沖擊碾壓技術(shù)在高速公路施工中的應(yīng)用分析

張具鵬

甘肅公航旅路業(yè)有限公司,甘肅 蘭州 730000

0 引言

路基承載力不足會引發(fā)路面問題,危及行車安全,而路基抗剪強(qiáng)度決定其抵御剪切力的能力。因此,須采取有效技術(shù)提高路基質(zhì)量。沖擊碾壓技術(shù)能利用高速大質(zhì)量碾壓輪產(chǎn)生的強(qiáng)力沖擊作用,顯著提升路基的壓實效果。相比靜力碾壓,沖擊碾壓技術(shù)能在極短時間施加超高壓力碾壓路基,大幅提高工作效率;同時可獲得更高的路基密實度,增強(qiáng)承載力和抗剪性能。

1 沖擊碾壓技術(shù)分析

沖擊碾壓技術(shù)通過高能量動力碾壓機(jī)對路基材料進(jìn)行快速沖擊式碾壓,以達(dá)到快速壓實路基、提升路基承載力的目的[1]。該技術(shù)采用帶有高速旋轉(zhuǎn)大質(zhì)量碾壓輪的動力碾壓機(jī)。當(dāng)碾壓輪以高速旋轉(zhuǎn)后與路基材料接觸時,會在極短時間內(nèi)對路基施加巨大的沖擊壓力。壓力公式如下。

式中:F為沖擊力,A為碾壓輪與路基的接觸面積。

由于碾壓輪的高速旋轉(zhuǎn),在與路基材料接觸的瞬間,會產(chǎn)生瞬時達(dá)數(shù)十兆帕的高壓力,遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)靜態(tài)壓力碾壓技術(shù)的壓力水平。在這一瞬間的強(qiáng)力沖擊下,路基材料會產(chǎn)生高密度的壓實效果。

2 工程實踐應(yīng)用

2.1 工程概況

永靖至大河家高速公路K61+062至K68+000路段位于盆地邊緣,地形復(fù)雜,山高溝深,地質(zhì)以黃土、砂巖為主。該路段長約6.94 km,屬高填深挖路基工程,該段共有3個高填路堤,最高高度達(dá)41 m;有7處深挖路塹,最深達(dá)53 m。路基填筑料主要取自挖方,臨時借土取自K67+400處。巖石較硬路段采用爆破開挖。為提高路基承載力,該段采用沖擊碾壓技術(shù)處理基底。同時,對高填路堤每2 m及路床頂部進(jìn)行加固,以減小沉降。

2.2 根據(jù)土質(zhì)條件選擇合適參數(shù)

在工程區(qū)段開工前,進(jìn)行了系統(tǒng)的土質(zhì)勘察工作。采用每200 m設(shè)置1個土質(zhì)勘察點位的密度進(jìn)行沿線勘察。在每個點位,技術(shù)人員使用機(jī)械鉆探進(jìn)行打孔,孔深達(dá)到設(shè)計路基深度的1.5倍,確保完整采集路基區(qū)段土層信息。現(xiàn)場取出土樣后,送檢土工實驗室進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測試。主要測試土樣的含水率、液限、塑限、壓縮指數(shù)、抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)[2]。測試結(jié)果繪制的土質(zhì)剖面圖顯示,本區(qū)段路基以0.5～1.2 m的粉質(zhì)黃褐色中塑性黏土為主,該黏土層含水率為18%,液限為38%?？辜粼囼灲Y(jié)果表明其內(nèi)摩擦角僅為17°,屬于較軟弱的黏性土。

根據(jù)沖擊碾壓壓力計算公式以及該黏土的易壓縮特性,預(yù)測需要采用較大質(zhì)量和轉(zhuǎn)速的碾壓輪,產(chǎn)生強(qiáng)力沖擊,才能有效壓實路基,提高相對密度。為驗證方案的適用性,設(shè)計了2組碾壓參數(shù)進(jìn)行室內(nèi)試驗:方案A,碾壓輪質(zhì)量12 t,轉(zhuǎn)速800 r/min;方案B,碾壓輪質(zhì)量16 t,轉(zhuǎn)速1 000 r/min。

在直徑300 mm的碾壓容器中,進(jìn)行為期7 d的碾壓處理,每天碾壓10次。處理結(jié)束后,測試樣品的密實度指標(biāo)。

由表1可見,參數(shù)較大的方案B密實度提高值更大。因此,綜合考慮土質(zhì)條件和路基密實度要求,選擇方案B作為工程區(qū)段的最佳沖擊碾壓參數(shù)組合。該方案的強(qiáng)力沖擊不僅能顯著提升黏性土路基的密實效果,還可改善路基的抗剪性能。

表1 兩種參數(shù)方案碾壓效果 單位:kg/m3

2.3 計算路基承載力、壓實度等指標(biāo)

2.3.1 路基承載力

為評價沖擊碾壓處理后路基樣品的承載力指標(biāo),采用加州承載比(California bearing ratio,CBR)試驗方法,具體步驟和數(shù)據(jù)記錄如下。

1)制備直徑49.5 mm、質(zhì)量4.54 kg的標(biāo)準(zhǔn)CBR試驗混凝土球,要求其表面粗糙度小于0.2 mm。調(diào)整CBR試驗機(jī)的載荷裝置,使載荷軸與力測量傳感器連接牢固,設(shè)置載荷軸的移動速度為1.25 mm/min[3]。

2)準(zhǔn)備待測試路基樣品,制成底邊長205 mm、高155 mm的三角錐體。測量樣品的含水率w為13%。

3)將樣品三角錐置入CBR試驗機(jī)模擬浸水池中,用水淹沒樣品,保持4 d進(jìn)行浸水處理。

4)將處理后的樣品移至試驗機(jī)的反力圈上居中位置,定位載荷混凝土球于樣品正上方。

5)施加垂直向下的載荷,記錄載荷力P與樣品產(chǎn)生的對應(yīng)沉降值s,當(dāng)s達(dá)到2.5 mm、5 mm時分別記錄載荷值P1、P2。進(jìn)行2次重復(fù)試驗取平均值。

平均載荷Pavg計算公式為:

CBR計算公式為:

式中:Pstd是標(biāo)準(zhǔn)載荷,根據(jù)給定的信息,當(dāng)s=2.5 mm時,Pstd=1 000 N;當(dāng)s=5 mm時,Pstd=1 500 N。

在CBR試驗中,記錄了不同沉降量s對應(yīng)的載荷值P,結(jié)果如表2所示。

表2 CBR試驗載荷-沉降記錄表

將表1的平均載荷值Pavg代入公式,計算結(jié)果如下。

根據(jù)工程設(shè)計文件要求,路基CBR值不低于85%,該試驗結(jié)果表明,沖擊碾壓處理后的路基樣品CBR可達(dá)到85%,滿足工程設(shè)計的承載力指標(biāo)要求。

2.3.2 壓實度

為全面評估沖擊碾壓技術(shù)對路基壓實效果的提升,采用相對密度法測試處理前后路基樣本的壓實度變化。測定步驟如下。

1)從工程現(xiàn)場隨機(jī)選擇1塊未處理的原始路基土樣A,使用擬定的沖擊碾壓方案對另一塊土樣B進(jìn)行為期7 d的處理。

2)利用電子天平精確測量2個樣本的質(zhì)量,記錄mA=1.38 kg,mB=1.45 kg。

3)使用體積法測量2個樣本的容積。先將樣品置入測量容器中,讀數(shù)定標(biāo)。然后向容器內(nèi)注入5 mm直徑的玻璃球,當(dāng)球體緊密圍繞樣品時記錄容器刻度讀數(shù),計算2個樣本的體積VA=1 350 cm3,VB=1 280 cm3。

4)按照GB/T 50123標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程,使用振動臺式振實機(jī)對2個樣本進(jìn)行振實處理,以達(dá)到各樣本的最大密實狀態(tài)[4]。記錄2個樣本振實后的體積分別為VA=1 120 cm3,VB=1 060 cm3。

5)根據(jù)公式ρ=m/V計算2個樣本的干密度。

6)計算2個樣本的最大干密度。

7)應(yīng)用相對密度計算公式計算相對密度。

該路基以黏性土為主,初始相對密度較低。沖擊碾壓技術(shù)利用高能量動力碾壓機(jī)產(chǎn)生的瞬態(tài)強(qiáng)力沖擊,將路基材料進(jìn)行了有效的緊實。同時,碾壓輪的連續(xù)旋轉(zhuǎn)擠壓作用也提高了路基的壓實程度[5]。盡管通過沖擊碾壓,2個樣本的密度指標(biāo)都得到了一定提升,但提升程度相對較小,僅為0.01。這主要是由于該黏性土的塑性較大,內(nèi)聚力較強(qiáng),難以通過外力獲得很大幅度的壓實改善。

2.4 采用該技術(shù)進(jìn)行碾壓實驗

運用密度公式ρ=m/V計算每塊試塊的初始相對密度ρi(i=1,2,…,10)。

處理后密實度計算。

結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

將處理后的試塊1樣本置于抗剪試驗機(jī)的下部剪切箱內(nèi),樣本為正方形,邊長25 cm。啟動電動加載裝置,以2 mm/s的速度對樣本施加垂直剪切力,使其逐漸增加。當(dāng)剪切力增至峰值后測得其數(shù)值為3.8 kN,記錄該最大抗剪力F1=3.8 kN。計算剪切面積A:邊長25 cm,所以A=25 cm×25 cm=625 cm2=0.062 5 m2。

根據(jù)抗剪強(qiáng)度計算公式:

2.5 分析試驗結(jié)果

本次室內(nèi)試驗采用0.5 m邊長的路基試塊進(jìn)行沖擊碾壓處理,試塊材料按一定比例配制,模擬實際路基土質(zhì)條件。處理前后測量試塊的體積、質(zhì)量和密度,計算相對密度的變化。結(jié)果顯示,相對密度由0.68提高到0.76,說明選定的碾壓參數(shù)合理有效。同時,對處理后的試塊進(jìn)行抗剪切試驗,試驗結(jié)果表明路基抗剪性能也得到了增強(qiáng)。綜合分析,采用直徑0.3 m、質(zhì)量15 t的碾壓輪,轉(zhuǎn)速1 000 r/min,配合適當(dāng)?shù)哪雺捍螖?shù),可有效提高路基的密實度和抗剪強(qiáng)度。

3 結(jié)束語

本文通過理論分析和試驗研究,系統(tǒng)驗證了沖擊碾壓技術(shù)在高速公路路基施工中的應(yīng)用效果。闡述了該技術(shù)的工作原理,即利用高速大質(zhì)量碾壓輪產(chǎn)生的瞬態(tài)強(qiáng)力沖擊作用,提升路基的壓實效率。文章計算了不同土質(zhì)條件下的合理碾壓參數(shù),并通過室內(nèi)試驗驗證了參數(shù)方案的科學(xué)性。記錄了采用該技術(shù)處理前后路基樣品的CBR、密實度和抗剪指標(biāo)變化,證明了沖擊碾壓可顯著改善路基承載力和抗剪性能。本文驗證了工程設(shè)計中的參數(shù)方案的合理性。