快速液壓夯實(shí)機(jī)在地基處理中的應(yīng)用分析

司癸卯，張燕飛，張 成

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064)

現(xiàn)今路基工程施工中，對(duì)于一些特殊地基(比如橋臺(tái)背、涵側(cè)回填、半填半挖、局部高填方及狹小面積的回填)處理，往往會(huì)出現(xiàn)一些難以解決的問(wèn)題，特別是橋臺(tái)背處的地基壓實(shí)［1－2］，“橋頭跳車(chē)”就是路橋過(guò)渡段壓實(shí)度不夠的直接表現(xiàn).

目前，由于此類(lèi)地基壓實(shí)區(qū)域狹窄且填土形狀不規(guī)則，大噸位的振動(dòng)壓路機(jī)和沖擊夯無(wú)法進(jìn)入該區(qū)域，傳統(tǒng)強(qiáng)夯對(duì)要壓實(shí)區(qū)域周邊地基影響太大，使得此類(lèi)地基的整體壓實(shí)度難以得到保證［3］.基于此，本文提出了一種類(lèi)似強(qiáng)夯工作原理的快速液壓夯實(shí)機(jī)，首次嘗試用現(xiàn)有強(qiáng)夯理論建立快速液壓夯實(shí)機(jī)的夯實(shí)效果評(píng)析標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地基壓實(shí)檢測(cè)，初步總結(jié)該設(shè)備在特殊地形路基工程中的壓實(shí)特點(diǎn)及技術(shù)效果.

1 夯實(shí)機(jī)工作原理

快速液壓夯實(shí)機(jī)的工作原理是:在電控系統(tǒng)控制下用液壓缸將夯錘體提升至一定高度(可根據(jù)所需夯實(shí)量選擇合適的擋位)，通過(guò)電磁換向閥使液壓系統(tǒng)換向，夯錘體在重力作用下(必要時(shí)也可以添加一液壓蓄能器共同作用使夯錘體加速)自由下落，夯擊在帶有緩沖墊的接地底座上，再通過(guò)接地底座間接夯擊地面，通過(guò)裝載機(jī)(5～9 t夯錘可用于履帶式挖掘機(jī))工作裝置的牽引，可以做到機(jī)動(dòng)、靈活、快速地對(duì)不同作業(yè)位置進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的夯實(shí).如圖1所示.

圖1 快速液壓夯實(shí)機(jī)工作原理Fig.1 Cworking for HHC

2 深度影響分析

式中:Z為地基土加固有效深度，m;Q為夯錘重力，kN;H為落距，m.

由式(1)可以得出快速液壓夯實(shí)機(jī)(夯錘重3～9 t，行程范圍 0.6 ～1.5 m)的有效夯實(shí)深度為1.0～3.7 m.根據(jù)英國(guó)一家建筑研究所(BRE)的研究證明，快速液壓夯實(shí)機(jī)所采用的動(dòng)態(tài)夯實(shí)技術(shù)填補(bǔ)了傳統(tǒng)表層夯實(shí)，如碾壓、振動(dòng)壓實(shí)和傳統(tǒng)強(qiáng)夯技術(shù)之間的空白.REB的測(cè)定數(shù)據(jù)表明:快速液壓夯實(shí)機(jī)的正常夯實(shí)深度可達(dá)4 m，可能影響深度達(dá)10 m.夯實(shí)深度是傳統(tǒng)碾壓技術(shù)的十幾倍，為沖擊式碾壓技術(shù)的三四倍，特別適合快速處理深度為快速液壓夯實(shí)機(jī)(High-speed Hydraulic Compactor)類(lèi)似于傳統(tǒng)強(qiáng)夯機(jī)械，近似于小能量強(qiáng)夯法，也是一項(xiàng)動(dòng)力固結(jié)加固技術(shù)［4］，所以現(xiàn)有的一些強(qiáng)夯理論也可以應(yīng)用在液壓夯實(shí)機(jī)上［5］.使用強(qiáng)夯的目的，在于改良地基，對(duì)于不同的土質(zhì)，又有不同的改良目的.譬如對(duì)濕陷性黃土地基，主要是用強(qiáng)夯破壞黃土的大孔結(jié)構(gòu)，將土壓密，消除土體的濕陷性;對(duì)飽和砂土地基，主要是改善土體的相對(duì)密度，提高土體的抗液化能力;對(duì)于一般的軟弱的黏土地基，則主要是提高土的強(qiáng)度，減少變形.強(qiáng)夯效果，主要是垂直方向?yàn)橹鳎藗冏铌P(guān)心的也是夯后的有效影響深度和在此厚度內(nèi)土性的改善程度.強(qiáng)夯后對(duì)土體的影響深度，可參照路易梅納(Menard)公式［6］:1～10 m的地基［7］.具體各種夯實(shí)方式的影響深度［5］如圖2所示，此結(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證梅納影響深度公式的理論的可行性.

圖2 各種夯實(shí)機(jī)械作業(yè)深度影響范圍Fig.2 Depth of compaction of different dynam ic com paction m ethods

3 環(huán)境影響分析

傳統(tǒng)強(qiáng)夯是一種沖擊型能源，當(dāng)重錘夯擊地基時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波(包括體波和面波)，從夯擊點(diǎn)沿著地表向四周傳播開(kāi)來(lái).由于阻尼作用，一般在很短時(shí)間(約0.4～1.0 s)內(nèi)即消失，其主頻約為10～23 Hz，比一般的建(構(gòu))筑物的固有頻率高，但是由于是連續(xù)夯擊，相鄰兩擊時(shí)間間隔2～3 min，一次造成的地面振動(dòng)比較強(qiáng)大，對(duì)附近建(構(gòu))筑物和工作、生產(chǎn)、生活都會(huì)帶來(lái)有害影響.圖3是軟地基強(qiáng)夯的振動(dòng)實(shí)測(cè)曲線［8］.

圖3 徑向水平加速度a與距離r的關(guān)系Fig.3 Relationship between radial acceleration(a)and distance(r)

通過(guò)圖3可以看出，在距夯點(diǎn)25 m處地面最大振動(dòng)加速度(徑向)相當(dāng)于0.1g(g為重力加速度)，小于控制加速度容許值［a］=(0.1 ～0.15)g，換言之，根據(jù)地質(zhì)條件不同，強(qiáng)夯振動(dòng)影響區(qū)域也不盡相同，但是安全距離不能小于15～25 m，所以在處理橋臺(tái)跳車(chē)、涵側(cè)回填之類(lèi)的地基時(shí)就不能應(yīng)用，而快速液壓夯實(shí)機(jī)既保證不損害建(構(gòu))筑物，又滿(mǎn)足地基處理的密實(shí)度要求.由于夯錘對(duì)地面的作用是通過(guò)靜壓在地面上帶緩沖墊的接地裝置實(shí)施的，并通過(guò)設(shè)計(jì)出一種特殊的接地裝置，進(jìn)一步減少?zèng)_擊夯實(shí)時(shí)對(duì)附近建(構(gòu))筑物的影響，使得夯錘作用力峰值更小，作用更柔和，不易剪切填層流線，貫穿能力強(qiáng)而均勻，所以可以在較大的深度范圍內(nèi)獲得均勻的密實(shí)度而不破壞附近建筑物.具體如圖4所示.

圖4 快速液壓夯實(shí)機(jī)對(duì)周邊地基的影響Fig.4 High-speed hydraulic compactor impact on the peripheral foundation

由圖4中數(shù)據(jù)計(jì)算可以得出，通過(guò)設(shè)計(jì)的專(zhuān)利底座，不僅增加了路基單位面積所受的沖擊力，更重要的是減小了沖擊力的擴(kuò)散角，使得夯錘處于高擋位時(shí)沖擊影響的有效半徑僅為0.5 m，在中低擋位的沖擊影響半徑可減小到0.3 m，因此應(yīng)用于路基構(gòu)造物附近作業(yè)，可以有效地避免過(guò)大的沖擊.

4 試驗(yàn)及應(yīng)用技術(shù)效果分析

在長(zhǎng)安大學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室大型土槽內(nèi)進(jìn)行分層試驗(yàn)，試驗(yàn)用土采用具有良好級(jí)配的砂土，按GB4478—84《振動(dòng)壓實(shí)機(jī)性能試驗(yàn)方法》試驗(yàn)規(guī)程要求，采用標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)法測(cè)定土的含水量與干密度的關(guān)系，求出最大干密度為1.925 g·cm－3，最佳含水量為13%.選取4 m×4 m、深1.5 m的長(zhǎng)方體坑槽，沿深度6等分，每層間隔1 m均布9個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用強(qiáng)擋作業(yè)，測(cè)定不同實(shí)驗(yàn)條件下各層位的壓實(shí)度，以便分析土體壓實(shí)度隨夯擊次數(shù)及土體厚度的變化規(guī)律(見(jiàn)表1).

表1 不同含水量條件下各層位的壓實(shí)度Tab.1 Degree of compation of the layers in the different moisture content conditions

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鋪層厚度1.5 m，夯擊24次時(shí)，面層的壓實(shí)度為95%，1 m深度內(nèi)壓實(shí)度達(dá)90%以上;當(dāng)鋪層厚度為0.5 m，夯擊18次時(shí)，面層壓實(shí)度為97%，滿(mǎn)足實(shí)際壓實(shí)施工要求.隨夯擊次數(shù)的增加，各層土壤壓實(shí)度相應(yīng)提高［9－10］，同時(shí)對(duì)每一工況而言，前4層土壤的壓實(shí)度比較接近，說(shuō)明夯實(shí)機(jī)有效深度可達(dá)1.0～1.5 m，進(jìn)一步驗(yàn)證梅納公式能應(yīng)用在快速液壓夯實(shí)機(jī)的壓實(shí)度深度計(jì)算.

5 結(jié)語(yǔ)

(1)理論分析和試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)效果分析，快速液壓夯實(shí)機(jī)作為一種新型的高效夯實(shí)機(jī)械，具有夯實(shí)能量高、影響深度遠(yuǎn)、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，對(duì)于條件受限制的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具有很好的通過(guò)性和適應(yīng)性.

(2)在鐵路路基、堤壩護(hù)坡加固及防滲漏處理，油庫(kù)、機(jī)場(chǎng)、港口等大型基礎(chǔ)設(shè)施地基夯實(shí)，環(huán)衛(wèi)垃圾、有害物資填埋夯實(shí)，軍用設(shè)施夯實(shí)加固等領(lǐng)域同樣有著廣闊的應(yīng)用前景.

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