí)度高，但壓實(shí)不均勻，壓實(shí)表面呈現(xiàn)波浪狀，容易產(chǎn)生壓實(shí)不夠和過壓實(shí)現(xiàn)象；沖擊壓路機(jī)工作時(shí)因產(chǎn)生沖擊，操作舒適性較差。

3 超厚鋪層壓實(shí)設(shè)備的應(yīng)用

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，各種超厚層壓實(shí)設(shè)備在工程中得到廣泛應(yīng)用。

3.1 沖擊壓路機(jī)在超厚鋪層中的應(yīng)用

在高填方工程中，沖擊壓路機(jī)因其沖擊能量大、深層壓實(shí)效果好，較早應(yīng)用于超厚鋪層壓實(shí)中，雖然壓實(shí)深度不如強(qiáng)夯，但能連續(xù)滾壓，壓實(shí)效率較高，適應(yīng)的材料種類較廣，可壓實(shí)鋪層厚度達(dá)1 m。

某工程為新城建設(shè)項(xiàng)目，根據(jù)規(guī)劃，需將原來的土山挖平，填到河溝中，挖方和填方壓實(shí)后可作為建筑用地。工程建設(shè)采用沖擊壓路機(jī)進(jìn)行超厚層壓實(shí)，作業(yè)對(duì)象為原生黃土，鋪層厚度為800 mm（圖10）。

壓實(shí)前，挖掘機(jī)將山上的土裝入卡車，運(yùn)往待填區(qū)，在待填區(qū)卸掉黃土，用推土機(jī)進(jìn)行初步鋪平，裝載機(jī)或平地機(jī)進(jìn)一步鋪平。壓實(shí)時(shí)，先用沖擊式壓路機(jī)壓實(shí)30遍，保證各層壓實(shí)度；再使用凸塊型壓路機(jī)壓實(shí)2遍，消除沖擊壓實(shí)表面波浪，提高表層壓實(shí)度和壓實(shí)均勻性；最后使用光輪壓路機(jī)壓平1遍，提高表面平整度。工程驗(yàn)收結(jié)果表明：各層壓實(shí)度均滿足要求，但由于壓實(shí)不均勻，壓實(shí)度在95%～100%之間，波動(dòng)較大。

3.2 圓周振動(dòng)壓路機(jī)在超厚鋪層中的應(yīng)用

隨著超厚鋪層施工工藝的推廣，尤其是公路工程中厚鋪層基層施工的廣泛應(yīng)用，大噸位圓周振動(dòng)壓路機(jī)因其良好的超厚壓實(shí)性能和表面平整、均勻的特點(diǎn)成為厚層壓實(shí)設(shè)備中的新秀。大噸位圓周振動(dòng)壓路機(jī)一般噸位大于30 t，甚至重達(dá)39 t，適應(yīng)高鐵、水利大壩和道路建設(shè)中厚鋪層壓實(shí)，具有壓實(shí)深度大、表面均勻平整的明顯優(yōu)勢(shì)。

某水電站建設(shè)工程地處峽谷，設(shè)計(jì)填方高達(dá)140 m，采用鋪層800 mm的工藝壓實(shí)，填方料為粒徑不大于800 mm的碎石（圖11、12）。

壓實(shí)前，用自卸卡車將碎石運(yùn)到填方現(xiàn)場(chǎng)，用推土機(jī)推平。壓實(shí)時(shí)，先用33 t單鋼輪壓路機(jī)靜壓2遍，然后采用大振壓實(shí)10遍。工程驗(yàn)收表明，壓實(shí)度達(dá)98%以上，表面平整、均勻。

3.3 垂直振動(dòng)壓路機(jī)在超厚鋪層中的應(yīng)用

垂直振動(dòng)壓路機(jī)最早應(yīng)用于大壩施工中壓實(shí)碾壓混凝土，隨著垂直振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的深入研究和設(shè)備性能的提升，應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，近幾年已廣泛應(yīng)用于高鐵、道路、機(jī)場(chǎng)和水利大壩施工中。垂直振動(dòng)壓路機(jī)以其獨(dú)特的激振方式實(shí)現(xiàn)了較小噸位和較好壓實(shí)質(zhì)量的兼容。

某工程為鄉(xiāng)村公路，路面寬度為7 m，基層為水泥穩(wěn)定碎石混合料，設(shè)計(jì)虛鋪厚度為500 mm，壓實(shí)后為350 mm（圖13、14）。

攤鋪時(shí)，單臺(tái)攤鋪機(jī)攤鋪寬度為7 m，鋪層厚度為500 mm。壓實(shí)時(shí)，先用雙鋼輪壓路機(jī)靜壓2遍，再用垂直振動(dòng)壓路機(jī)大振壓實(shí)2遍、小振2遍，最后用雙鋼輪壓路機(jī)靜壓2遍。經(jīng)工程驗(yàn)收檢測(cè)，壓實(shí)度約為96%，滿足施工要求。

4 結(jié)語

隨著中國(guó)高鐵、公路、機(jī)場(chǎng)和水利大壩等的持續(xù)建設(shè)，出現(xiàn)了一批超厚鋪層新工藝、新設(shè)備。壓實(shí)作為保證工程質(zhì)量的重要工序，正確選用合適的壓實(shí)設(shè)備意義重大：不但可以保證工程質(zhì)量、節(jié)約施工成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益；而且可以實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能建設(shè)，具有良好的社會(huì)效益。

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