沖擊碾壓技術(shù)在高填方路基中的應(yīng)用

王旋

新疆交通建設(shè)管理局項(xiàng)目執(zhí)行三處 新疆 烏魯木齊 830000

1 引言

對(duì)于高填方路基工程，如果填筑體回填壓實(shí)處理不到位，往往會(huì)造成路基工后沉降不均勻或沉降過大[1]。一般采用的機(jī)械碾壓因其加固深度有限而僅適用于部分薄路基，振動(dòng)壓實(shí)因其噪聲大，污染嚴(yán)重等問題而限制了其推廣應(yīng)用。沖擊碾壓技術(shù)作為一種新型壓實(shí)施工方法，克服傳統(tǒng)工藝的缺陷，沖擊式壓路機(jī)通過裝載機(jī)牽引，帶動(dòng)一個(gè)多邊形沖擊輪，利用沖擊輪自身重量和前進(jìn)時(shí)的沖擊力，對(duì)路基進(jìn)行壓實(shí)。其壓實(shí)深度深，環(huán)境污染小，工作效率高，壓實(shí)效果好，適用于多類路基沖擊碾壓、高填方路基分層沖壓、路基補(bǔ)強(qiáng)壓實(shí)等[2]。本文依托實(shí)際工程，詳述沖擊碾壓技術(shù)工作原理、施工工藝，分析其對(duì)沉降量、壓實(shí)度和含水率的影響，為往后同類型施工環(huán)境提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 沖擊碾壓技術(shù)

2.1 沖擊碾壓機(jī)具

表1 各類型沖擊式壓路機(jī)適用條件

沖擊式壓路機(jī)是將沖擊夯實(shí)和碾壓相結(jié)合的一種新型壓路機(jī)，其由沖擊輪，機(jī)架和連接器械三部分組成，牽引方式有自行式和拖式。與傳統(tǒng)壓路機(jī)相比，沖擊輪為多邊形或圓弧以到達(dá)最低能耗及優(yōu)質(zhì)壓實(shí)效果[3]。各類型沖擊式壓路機(jī)適用條件如表1所示。我國常用三邊形或五邊形沖擊輪作為現(xiàn)場壓實(shí)機(jī)具，為增加接觸面積，部分包含塊狀凸條。

2.2 沖擊碾壓工作原理

沖擊碾壓是一種淺層地表層基礎(chǔ)加固技術(shù)，由牽引機(jī)械拖動(dòng)沖擊輪行駛來對(duì)路基進(jìn)行周期性點(diǎn)觸碾壓，具有壓實(shí)功能大、壓實(shí)效率高、加固深度大等特點(diǎn)。其碾壓工作原理包括沖擊原理和土體增強(qiáng)原理。

（1）沖擊原理

與光輪壓路機(jī)不同的是，拖動(dòng)式?jīng)_擊碾壓機(jī)沖擊輪主要為凸輪，由多個(gè)同向螺旋曲線狀鋼板焊接而成，直徑1800～2000mm，質(zhì)量100～120kN，見圖1所示。以圖1中a為例，在拖動(dòng)過程中，沖擊輪上單瓣凸輪m逐漸上升，重力勢能增大，當(dāng)m位于最高點(diǎn)時(shí)，即與轉(zhuǎn)動(dòng)軸處于豎直平面時(shí)重力勢能最大，隨著沖擊輪向前滾動(dòng)，m位置凸輪重心前移，重力勢能由此轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，產(chǎn)生了沖擊力矩，當(dāng)m接觸到地面時(shí)沖擊力矩到達(dá)最大，擠壓土體從而起到?jīng)_擊壓實(shí)的效果[5]。

（2）土體增強(qiáng)原理

在沖擊輪強(qiáng)大的沖擊勢能下，原本松散的土顆粒重新排列組合，土體內(nèi)部的空氣和水分被擠出，空隙率減小，密實(shí)度增加，土體結(jié)構(gòu)內(nèi)摩擦力和粘聚力增強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性顯著提高，透水性能降低，形成一個(gè)密實(shí)整體[6]。

2.3 沖擊碾壓特點(diǎn)

沖擊碾壓作為一種高效提高密實(shí)度與破碎度的新技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于高填路基、土石混填路基等各種路基結(jié)構(gòu)形式。其具備以下特點(diǎn)：

（1）沖擊力大，對(duì)土體破壞效果好。以一般25KJ沖擊壓路機(jī)為例，其沖擊力是同噸位振動(dòng)壓路機(jī)的5倍，是普通光輪壓路機(jī)的25倍。不同形式速度下，對(duì)地面的沖擊力可近似轉(zhuǎn)換為1800-5000KN。

（2）影響深度廣。沖擊碾壓采用低頻高振幅技術(shù)，產(chǎn)生類似地震波的沖擊波，沖擊輪的動(dòng)能與勢能交替作用，使土體密實(shí)度不斷提高以達(dá)到?jīng)_擊碾壓的效果。

（3）沖擊碾壓效率高，壓實(shí)效果更佳。沖擊壓路機(jī)每小時(shí)壓實(shí)的面積約為普通壓路機(jī)的2倍，壓實(shí)體積約為普通壓路機(jī)的6倍。在沖擊力作用下，路基土飽和前后壓縮性指標(biāo)變幅和彎沉值有效減小，回彈模量增大，使路基整體強(qiáng)度、彎沉變形和承載能力得到改善。

3 工程實(shí)踐

3.1 工程概況

某高速公路設(shè)計(jì)路線地處丘陵地帶，溝壑縱橫，地形起伏較大，路基挖方300萬m3，填方264萬m3，路基換填和路堤填筑總高度大于5m。施工前選擇K0+600～K0+900段作為沖擊碾壓試驗(yàn)段，以探尋最優(yōu)的施工參數(shù)指標(biāo)。該試驗(yàn)段為高填方路段，最大填土高度達(dá)到9.5m，平均填土高度6.8m。

3.2 施工工藝

試驗(yàn)采用25KJ沖擊壓路機(jī)，以來回錯(cuò)輪方式，輪跡間不重疊，行駛速度10-12km/h，以道路中線為對(duì)稱軸，從路基一側(cè)向另外一側(cè)沖擊碾壓，當(dāng)路基土含水率不足時(shí)，可以適當(dāng)灑水以保證壓實(shí)效果。沖擊碾壓施工工藝流程如圖1所示。

圖1 沖擊碾壓施工工序

3.3 試驗(yàn)段壓實(shí)效果分析

為研究沖擊碾壓技術(shù)在試驗(yàn)段的壓實(shí)效果，通過預(yù)埋檢測點(diǎn)，測定高填方路基的沉降量、壓實(shí)度和含水率。

（1）沉降量

基于上述施工工序，分別設(shè)置松鋪厚度為60、80、100cm，檢測壓實(shí)0-30遍后高填方路基沉降量，結(jié)果如圖2所示。

圖2 高填方路基沉降量檢測結(jié)果

由上圖分析可知：

隨著壓實(shí)遍數(shù)的增大，沉降量也逐漸增大，當(dāng)松鋪厚度分別為60、80、100cm時(shí)，沉降量的最終值較初始值分別增加了1.16、1.14和1.12倍。隨著碾壓遍數(shù)的增加，土體內(nèi)部的水分和空氣被排出，密實(shí)度不斷提升，沉降量逐漸增大。由于松鋪厚度的增加致使高填方路基填料中可壓縮水分和氣體大幅增加，因而在相同壓實(shí)遍數(shù)的情況下，當(dāng)松鋪厚度越大時(shí)，土體沉降量也越大。碾壓前20遍時(shí)沉降量增幅明顯，后10遍時(shí)增幅減小。碾壓30遍較碾壓20遍沉降量平均僅增加0.96cm，而碾壓20遍較碾壓5遍沉降量平均僅增加7.72cm。前期沉降量大幅度增加主要是由于松鋪填料本身土顆粒間的空隙率較大，經(jīng)沖擊作用后擠壓密實(shí)，后期隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加，土顆粒間可壓縮空間大幅減少，因而沉降量增幅逐漸變緩。

（2）壓實(shí)度

當(dāng)松鋪厚度為80cm時(shí)，檢測碾壓5-30遍后的高填方路基壓實(shí)度，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 高填方路基壓實(shí)度檢測結(jié)果

由上圖分析可知：

壓實(shí)度隨著碾壓遍數(shù)的增加而增大，土體碾壓30遍的壓實(shí)度平均值比碾壓5遍增加了11.3%。隨著碾壓遍數(shù)的增加，土體中毛細(xì)水上升，空氣被壓縮，土體趨于密實(shí)狀態(tài)。壓實(shí)度隨深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)深度為40cm時(shí)的壓實(shí)度比深度為20cm平均高出0.33%，比深度為60cm平均高出0.65%。沖擊作用由上到下逐漸減小，所以上部土層受沖擊力作用明顯，而超過一定深度后，由于沖擊作用減弱，下層土體主要依靠上部土體的重力作用而達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，所以壓實(shí)效果不如上層土體。針對(duì)此高填方路基試驗(yàn)段，采用沖擊碾壓技術(shù)可以大幅度加深路基碾壓深度。當(dāng)碾壓30遍時(shí)，60cm的壓實(shí)度較40cm僅減少了0.3%，壓實(shí)度仍高達(dá)95.8%。沖擊壓路機(jī)采用低頻高幅，產(chǎn)生沖擊能量大，傳播深度遠(yuǎn)。

（3）含水率

基于前面布置的測點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)段不同碾壓遍數(shù)后不同深度處含水率進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖4所示。

圖4 高填方路基含水率檢測結(jié)果

由上圖分析可知，深度在0-20cm處的表層土含水率變化不明顯，中下部土體含水率增幅明顯，尤其在沖擊碾壓30遍時(shí)含水率高達(dá)27.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出最佳含水率。這是由于此試驗(yàn)段土體毛細(xì)水現(xiàn)象明顯，隨著沖擊碾壓遍數(shù)的增加，毛細(xì)水逐漸上升，含水率增加，故施工中要注意把控碾壓時(shí)間間隔。

4 結(jié)語

本文詳述了沖擊碾壓技術(shù)在高填方路基中的應(yīng)用，并以沉降量、壓實(shí)度和含水率為指標(biāo)評(píng)價(jià)沖擊碾壓技術(shù)的應(yīng)用效果，研究表明：

（1）該沖擊碾壓技術(shù)適用于高填方路基的壓實(shí)，壓實(shí)深度深，壓實(shí)效果優(yōu)于傳統(tǒng)壓路機(jī)。

（2）經(jīng)多次碾壓后，壓實(shí)度、沉降量變化不顯著，趨于穩(wěn)定，路基承載能力大大提升。

（3）采用沖擊碾壓技術(shù)會(huì)帶來各層土體含水率增加，故實(shí)際施工中應(yīng)注重把控碾壓時(shí)間間隔。