超重噸位、超大激振力壓路機(jī)在路基填筑中的應(yīng)用

李 德 軍， 姚 坤

(中國水利水電第十工程局有限公司 第二分局，四川 成都 610072)

1 概 述

振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)是目前土石方填筑壓實(shí)中最常見的一種技術(shù)，它是通過振動(dòng)壓路機(jī)的往復(fù)作用，使被壓實(shí)材料的顆粒在振動(dòng)沖擊作用下，由初始的靜止?fàn)顟B(tài)過渡到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使被壓實(shí)材料之間的摩擦力也由初始的靜摩擦狀態(tài)過渡到動(dòng)摩擦狀態(tài)。受壓的填筑材料在非密實(shí)的狀態(tài)下存在許多大小不等的間隙，在振動(dòng)沖擊作用下，土顆粒產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)并且相互填充達(dá)到密實(shí)的目的。振動(dòng)壓實(shí)的特點(diǎn)是表面應(yīng)力不大，加載頻率大，過程短。振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)和振動(dòng)壓實(shí)機(jī)械的產(chǎn)生也是壓實(shí)施工技術(shù)的一項(xiàng)突破性科技進(jìn)步，振動(dòng)壓實(shí)已成為最常用的填筑壓實(shí)方式。

目前，為了保證路基的壓實(shí)度，除加強(qiáng)填料及施工過程質(zhì)量控制外，使用普通壓路機(jī)(20 t或22 t)碾壓后在路基頂層和高填方路段采用塔吊式強(qiáng)夯法或非圓式?jīng)_擊法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)以減少路基工后沉降，保證路基的強(qiáng)度及整體的穩(wěn)定性。但由于以上兩種補(bǔ)強(qiáng)施工方法受效率低、單價(jià)高、對場地要求高、轉(zhuǎn)場困難、操作要求高、橫向擠壓變形大、密實(shí)度不均勻、施工工藝復(fù)雜等特性的影響，實(shí)際施工過程中已成為擺設(shè)，難以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。另外，路基采用塔吊式強(qiáng)夯法或非圓式?jīng)_擊法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)只是一種特定時(shí)期(即機(jī)械技術(shù)和液壓技術(shù)都無法實(shí)現(xiàn)制造超重噸位超大激振力的壓路機(jī))的特殊辦法。

近年來，隨著科技水平的不斷進(jìn)步，振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量、頻率區(qū)間、振動(dòng)幅度越來越大，激振力也隨之不斷增大。這些技術(shù)的革新勢必給振動(dòng)壓路機(jī)帶來深刻影響。超重噸位、超大激振力壓路機(jī)的問世對降低施工成本、保證填筑質(zhì)量、提高壓實(shí)效率具有顯著效果。因此，研究超重噸位、超大激振力振動(dòng)壓路機(jī)對填筑體的壓實(shí)情況有利于指導(dǎo)土石方填筑施工。

成都天府新區(qū)興隆湖環(huán)湖道路工程挖填方量大，最大挖深為10 m，最深填方為9 m，總填方量約200萬m3，路基土石方填筑工期為4個(gè)月。由于土石方填筑施工需待地基處理施工完成后方可開始，并且施工期跨雨季，實(shí)際用于填筑施工的工期只有不到3個(gè)月的時(shí)間，導(dǎo)致土石方填筑施工工期緊，任務(wù)重。為保證在較短的工期內(nèi)完成所有土石方填筑且其壓實(shí)度需滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，同時(shí)，在高填方區(qū)域宜先進(jìn)行施工，以便于路基自然沉降、沉降均勻及自然沉降小。因此考慮在高填方段選用碾壓質(zhì)量好、速度快、對填筑體具有補(bǔ)強(qiáng)效果的壓實(shí)機(jī)械，可以將正常碾壓與填筑補(bǔ)強(qiáng)施工進(jìn)行合理的結(jié)合，既能保證施工速度，又能有效減小工后沉降量。項(xiàng)目部結(jié)合國內(nèi)機(jī)械發(fā)展?fàn)顩r及同類工程施工經(jīng)驗(yàn)，最終選用36 t超重噸位、超大激振力的壓路機(jī)作為土石方填筑的壓實(shí)機(jī)械。

2 生產(chǎn)性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

填筑材料：該區(qū)域位于蘇碼頭背斜南東翼，籍田向斜北西翼，區(qū)內(nèi)出露巖層為白堊系灌口組(K2g)泥巖及夾關(guān)組(K2j)砂巖，為單斜構(gòu)造。

(1)灌口組(K2g)。

泥巖：暗(淺)紫紅色。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，近水平波狀層理發(fā)育，層理面局部充填薄層乳白色石膏；敲擊聲啞，局部裂隙較發(fā)育，可見灰白色礦物。根據(jù)其風(fēng)化程度可劃分為兩個(gè)亞層：①強(qiáng)風(fēng)化泥巖：泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石結(jié)構(gòu)已大部分破壞，構(gòu)造層理不清晰。巖體被節(jié)理、裂隙分割成塊狀，屬軟巖。巖質(zhì)較軟，用小刀易切削。②中等風(fēng)化泥巖：泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石結(jié)構(gòu)基本完整。節(jié)理面附近的巖石已風(fēng)化成土狀，風(fēng)化裂隙較發(fā)育。巖質(zhì)較硬，巖體結(jié)構(gòu)基本完整，構(gòu)造層理較清晰，錘擊易碎。巖芯較完整，多呈短柱狀～柱狀，柱長一般為5～20 cm，屬較軟巖。該層本次勘察未揭穿。

(2)夾關(guān)組(K2j) 。

砂巖：該組地層巖性以青灰色～黃灰色中厚層狀砂巖為主，局部夾薄層磚紅色泥巖或砂質(zhì)泥巖，泥巖厚度小，一般為10～20 cm；該組地層發(fā)育厚度大，為細(xì)粒結(jié)構(gòu)，近水平層理較發(fā)育，成分以巖屑、長石為主，泥質(zhì)膠結(jié)為主，強(qiáng)度較低。根據(jù)其風(fēng)化程度可劃分為兩個(gè)亞層：①強(qiáng)風(fēng)化砂巖：主要礦物成分為為粉砂，含少量黏土礦物及膠結(jié)物，顆粒狀結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造。風(fēng)化裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面不清晰，巖芯破碎，呈碎塊狀，手捏易碎，干鉆可鉆進(jìn)。錘擊聲啞無回彈，有凹痕，易破碎，浸水后可掰開，屬軟巖。局部夾一定厚度的中等風(fēng)化砂質(zhì)。②中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖：主要礦物成分為粉砂，含少量黏土礦物及膠結(jié)物，顆粒狀結(jié)構(gòu)，薄層～中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育一般，呈短柱狀或長柱狀，巖質(zhì)軟，部分巖石被節(jié)理、裂隙分割，呈塊狀。裂隙中充填少量風(fēng)化物，屬較軟巖?；鶐r頂板埋深0.2～8 m，與上覆第四系地層呈不整合接觸。

測試內(nèi)容：動(dòng)土壓力與分層沉降。

檢測內(nèi)容：壓實(shí)度、含水量以及壓實(shí)沉降量(以下簡稱壓沉量)。

設(shè)計(jì)規(guī)范要求：路基碾壓時(shí)應(yīng)水平分層碾壓處理，每層虛鋪厚度應(yīng)與壓實(shí)機(jī)具相適應(yīng)。碾壓之前，應(yīng)注意將填土的含水量控制在最佳含水量左右。壓實(shí)度要求依據(jù)《成都市城市道路瀝青路面道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(2011年版)：填方路槽以下80 cm深度內(nèi)路基壓實(shí)度必須大于95%，80 cm到150 cm范圍內(nèi)不低于93%，150 cm以下不低于92%，零填方或挖方路槽下0～30 cm范圍內(nèi)壓實(shí)度不低于95%，30 cm到80 cm范圍內(nèi)不低于95%。

2.2 試驗(yàn)方案

(1)原地面碾壓。先對試驗(yàn)選定的原地面進(jìn)行碾壓，其壓實(shí)度及平整度需符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，保證試驗(yàn)區(qū)塊位于堅(jiān)實(shí)的土層上。試驗(yàn)區(qū)塊尺寸為100 m×25 m。

(2)安裝第1層傳感器。試驗(yàn)區(qū)域分4個(gè)區(qū)塊，每一區(qū)塊尺寸為20 m×15 m，安裝時(shí)按要求對傳感器、導(dǎo)線及PVC管進(jìn)行保護(hù)并進(jìn)行原地面水準(zhǔn)高程測量。

(3)第一層填料鋪筑。填料虛鋪厚度為80 cm，最大粒徑小于40 cm，粒徑大于20 cm的填料超過30%，填筑過程采用推土機(jī)平整，不進(jìn)行碾壓。

(4)安裝第2層傳感器。填料鋪筑完成后，反開挖40 cm深(設(shè)置傳感器位置)，安裝第2層傳感器。安裝時(shí)按要求對傳感器、導(dǎo)線及水管進(jìn)行保護(hù)，然后回填并進(jìn)行水平測量。

(5)沉降監(jiān)測點(diǎn)的測量放樣。對試驗(yàn)場地內(nèi)鋪筑的填筑體布設(shè)了10個(gè)檢測點(diǎn)，記錄坐標(biāo)及高程。

(6)第一層填筑體的碾壓與檢測。壓路機(jī)碾壓速度設(shè)置為2 km/h，振動(dòng)頻率設(shè)置為28 Hz。

振壓2遍、3遍、4遍、5遍，分別對以上碾壓遍數(shù)的填筑體進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，檢測其壓實(shí)度、面波、地質(zhì)雷達(dá)、沉降量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。碾壓完成后，測試填土表面的高程和沉降量，通過地表高程與沉降計(jì)的差值，計(jì)算填筑層的壓縮變形。

(7)鋪筑第二層填料。填料虛鋪厚度為80 cm，填筑料最大粒徑小于40 cm，粒徑大于20 cm的填料超過30%，填筑面積為100 m×15 m。

(8)第二層填筑體的碾壓與檢測。

將壓路機(jī)碾壓速度設(shè)置為2 km/h，振動(dòng)頻率設(shè)置為28 Hz。分別對振壓2遍、3遍、4遍、5遍的碾壓面進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，采集土壓力盒數(shù)據(jù)，檢測壓實(shí)度、沉降量等數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 壓實(shí)度檢測

采用灌水法實(shí)測不同碾壓遍數(shù)情況下的壓實(shí)度，壓實(shí)度實(shí)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 壓實(shí)度檢測記錄匯總表 /%

(1)碾壓2遍，填料的壓實(shí)度達(dá)90%以上；

(2)碾壓3遍，填料的壓實(shí)度達(dá)93%以上；

(3)碾壓3遍以上，隨碾壓遍數(shù)的增加，壓實(shí)度總體呈增大趨勢；

(4)碾壓4次，壓實(shí)度達(dá)到96%以上且壓實(shí)度趨于飽和狀態(tài)，即基本上隨著碾壓遍數(shù)的增加，壓實(shí)度并未明顯增加。

3.2 壓實(shí)沉降量檢測

通過在試驗(yàn)檢測區(qū)塊設(shè)置的10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行原位水準(zhǔn)測量，測量出每壓實(shí)一遍的沉降量。10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的壓實(shí)沉降量與碾壓遍數(shù)之間的關(guān)系(圖1)。

通過所埋設(shè)的靜力水準(zhǔn)計(jì)反映碾壓遍數(shù)與壓沉量的關(guān)系(圖2)，原位水準(zhǔn)測量與靜力水位測量數(shù)據(jù)基本吻合。

通過研究碾壓遍數(shù)與壓沉量的關(guān)系可以得出填筑體碾壓4次后壓沉量趨于飽和狀態(tài)，隨著碾壓遍數(shù)的增加，壓沉量并未有明顯增加；碾壓5次后可能出現(xiàn)過壓現(xiàn)象，表層甚至松動(dòng)隆起。

4 結(jié)論與分析

圖1 壓實(shí)沉降量與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線圖

圖2 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)沉降量關(guān)系曲線圖

通過上述試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)影響壓實(shí)度的主要因素有：松鋪厚度、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)機(jī)械的類型和功能以及碾壓速度等。當(dāng)土石方含水量處于最佳含水(12±2%)狀態(tài)下宜直接攤鋪碾壓，采用超重噸位、超大激振力壓路機(jī)(振動(dòng)頻率設(shè)置為28 Hz，行走速度設(shè)置為2 km/h)進(jìn)行振動(dòng)碾壓；當(dāng)土石方含水量過大時(shí)，需要攤鋪晾曬，不宜直接進(jìn)行碾壓，否則會(huì)出現(xiàn)大面積翻漿；當(dāng)土質(zhì)含水量過小時(shí)，需進(jìn)行灑水悶料，不宜直接進(jìn)行碾壓，否則會(huì)出現(xiàn)碾壓不密實(shí)現(xiàn)象；同時(shí)，填料的松鋪厚度也會(huì)影響壓實(shí)度，一般將松鋪厚度控制在80 cm左右，填料粒徑控制在40 cm以下，當(dāng)該場區(qū)內(nèi)的填料碾壓4遍時(shí)，壓實(shí)度可以達(dá)到96%以上。土面區(qū)碾壓2遍時(shí)，其壓實(shí)度可以達(dá)到90%以上。

5 結(jié) 語

土石方填筑采用超重噸位、超大激振力壓路機(jī)作為壓實(shí)機(jī)械，每小時(shí)可增加碾壓面積約800～1 200 m2(填筑厚度為80 cm,碾壓3遍。)，能夠有效地提高工作效率，同時(shí)還能夠保證施工質(zhì)量，每一層碾壓既是對填筑層的壓實(shí)，也是對填筑體1.6 m以下深度的補(bǔ)強(qiáng)，降低了工后沉降過大、不均勻沉降對填筑體造成損害的風(fēng)險(xiǎn)，解決了填筑面積小、轉(zhuǎn)角較多填筑區(qū)域的碾壓難度。超重噸位、超大激振力壓路機(jī)碾壓方法簡單、操作方便、效率高、碾壓質(zhì)量好，應(yīng)用前景十分廣闊。