動力壓密法補(bǔ)強(qiáng)路基質(zhì)量控制及檢測方法

邵 華

（山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

引言

隨著西部大開發(fā)和一帶一路國家戰(zhàn)略政策的不斷推進(jìn)，西藏交通事業(yè)也獲得了大發(fā)展的歷史機(jī)遇。一些國字頭大型的施工、管理企業(yè)也應(yīng)勢進(jìn)駐西藏建筑市場，帶來了內(nèi)地的先進(jìn)施工技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，但是西藏獨(dú)特的氣候地理環(huán)境，新的施工工藝要因地制宜，通過實(shí)踐檢驗(yàn)才能應(yīng)用發(fā)展。

路基補(bǔ)強(qiáng)是在路基壓實(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范要求后，為進(jìn)一步提高路基壓實(shí)度，減小不均勻沉降和工后沉降，增強(qiáng)路基穩(wěn)定性而進(jìn)行的補(bǔ)充壓實(shí)。動力壓密法是路基補(bǔ)強(qiáng)的一種工法，該法是通過高速液壓夯實(shí)機(jī)進(jìn)行路基補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)。

1 動力壓密法

動力壓密法又稱動力加固法，是一種介于沖擊壓實(shí)與強(qiáng)夯之間的壓實(shí)方法。與沖擊壓實(shí)法、強(qiáng)夯法等傳統(tǒng)壓實(shí)方法類似，但又區(qū)別于其他壓實(shí)方法：（1）靜力壓實(shí)就是依靠輪碾自重及荷重進(jìn)行壓實(shí)。（2）振動壓實(shí)是利用振動效應(yīng)增強(qiáng)靜力碾壓的效果。（3）沖擊壓實(shí)是高頻率交替的夯擊力碾壓，該夯擊力仍是變力，是重力與變力的合力。（4）強(qiáng)夯是錘體直接高速撞擊地面，具有沖擊力大、衰減快的典型特征。（5）動力壓密法是在靜力壓實(shí)的基礎(chǔ)上，施加更大的動力來提高壓實(shí)質(zhì)量，該動力是一種動態(tài)可變力。

2 高速液壓夯實(shí)機(jī)

高速液壓夯實(shí)機(jī)是動力壓密法主要應(yīng)用機(jī)械，也叫“液壓夯實(shí)機(jī)”“沖擊夯實(shí)機(jī)”“液壓沖擊夯”等，與傳統(tǒng)的夯擊設(shè)備相比，具有機(jī)動靈活，夯實(shí)能量高且可調(diào)，影響深度大的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 高速液壓夯實(shí)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

液壓夯實(shí)機(jī)由承載機(jī)構(gòu)、夯架、夯錘、下錘頭、緩沖裝置、液壓系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等組成。承載機(jī)構(gòu)多選擇裝載機(jī)或挖掘機(jī)，提供動力輸出及位置轉(zhuǎn)移等；夯架起導(dǎo)向作用，與裝載機(jī)或挖掘機(jī)的動臂相連能使該裝置整體升降;夯錘與夯架的連接處均有凹槽，通過凹槽在夯架內(nèi)上下運(yùn)動，以保證錘擊的重心穩(wěn)定；下錘頭與地面直接接觸，包含下錘體及墊板等；液壓夯實(shí)機(jī)液壓系統(tǒng)包括專用油缸、液壓管路、高低壓蓄能器、電磁換向閥等；電子控制系統(tǒng)是液壓夯實(shí)機(jī)的關(guān)鍵所在。

夯錘是與油缸的活塞桿相連，從液壓動力源來的高壓油通過油管供給油缸，利用油壓使夯錘下落，油缸下腔瀉油的同時上腔注入高壓油，使夯錘加速下落，根據(jù)不同的作業(yè)要求，可以選擇不同的下落高度來滿足不同需求。根據(jù)錘體下落方式的不同，高速液壓夯實(shí)機(jī)作業(yè)方式可分為自由落錘式和強(qiáng)制落錘式。自由落錘式：液壓缸將錘體提升至設(shè)定高度后釋放，錘體自由下落；錘體落下后通過錘墊擊打下錘體與夯板的組件，驅(qū)動夯板壓實(shí)地面。強(qiáng)制落錘式：液壓缸將錘體提升至設(shè)定高度后快速反向加力，錘體在重力和液壓缸推力的共同作用下加速下落；錘體落下后通過錘墊擊打下錘體與夯板的組件，驅(qū)動夯板壓實(shí)地面。

2.2 液壓夯實(shí)機(jī)的基本工作原理

重型夯錘在重力和助推力作用下，加速下落對土壤進(jìn)行夯實(shí)，并在液壓缸的作用下實(shí)現(xiàn)快速的上下往復(fù)運(yùn)動。在裝載機(jī)或挖掘機(jī)工作裝置的牽引下機(jī)動靈活地對不同位置進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的壓實(shí)。從而滿足對夯實(shí)作業(yè)面積進(jìn)行單點(diǎn)或連續(xù)的壓實(shí)要求。液壓夯實(shí)機(jī)產(chǎn)生的夯擊勢能可達(dá)54 kJ，夯擊勢能時的頻率可達(dá)15 ～17 次/分鐘，夯擊能可根據(jù)需要有低、中、強(qiáng)三檔選擇。擊實(shí)頻率也可以根據(jù)不同的工況設(shè)為自動與手動兩種不同的操作模式。高速液壓夯實(shí)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，可對壓路機(jī)或強(qiáng)夯機(jī)作用盲區(qū)是一種很好的補(bǔ)充。

高速液壓夯實(shí)機(jī)是一種利用機(jī)器重力和變力的合力壓縮土體的壓實(shí)機(jī)械，其壓實(shí)原理與沖擊式壓路機(jī)、強(qiáng)夯機(jī)類似，即制造出瞬時強(qiáng)大外力，土壤顆粒在猛烈的沖擊外荷載作用下，克服顆粒間的摩擦阻力產(chǎn)生滑動和滾動位移，移動填充到更細(xì)微、穩(wěn)定的位置上去，從而產(chǎn)生空隙體積壓縮，土壤縫隙的減小即路基更加密實(shí)，見表1。

HRA40 高速液壓夯實(shí)機(jī)為一體式雙作用錘、5 英寸PLC 一體機(jī)控制，與5 t 裝載機(jī)配套使用。HRA40 的額定勢能40 kJ、錘體質(zhì)量3.33 t、提升高度1.2 m、夯板直徑1 m（接地面積0.785 m2），提升高度可設(shè)為0.2 m、0.6 m、1.2 m 三個檔位。夯擊強(qiáng)度（檔位）、連擊次數(shù)可根據(jù)需要隨時設(shè)定，也可使用手動隨機(jī)夯擊。

表1 高速液壓夯實(shí)機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.3 動力壓密法路基補(bǔ)強(qiáng)施工質(zhì)量控制

高速液壓夯實(shí)機(jī)具有高蓄能多回路液壓集成系統(tǒng)，配套ZL50 型裝載機(jī)進(jìn)行動力牽引，在施工中應(yīng)用效果較好。

3 動力壓密法補(bǔ)強(qiáng)路基質(zhì)量控制及檢測

3.1 試驗(yàn)段檢測程序

選用西藏日喀則市某重點(diǎn)農(nóng)村公路項(xiàng)目施工中的K2+880—K3+150 段成型路基作為試驗(yàn)段，該段路基工期緊張，右側(cè)50 cm 寬水泥混凝土硬化路肩已施工完畢，但靠近硬化路肩的路基部位壓實(shí)不足；路基已按設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、平整度等進(jìn)行了填筑作業(yè)。首先對該段路基進(jìn)行了壓實(shí)度、平整度檢測。試驗(yàn)段開始前，又讓施工班組對現(xiàn)場路基右半幅進(jìn)行了交通安全封閉、表面整平，并對靠近硬化路肩的路基進(jìn)行了灑水處理，目的防止表面粉塵化，影響夯擊能量向深層傳遞。（1）放出所選擇的夯點(diǎn)，用白灰標(biāo)識并編號，并按編號測出每一點(diǎn)初始高程。（2）高速液壓夯實(shí)機(jī)按測量放樣的位置就位，使夯錘對準(zhǔn)點(diǎn)位開始進(jìn)行夯擊作業(yè)。布點(diǎn)方式采用各錘邊緣間距為30 cm，夯錘邊緣到結(jié)構(gòu)物距離為20 cm。根據(jù)高速液壓夯實(shí)機(jī)夯實(shí)能分為弱、中、強(qiáng)3 檔劃分4 段，再根據(jù)選用不同的夯擊錘數(shù)3、6、9 次劃分3 段，見表2。（3）分別測量夯點(diǎn)的下沉量并記錄。（4）以每檔3 錘為一組，錘擊直至完成第6 次、9 次、12 次夯實(shí)，累加并記錄每3 錘的沉降量，通過試驗(yàn)確定作業(yè)錘數(shù)。

表2 試驗(yàn)段落劃分

3.2 施工中質(zhì)量控制要點(diǎn)

正常施工過程中，單點(diǎn)錘擊數(shù)可根據(jù)實(shí)際沉降量適當(dāng)調(diào)整。規(guī)定錘擊數(shù)的沉降量大于控制值時，應(yīng)區(qū)別情況處理。（1）沉降量大于控制值20%以內(nèi)時，在相鄰4 點(diǎn)間適當(dāng)減少錘擊數(shù)補(bǔ)夯。（2）沉降量大于控制值20%～50%時，應(yīng)在相鄰4 點(diǎn)補(bǔ)夯。（3）沉降量大于50%時，說明下層土體偏弱，局部開挖重填或其他加固措施。（4）單個夯點(diǎn)滿足夯擊標(biāo)準(zhǔn)要求后，移機(jī)進(jìn)行下一點(diǎn)位，采用直線作業(yè)法。若施工位置為橋涵臺背路段，為利于機(jī)械的行走，適合采用直線作業(yè)法，即每次單點(diǎn)作業(yè)，前進(jìn)或后退作業(yè)下一點(diǎn)。（5）施工時適合采取間隙型作業(yè)點(diǎn)布置：每個夯點(diǎn)邊緣間隔一定距離，呈等邊三角形布點(diǎn)，液壓高速夯實(shí)機(jī)作業(yè)點(diǎn)夯錘外緣距橋、涵結(jié)構(gòu)物較小距離應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定。一排施工點(diǎn)夯錘中心距離結(jié)構(gòu)物為80 cm 為宜，確保結(jié)構(gòu)物安全。（6）路基在實(shí)驗(yàn)前不得進(jìn)行補(bǔ)壓等臨時性增強(qiáng)措施；檢測點(diǎn)不得選擇在運(yùn)土自卸車反復(fù)碾壓部位。

3.3 試驗(yàn)段質(zhì)量檢測

試驗(yàn)中高速液壓夯實(shí)機(jī)的夯擊檔位、夯擊次數(shù)對補(bǔ)強(qiáng)夯實(shí)效果都是有影響，試驗(yàn)段縱向每30 m 的等間距在路基補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)布置9 個觀測點(diǎn)，分別設(shè)置在K2+890（弱檔）、K2+920（弱檔）、K2+950（弱檔）、K2+980（中檔）、K3+010（中檔）、K3+040（中檔）、K3+070（強(qiáng)檔）、K3+100（強(qiáng)檔）、K3+130（強(qiáng)檔），每個觀測點(diǎn)打入水泥釘以進(jìn)行沉降觀測。在夯擊前、夯擊后3、6、9 次后用水準(zhǔn)儀觀測路基高程，路基沉降量變形見表3。

表3 不同夯擊數(shù)下試驗(yàn)段路基沉降量

從表3 中可以看出:（1）當(dāng)采用強(qiáng)檔夯擊次數(shù)分別為3 次、6 次、9 次時，路基表面 平均沉降量分別為51 mm、88 mm、95 mm。（2）夯擊至第6 ～9次時，路基沉降量增幅已不明顯。（3）夯擊次數(shù)超過9 次后沉降量隨夯擊次數(shù)增加，沉降量不再繼續(xù)單調(diào)增大，而是進(jìn)入波動狀態(tài)。分析認(rèn)為，夯擊能量是從淺層向深層逐漸傳遞，下沉量開始由淺層變形量的疊加轉(zhuǎn)化為深層變形量的疊加，下沉量增大。由于有效厚度，當(dāng)能量傳遞到一定深度后，將隨著夯擊數(shù)的增多，路基的密實(shí)系數(shù)增大，沉降量開始下降。隨后當(dāng)密實(shí)到一定程度后，補(bǔ)夯對路基效果減弱，沉降量逐漸減小。

為驗(yàn)證動力壓密法補(bǔ)強(qiáng)路基的有效性，對液壓夯實(shí)機(jī)不同錘擊次數(shù)的壓實(shí)度進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)檢測。在試驗(yàn)段選取 3 個點(diǎn)用灌沙法測試路基平均壓實(shí)度，夯擊前后的路基壓實(shí)度對比分析見圖1?？梢钥闯觯捎脛恿好芊▽β坊鰪?qiáng)補(bǔ)夯效果明顯。夯擊前路基平均壓實(shí)度為93.8%，采用強(qiáng)檔6 錘夯擊后壓實(shí)度提高到了98.5%，提高幅度為5.01%。

圖1 夯實(shí)機(jī)錘擊數(shù)與路基壓實(shí)度對比分析

4 結(jié)語

利用液壓夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)路基，通過試驗(yàn)檢測及數(shù)據(jù)對比分析，本試驗(yàn)段最大平均下沉量達(dá)95 mm，對路基增強(qiáng)補(bǔ)夯補(bǔ)壓效果良好。根據(jù)工地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和夯實(shí)效果，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)效性考慮，強(qiáng)檔6 錘的夯實(shí)作業(yè)效果較佳，在路基大部分施工位置采用強(qiáng)檔錘6 次的作業(yè)工藝，在結(jié)構(gòu)物附近為避免對結(jié)構(gòu)物造成損傷，采用中檔6 錘或9 錘的施工工藝。

對于大方量高填方路基、橋涵臺背回填處、路基碾壓盲區(qū)及弱碾?yún)^(qū)宜做補(bǔ)強(qiáng)壓實(shí)處理，特別對于施工工期短的填筑作業(yè)段，為減少工后沉降，更應(yīng)進(jìn)行路基補(bǔ)強(qiáng)。當(dāng)然，根據(jù)工程造價、路基方量及施工便利度可選擇液壓夯實(shí)機(jī)、液壓振動夯實(shí)機(jī)、沖擊式壓路機(jī)、強(qiáng)夯機(jī)、超重噸位超大激振力自行式振動壓路機(jī)等不同的路基補(bǔ)強(qiáng)機(jī)械。除此之外，高等級公路還可以對新舊路結(jié)合部、路肩、邊坡、管道溝槽及回填夯實(shí)、管側(cè)及井口夯實(shí)、結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)夯實(shí)等部位進(jìn)行路基補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)，減少路基病害的發(fā)生，增強(qiáng)路基穩(wěn)定性，延長公路壽命。

路基補(bǔ)強(qiáng)對提高路基施工質(zhì)量，預(yù)防路基下沉，提高路基整體承載力，增強(qiáng)路面抗早期破壞能力，延長路基使用壽命，減少后期運(yùn)營養(yǎng)護(hù)成本等方面成效顯著。在西藏日喀則市農(nóng)村公路某重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)中橋涵臺背回填處及路基碾壓盲區(qū)（路基與硬化路肩結(jié)合處等）壓實(shí)補(bǔ)強(qiáng)的應(yīng)用，通過現(xiàn)場試驗(yàn)檢測及數(shù)據(jù)分析，實(shí)際應(yīng)用效果較好。