基于正交試驗法的路基沖擊碾壓施工參數(shù)優(yōu)化

趙敏　厲廣廣　吳晨夢

摘要：利用正交試驗設(shè)計法研究道路路基松鋪厚度、沖擊碾壓遍數(shù)和間歇時間對沖擊壓實效果的影響，從而對路基沖擊碾壓施工參數(shù)進行優(yōu)化。結(jié)果表明：路基松鋪厚度以80～100 cm為宜；超孔隙水壓力消散與沖壓間歇時間呈正相關(guān)；沖壓間歇時間和碾壓遍數(shù)動態(tài)影響著沖壓效果，建議沖壓施工參數(shù)為連續(xù)沖壓20遍或間歇18 h沖壓15遍。

關(guān)鍵詞：沖擊碾壓；參數(shù)優(yōu)化；正交試驗法；壓實效果

中圖分類號：U416.1文獻標(biāo)志碼：B

Abstract： Orthogonal test was applied to study the impact of loose laying thickness， times of compaction and interval on the effect of impact compaction of subgrade， based on which parameters optimization was conducted. The results show that the loose laying thickness of subgrade should be 80100 cm； dissipation of excess pore water pressure is positively correlated with the interval of impact compaction. Twenty times of continuous impact compact or fifteen times of intermittent compaction within 18 hours is suggested.

Key words： impact compaction； parameter optimization； orthogonal test； compaction effect

0引言

自1995年國內(nèi)開始引入并研制沖擊壓路機以來，中國迅速成為世界沖擊壓路機使用最多的國家，沖擊碾壓技術(shù)得到迅速發(fā)展，在公路、水利電力、機場建設(shè)等方面取得了豐碩成果

[15]。目前，對于沖擊碾壓技術(shù)的研究普遍從沖擊壓路機的工作原理出發(fā)，對沖擊力、沖擊能量以及有效加固深度等方面進行理論推導(dǎo)和計算，得到相應(yīng)公式，運用在具體工程中[68]；通過模型箱試驗、現(xiàn)場試驗等方式對沖擊碾壓技術(shù)在路基、土基工程中的可行性及影響因素進行分析，并對施工參數(shù)進行合理優(yōu)化[

9]；對比沖擊碾壓法與其他壓實法（強夯法、振動法），并進行試驗，研究不同壓實方法在不同工程中的應(yīng)用特性[10]。本文以江蘇某機場跑道工程為依托，利用正交試驗法對影響沖擊碾壓壓實效果的不同因素進行試驗研究，對沖擊碾壓施工參數(shù)進行優(yōu)化。

1試驗準(zhǔn)備

依托工程地處黃泛沖積平原地區(qū)，地形平坦開闊，場區(qū)多為晚更新世地層，飛行區(qū)跑道長2 400 m、寬45 m，兩側(cè)道肩各寬1.5 m。將試驗路劃分為4段，每段長100 m，松鋪厚度分別為60、80、100、120 cm，各斷面沿道路中線及左右兩側(cè)分別為10、20 m，路基表層位置布設(shè)5個沉降觀測點，路基底層以下20、50、80 cm處分別布設(shè)壓實度檢測點共15個。采用CYZ25型沖擊碾壓機施工，其功率為380 kW，勢能為25 kJ，壓實輪重156 t。

2方案設(shè)計

正交試驗法在具有多因素多水平優(yōu)化特征的試驗中有廣泛的適用性，是一種常用的科學(xué)試驗方法?；谡辉囼炘O(shè)計的思想，結(jié)合傳統(tǒng)的簡單比較法，將本文研究的不同影響因素的水平數(shù)設(shè)計為松鋪厚度4個、沖壓間歇時間（超孔隙水壓力消散率）6個、沖壓遍數(shù)5個。試驗方案如下。

（1）在一定沖壓遍數(shù)、間歇時間和不同松鋪厚度時，研究路基的沖壓效果，得出合理的松鋪厚度范圍。

（2）合理的松鋪厚度且沖壓遍數(shù)一定時，研究超靜孔隙水壓力消散率與沖壓間歇時間的關(guān)系。

（3）研究合理松鋪厚度與不同間歇時間、沖壓遍數(shù)的最優(yōu)組合。

3結(jié)果分析

3.1松鋪厚度

由于工程狀況、施工機械、沖壓方式及路線等不同，相關(guān)規(guī)范對沖擊碾壓施工參數(shù)并未作出具體要求，參考規(guī)范給定范圍以及相關(guān)研究成果，選取沖壓速度為10～12 km·h-1，連續(xù)沖壓20遍，研究不同松鋪厚度路基沉降和土體壓實度的變化規(guī)律，計算不同取樣點各參數(shù)均值，結(jié)果見表1。

由表1可知，不同松鋪厚度路基沉降在沖壓20遍后基本穩(wěn)定，松鋪系數(shù)為1.24～1.45。當(dāng)松鋪厚度為60 cm時，松鋪系數(shù)相對較大，壓實度較低，不能滿足工程需要。由于沖擊能量較大，土體中自由水毛細現(xiàn)象明顯，出現(xiàn)部分沖散、翻漿現(xiàn)象，因此當(dāng)松鋪厚度不大于60 cm時，不建議采用沖擊碾壓進行壓實。當(dāng)松鋪厚度為120 cm時，路面平整度一般，部分試驗段沖碾過程中出現(xiàn)跳車現(xiàn)象，綜合經(jīng)濟因素認為，當(dāng)松鋪厚度不小于120 cm時工程實踐意義不大。當(dāng)松鋪厚度分別為80、100 cm時，各檢測點沉降值、壓實度標(biāo)準(zhǔn)差較小，即變化較小，相對穩(wěn)定，且沖壓效果相對良好，不難得出該工況下合理松鋪厚度為80～100 cm。

3.2超孔隙水壓力消散

選取松鋪厚度為90 cm，試驗段道路中線兩側(cè)15 m、埋深為2～8 m處埋設(shè)孔隙水壓力計，在沖壓前、第一個沖壓5遍結(jié)束后以及下一輪沖壓開始前進行檢測，各孔壓計值分別為α、β、γ，間歇時間水平為6n（n=0、1、2、3、4、5）。類比能量消散率，定義超靜孔隙水壓力隨沖壓間歇時間變化的速度梯度為超孔隙水壓力消散率λ，則

λ=γ-ββ-α×100%（1）

以間歇18 h為例，計算得到不同埋深、不同間歇時間超靜孔隙水壓力消散率的變化曲線，如圖1所示。超靜孔隙水壓力消散率具有一定的時空效應(yīng)，消散率隨間歇時間增長而變大，間歇18 h各層消散率均大于70%，間歇30 h各層消散率均達到100%。

3.3間歇時間和沖壓遍數(shù)

將70%以上的超靜孔隙水壓力消散率作為繼續(xù)沖碾的控制標(biāo)準(zhǔn)，選取松鋪厚度為90 cm連續(xù)沖壓、間歇18 h（消散率大于70%）及30 h（消散率大于100%）的情況作為研究對象，從各檢測點的平均沉降量（圖2）和壓實度（圖3）2個指標(biāo)研究不同超靜孔隙水壓力消散率和沖壓遍數(shù)之間的關(guān)系。

由圖2、3可以看出：沉降量隨沖壓遍數(shù)的增大而變大，沖壓15遍前沉降量增速較大，15遍以后增速變緩；沖壓15、20、25遍時，沉降量增長率分別約為15%、5%、1%，且5遍沖壓沉降累計增量不超過10 mm，符合規(guī)范要求；沖壓25遍沉降增長率較小，考慮工程效率，建議該工況下合理的沖壓遍數(shù)為15～20遍。沉降量隨沖壓間歇時間增長而變大，沖壓15遍時，間歇30 h較0、18 h沉降量分別提高了38%、54%。

不同間歇時間的沖壓壓實度隨沖壓遍數(shù)增大先增大后減小，不同間歇時間下壓實度峰值略有不同，穩(wěn)定在15～20遍，不同埋深壓實度值均保持在90%以上，且間歇時間越長壓實度越高。間歇時間0 h連續(xù)沖壓壓實度變化峰值出現(xiàn)在第20遍，而間歇時間分別為18、30 h的沖壓壓實度變化峰值出現(xiàn)在第15遍左右。考慮工程工期及具體壓實度要求，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)拈g歇時間。本工程選擇間歇時間為18 h即可滿足工程需要，在該工況下沖壓的合理施工參數(shù)優(yōu)化組合為：連續(xù)沖壓20遍或間歇時間為18 h沖壓15遍。

此外，對比不同松鋪厚度上中下層土體壓實度不難發(fā)現(xiàn)，中層壓實度相對較大，底層最小，這主要與沖擊碾壓加固原理和沖擊波的傳遞規(guī)律有關(guān)，即路基表層土相對松散，沖擊能量向下傳遞至中層最大，至底層時消減。

4結(jié)語

通過正交試驗法，綜合考慮松鋪厚度、間歇時間、沖壓遍數(shù)對路基沖擊碾壓效果的影響，不難得出以下結(jié)論。

（1）使用沖擊碾壓技術(shù)碾壓路基時，松鋪厚度過小容易出現(xiàn)沖散、翻漿現(xiàn)象，過大則造價高，無應(yīng)用價值，一般認為合理的沖擊碾壓松鋪厚度為80～100 cm。

（2）超靜孔隙水壓力消散率具有一定的時空效應(yīng)，埋深越大，消散越慢，消散率隨沖壓間歇時間增長而增大。間歇時間為18 h左右，消散率達70%以上；間歇時間為30 h時，各層超靜孔隙水壓力消散率均達到100%。

（3）沖擊碾壓壓實效果與沖壓遍數(shù)和間歇時間有關(guān)。沖壓效果在一定范圍內(nèi)隨沖壓遍數(shù)增加而提高，建議合理的沖壓遍數(shù)為15～20遍。間歇時間的增加能夠明顯改善沖壓效果，但是綜合考慮工期等因素，并保證路基壓實度滿足要求下，可以“超靜孔隙水壓力消散率不小于70%”作為判斷開始下一輪沖壓的標(biāo)準(zhǔn)。對于本文依托工程，相對合理的沖壓施工參數(shù)為：松鋪厚度90 cm，連續(xù)沖壓20遍或間歇18 h（超靜孔隙水壓力消散70%以上）沖壓15遍。

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