（交通运输工程专业论文）高速公路路基冲击式压路机冲击碾压工艺研究.pdf

摘要 摘要 随着我国国民经济的快速发展，高速公路建设也进入了一个崭新的发展阶 段；从已建成的高速公路行车状况来看，存在着由于交通量急剧增大、通行车辆 载重吨位过重而导致许多路段过早损坏的现象；其中相当一部分是由于路基整体 质量原因，路基的施工质量是影响道路整体质量的重要因素：根据河南省高速公 路产生的病害情况统计资料来看，由于路基因素所造成的病害约占总数的l 3 左 右。如何改善路基整体施工质量，减少由于路基因素而形成的道路病害，改善高 速公路建成以后的使用性能，是摆在我们公路从业人员面前的一个重要课题。本 文作者是结合在阿( 荣旗) 深( 圳) 高速公路河南省( 周口) 扶( 沟) 项( 城) 段n o 1 0 合同段实际使用冲击压路机进行路基施工工艺研究的角度，阐述在高速 公路路基施工采用冲击碾压工艺方面的研究结果和结论。 本文分析了在冲击碾压i ； 后及不同碾压遍数情况下不同深度压实度、沉降 量、弯沉等指标的变化规律。工地现场实测试验结果表明：冲击压路机的冲碾， 是显著提高各种土质路基整体强度、弥补路基施工薄弱环节、从而改善路基整体 施工质量的有效手段。 本文对冲击碾压普通填方、桥头高填方、补强等不同类型路段压实度和弯沉 的变化规律及实际施工工艺数据控制( 经济冲碾遍数) 方法进行了重点研究。通 过在实际施工中在不同类型路段采用冲击压路机冲碾路基与常规碾压工艺的比 较，给出了实际采用冲击压路机冲碾工艺参数( 行走路线及合理冲碾遍数) ，并 得出了如下结论：1 、冲击压路机弥补了普通压实机具在实际使用中许多的局限 性；2 、冲击压路机相对于普通压实机具具有更深的影响深度； 研究表明：冲击压路机冲碾路基是一种新工艺、新技术，该工艺适用范围广， 合理采用冲碾工艺，是提高路基强度、减少路基的工后沉降、早期发现并避免路 基薄弱环节的有效措施。对提高道路的使用质量，延长路面使用寿命，适应现代 高速公路通行要求，不仅具有现实意义，而且能产生显著的经济效益和社会效益。 ( 关键词】：高速公路冲击压路机冲击碾压工艺沉降压实度弯沉 摘要 a b s t r a c t w i t h 廿1 eq u j c 材y d e v e l o p m e n to f n a t i o n c c o n o m y t h ec o n s n l l c t j 伽o f e x p r e s s w a yc o m e st o an e wp h a t h es u r v e yo ft 1 1 e s e r v i n g c o n d i t i o no fm e c o 璐眦t c de x p r e s s w a yi n d i c a t e st l l es h 唧i n c r e a s i n g 仃a m ca n do v e r w e i g h to ft h c 仃a 所cl o a dl e a dt os o m ec x p r e s s w a y c t i o 哪o f d a m a g e de a d i e r t oal 盯g ee x t e mi ti s t l l eo u t c o m eo fb a dr o a d b e dw i l i c hi s t 1 1 em a i ne 虢c to f t l l er o a d b e dq u a l i 吼m r o a d b e d sq u a l i t yc 孤s c dt l i i r do ft h cd i s r e p a i r 丘d mt i l es u r v e yo ft h ee x p r e s s w a yi n h e n a np r o v i n c e a ni m p o r t a i l c es u b j e c tw ef h c e da 佗h o wt 0i m p r o v et l l er o a d b e d s q u a l i 劬h o w t 0d e c r e ，塔et h ed i s r c p a i rc a u s e db yr o a d b c d sq l l a l i 魄h o wt oi m p m v et l l e p e r f b m l a n c eo ff b e w a yb a s e d o nm et l l e 印p l i c a t i o no fi m p a c t r o l l e ri n f u g o u _ x i a l l g c h e n gs e c t i o no fa m n g q i - s h e i l z h e ne x p r e s s w a y ，t h ep a p e rs t i l d i e dt l l e t c c l l i l i c so fm l p a c tr o l l e ri nt h ee x p r e s s w a yc o l l s m l c t i o n n e p a p e ra 1 1 a l y s e st l l e d i m e n t a t i o nm t i o nc h 锄g eo fs u b g r a d e ，c o i n p a c t i o n d c g r c eo f s o i la td i 彘r e md e p t h ，t i l ec h a n g eo f 如b g r a d ed e f l e c t i o nb e f o r ca n da f i e rt l l e i m p a c to fm er o l l e r ，a i l ds t u d i e sm ee f i b c to fi m p a c tt i m e s n l er c s u l t so ff i e l dt e s t s s h o wt h a tt h eu s eo fi m p a c tr o l l e ri sag o o dw a yt o i i i l p r o v et h ew h o l er o a d b e d q m l i t i e s ，w h i c h c a ni m p r o v et l l es 呦g mo ft h e 慨n er o a d b e d ，d e c f c 硒em e c o n 舭t i o nd e f tr e m a r k a b l y ，e s p e c i a l l yo nn o r n l a lf i l ls e c t i o n ，h i g hf i l ls e c t i o n b e f o r eb r i d g e sa r l ds t r c n g t l l e m 沮s e c t i o n t h ep a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st i 圮c h a n g e so fd e g r o fc o m p a c t i o n 趾d 舳b g r a d e d c n e c t i o no ns e c t i o 潞s u c h 弱f i l l c t i o i l ，h i g t lf i ns c c t i o nb e f o f em d g e ，s 乜e n g i l l e n e d s e c t i o n ，锄dd i s c l l s s e st l l ec o n 仃o it e c i l i l i c so fi m p a c t t h r o u 曲 c o m p a r i n gt i l ee 仃e c t o fi 1 1 1 p a c tr o l i e ra n dn o m l a lr o l l e r ，t l i ep 印e rg i v e st l l ek e yp a r 删e 格o fi m p a c t t e c h n i q i l e ( i m p a c tr o u t ea i l dt i m e s ) a n dg e t sf o l l o 、e dc o n c l u s i o 璐：t h ei m p a c tm l l e r c a nm a k eu pt h el i m “o fn o m l a lm l l e ri i lt l l ep r a c t i c a ll l s e ；t 1 1 ee 仃b c td e p t l lo fi m p a c t r o l l e ri sd e e p e rt h a nt h en o 彻a ir o l l e l t h er c s e a r c hc o n c l u s i o n ss h o wt h a t ：t h et e c l l i l i c so fi m p a c tr o l l e ri san e w t c c l l l l i c si ns u b g r a d ec o n s t n j c t i o i l ，w l l i c hc 趾b eu di l l m 锄yc a s r e a s o n a b l e a p p l i c a t i o no fi n l p a c tt e c l l i l i c sc 锄i n c r c 船e t 1 1 es 咖g t l lo ft l l er o a d b c d ，d e c 陀a 辩t l l e 摘要 s e d i m e n t a t i o nr a t i o na f l e rt 1 1 ep r o j e c t ，锄dc a nf i n d 锄da v o i dt h ew e a l 【1 1 e s so f l e r o a d b c di nt i m e i n l p a c tt e c h n j c sn o to i l l yi m p r o v ct t l ep 晌加a i l c eo ft l l e m a d ， p r o l o i t gm ew o r kl i f e s p a i lo ft h cr o a d ，s a t i s 母t h e 仃a m cd e m 趾d s ，b l i ta l s op r o d l l c e e c o n o m i ca n ds o c i a lb e f i tr e m a r 虹i b l y 1 ( e ) w o r d s ：行w a yi m p a c tr o l l c ri m p a 戚m l l 凹c o n s n l l c t i o nt c c l l l l i c s m t i o no f s e t t l e m e m d e g r c eo f c o m p t i o n d e n t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者躲街矗式 日期：o 。占年矿月p 尹日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被套阅或借 阅。本人授权重庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密z ( 请在以上方框内打“”) 躲翅式 日期：k 扩占年7 月一户日 ：) 乇卢 日期：洲年p 月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究背景 我们正处于一个经济发展的高峰时期，中国的国民生产总值以前所未有的速度向 前增长，经济发展出现了良好势头，中国与发达国家之间的差距正在逐渐缩小。国家 有资金投入到为人民谋福利的建设中，基础设施的建设便是最为典型的代表。而交通 事业正是在这样的前提下得到了迅猛的发展。连续几年，交通部用于高速公路建设的 拨款逐年大幅增加。截止到2 0 0 5 年底，我国公路的通车总里程已近1 9 3 万k m ，其中 高速公路总里程已达到了4 1 万k m ，超过了加拿大，列世界第二位。政府交通主管部 门规划用3 0 5 0 年的时间在我国建立与国民经济、生产力布局、城市发展及国防要 求相适应的、与其他运输方式相协调的以汽车专用公路为主的“五纵七横”国道干线 系统，形成全国公路网丰骨架，国道干线将达到3 3 5 万k 的高等级公路规模。目 前，沿海省份高速公路网已摹本形成，而在西部大开发的大形势下，西部相对比较落 后省份的基础设施建设也正在如火如茶地进行当中；作为中部地区农业大省、同时也 是国家重要交通枢纽的河南省近几年也不甘居人后，充分发挥独特的地理优势，逐年 加大交通基础设施建设的投入，尤其是在高速公路方面的资金投入更是在2 0 0 5 年达 到了近2 0 0 亿元的历史新高。 地处我国中部的河南省是个人口众多的农业大省，由于其独特的地理位置，同时 也是我国重要的交通枢纽：铁路方面京广、陇海两大动脉在此交汇；公路方面京珠高 速与连霍高速相交，据此构成了河南省交通的大框架。河南省是个地形多变的省份： 豫西地区基本为黄土丘陵地形，豫东地区则为黄河冲积平原，地质条件比较复杂。 随着近十几年河南省相继建成通车的若干条高速公路行车效果来看，部分路段尤 其是高填方、软基和湿陷性黄土填筑路段存在有路基早期沉降、路面早期损坏等现象； 为此，河南省交通系统有关设计、施工、科研等各单位也采取了诸如改善路基底部地 基条件( 桩基基础、各种垫层等) 、采用复合材料的填料( 掺灰处理、碎石土等) 、加 大压实工作以及对问题路段进行压浆处理等许多方法和措旋，但一直未能从根本上解 决上述问题；1 9 9 8 年1 2 月，河南省交通科学研究所与洛( 阳) 三( 门蛱) 高速公路 第一章绪论 2 前线指挥部联合对国内外冲击压路机及其施工工艺进行了较为深入的研究，并结合洛 ( 阳) 三( 门峡) 高速公路所行经的黄土丘陵地带各种路段冲击碾压试验结果总结了 大量的经验和结论。“”在此之后河南省也有部分在建高速公路使用冲击碾压工艺进行 施工，但未能总结出较为系统的结论和资料。 针对以上情况，本论文依托阿( 荣旗) 深( 圳) 高速公路河南省扶( 沟) 项( 城) 段n o 1 0 标段施工项目，对冲击压路机冲击碾压工艺了进行研究。该项目工程概况附 后详述。 1 2 土壤压实技术的发展概况 1 2 1 压实的意义 压实是提高基础材料的强度和稳定性的一种廉价而有效的方法。有效的压实能显 著地改善填方的承载能力，提高不渗透性，在多数情况下，可以大大降低由于土壤固 结而引起的沉降。因此，压实施工已作为一种最基础的施工方法被广泛应用于公路施 工、机场建设、兴修水利和建筑施工之中。可以说，任何一种地基的处理都离不开压 实，所以压实设备是工程机械一个应用广泛、需求最大的品种。 对于公路建设方面，压实可以使路基及路面各结构层的材料具有一定的密实度， 提高路基土和路面材料的不透水性及强度稳定性，减少路基、路面在行车荷载作用下 产生的永久性变形，这对于公路的路基、路面具有重要的意义“”。在公路建设中，由 于路基压实不足而造成的车辙、裂缝、沉陷、水毁等各种路面早期破坏已屡见不鲜， 一些新建和改建的公路，从投资每公里数十万元的补强路到投资每公里几千万元以上 的一、二级公路和高速公路，都有路面过早破坏的现象。有的公路使用不到一年，路 面损坏就将近2 0 。形成这种现象的原因固然是多方面的，但不重视路基路面的压实， 特别是不重视路基的分层压实，对于新建和改建道路不按照设计要求和施工规范进行 认真压实，往往是造成路面局部沉陷或过早破坏的的主要原因之一。试验表明：压实 对路用材料的强度和承载能力有较大的影响，如砂的压实度在1 0 0 以上时每增加1 ， 弹性模量增加2 4 5 m p a 。石灰土的压实度从9 5 增加到1 0 0 时，其抗压强度从0 7 m p a 增加到1 埘p a ，约增加6 0 。所以采用高标准对路基、路面进行有效的压实是增强路 基路面强度、提高路面承载能力并保持公路整体稳定性的一种最经济有效的技术措 第一章绪论3 施。“大多数路面的破坏可归于其下的路基没有足够的强度和稳定性，而路面投资 占了整个公路投资的相当大的比例；经过滚动夯实机( 冲击压路机) 碾压后的地基形 成连续均匀的加固层，提高了路基承载能力，为路面设计提供实现强基薄面的可行性。 “虽然冲击压实费用在整个建设费用中所占的比例很小，但其所起的作用却十分巨 大。 1 2 2 压实的基本方法 压实就是通过专门的机构或设备给被压材料施以作用力，强迫被压材料内部颗粒 产生移动，重新排列得更加密实的过程。不同的机构或设备，由于其工作原理的不同， 会产生不同的作用力。作用力的性质不同，又会引起被压材料变形的巨大差异。为了 追求好的压实效果和较高的压实效率，我们在不断地探讨新的压实方法和压实技术， 到目前为止，常见的摹本压实方法可大致归纳为以下四种：静力压实，搓揉压实、振 动压实、夯实和冲击压实”。 1 、静力压实 将重物置于被压材料的表面，利用重物的重力，对被压材料施加垂直压力作用， 使被压材料内部产生相应的法向应力和剪切应力，当剪切应力达到材料的抗剪强度 图1 1 静碾光钢轮压路机 第一章绪论 4 时，材料的颗粒之间就会发生相对滑移。重新排列而变得更加密实。由于重物尺寸的 限制，静力的大小是非常有限的，因而有限的静力只能引起被压材料较小的变形，获 得较低的压实度。 2 、搓揉压实 在搓揉压实中，搓是利用对被压材料表层施以水平方向的反复交变的作用力，使 被压材料表层颗粒产生相对滑移，重新排列而变得致密；揉是一种压入作用，它依靠 对被压材料局部施加很大的垂直压力，使压头直接剪切侧面材料，破坏压头下方局部 材料与被作用材料整体之间的联系，使之受到很大的压缩而变得密实。一般来说这种 搓揉作用力的作用深度较浅，仅在表层某一范围内传递，但其可获得较高的表面压实 度和表面平整度。 3 、振动压实 圈1 2 普通振动压路机 利用专门的设备可对被压材料施加一系列的激振作用，已激起被压材料颗粒之间 的相对运动，在垂直压力的作用下，使它们重新进行排列而变得更为密实。振动作用 能大幅度地减少被压材料内部颗粒间的摩擦，而对减小内聚力的作用则相对较小。振 动能量以压力波的形式传向被压材料深部，同样可激起下部材料颗粒的振动，因而它 第一章绪论5 比同样自重的静作用压路机能达到更好的压实效果和压实深度。由于振动压实的机理 是在于激起被压材料颗粒的相对运动，而并不是依靠振动来压实被压材料，因而它的 振幅通常只有0 3 2 咖，而频率则接近被压材料的自振频率，这样可以使被压材料的 颗粒处于共振的状态下，从而获得最佳的压实效果。总的来说，振动压实不仅作用深 度较大，而且能获得较高的压实度。 4 、夯击和冲击压实 夯击和冲击在原理上都是利用动能转化为冲击能来压实土壤，只是在冲程和频率 上有所不同。夯击的冲程约为5 3 0 棚，频率约为8 2 0 h z ，冲击的冲程可高达数米， 而频率则极低，为单个的脉冲。冲击压实的特征是巨大的动能在很短时间内转化为冲 量，而形成瞬时作用的巨大冲击力，它可在土壤中产生很大剪切应力和法向应力，从 而有效地克服黏性土壤的内聚力，压缩土体并排除土中的空气和水分。冲击能量所形 成的冲击波可传至很深的深度，因而在压实深度上有很大的优势。此外，由于冲击作 用的时间很短，往往在被压材料还来不及发生“流动”之前，冲击已经结束，因而可 减少由土壤“流动”而导致的不稳定，可有效地用于对较大含水量的黏土和干砂的压 实。由于冲击压力波较振动压力波能传至更深的层面，所以，冲击压实能获得最大的 压实深度。 现代建筑工程和高等级公路的兴建与迅速发展，必然促进土壤压实技术的不断更 新，新的压实技术改变了传统的压实工艺和方法，更新了产品的结构和性能，提高了 压实效果。 从静力压路机发展到振动压路机，是压实技术的一次飞跃，振动压路机可根据不 同的压实对象和铺层厚度，合理选择振动频率和振幅，在相同条件下，振动压实可以 减少碾压遍数并达到静碾压路机相同的效果。 振荡压路机是振动压实技术的延伸和发展，振荡压路机的压实均匀度和相对压实 密实度均高于振动压路机。八十年代，瑞典乔戴钠米克( g e a d y n 砌i ka b ) 公司最早 提出“振荡碾”的新概念，振荡压实机机理的研究，标志着压实技术进入了一个新的 时代，该项压实技术已由姒栅压路机制造商推向世界市场。 振荡压路机是应用土力学土壤交变剪应变的原理，在碾压滚内对称安装同步旋转的激 第一章绪论 6 振偏心快轴。在交变扭矩的作用下，碾滚对地面产生前后方向的振荡波，使被压材料 产生交变剪应变。在这种交变剪应变和滚轮静载荷作用下，达到在垂直和水平面内压 实土壤的目的，其压实效果比滚轮筒相对地面跳动产生垂直冲击力的振动压实效果更 为理想，是一种全新的压实机理，时间证明：在同一压实深度上，振荡压路机的压实均匀 度和相对压实密实度均高于振动压路机，振动压路机和振荡压路机的压实原理如下图 ( 图1 3 ) 所示。 振荡 图1 3振荡压路机和振动压路机的压实原理”1 尽管振动压路机和振荡压路机正在逐步走向成熟和完善，面对高速发展的工程建 设和严格的质量要求，工程承包商仍希望得到更理想的压实设备。冲击压路机就是一 种高速厚铺层的压实设备，它突破了传统的碾压方式，为厚铺层压实提供了新型碾压 工具。 冲击压路机是一种新型的拖式压路机，其碾压滚为多边形凸轮( 常见的有三边形、 四边形和五边形三种，由轮胎式拖拉机牵引作业。从5 0 年代起有的国外公司就致力 于冲击压路机的研究，像南非l a n dp a c 公司和澳大利亚b r o o n s 公司有数台冲击压路 机在国内进行高速公路基础施工和机场跑道扩建工程的压实作业，由于其非传统性和 高效的作业开阔了国内外同行的眼界，受到了一致好评。冲击滚压技术经历了较长时 间的研究和试验，直至2 0 世纪8 0 年代末，一种采用非圆多边形冲击碾滚的新型冲击 式压路机已进入实用阶段。 第一章绪论7 最早生产制造冲击式压路机的有南非兰派公司( l n d p a c ) 和澳大利亚博能公 司( b r o o n sh t r e ) 。兰派公司生产的是三边形和五边形的凸块轮，博能公司生产的 b h 1 3 0 0 型冲击压路机则采用四边形凸块轮。2 0 世纪9 0 年代，冲击压路机已形成 系列产品，技术性能不断完善，结构与造型也有很大创新。近几年以来，在我国某些 高速公路路基施工中开始使用一种新型的冲击压路机。国内现已正式生产这种压实 机。 由于l a n dp a c 公司根本不出售自己研制的冲击压路机，由坚决不与中国进行技 术合作生产，我们只能依靠自己的力量开发。国内目前尚无冲击压路机生产厂家，近 年来河北工业大学参考南非l a n dp a c 公司的样机开发出一种三边式冲击压路机。但 没有解决配套机型的问题“”。 随着公路建设的高速发展，公路网已四通八达，许多地区都已改变了过去运输业 主要靠铁路的现状，公路运输的总量已占整个运输业的相当比例，而且运输车辆在吨 位和轴荷上有不断提高的趋势。载重汽车从过去的4 t 、6 t 发展到十几吨、二十几吨， 这无疑对路面的承载能力提出了更高的要求，而路面的承载能力与路基、路面的压实 度密切相关。压实度不足的路基，在重车交通作用下，路面必然会产生变形甚至破坏。 根据有关调查资料显示：1 9 4 8 年以前正在使用中的公路，其粒料基层和底基层的密实 度，平均结果与轻型击实试验法的最大干密度的1 0 0 相当。而1 9 6 4 年的有关调查资 料显示：薄沥青路面下的粒料基层( 在深度1 5 c m 以内) 的干密度大约为轻型击实试 验法的最大干密度的1 0 5 ，大致与重型击实试验法的千密度的1 0 0 相当。所以在压 实度标准方面已由过去采用的轻型击实试验法，转变为重型击实试验法。由此，土基 强度可以增加3 2 以上，由于采用此方法提高了压实度的要求标准，使得路用材料更 广泛，如某天然砂砾土的颗粒组成见下表所示，粒料颗粒本身的硬度及细土的塑性指 数( 4 9 ) 均满足作路面基层的要求。 表1 1 天然砂砾土的颗粒组成 l 筛孔尺寸( m ) 3 8 2 5 4 1 9 1 2 74 7 62 o0 4 2o 0 7 4 l 通过百分率( ) 8 7 1 0 07 57 0 6 34 43 63 32 2 第一章绪论 8 在含水量为7 4 时，用轻型击实试验法( 从s h t ot 9 9 ) 所制件的干密度为 2 0 3 9 c m 3 ，承载比为4 6 ，材料的强度不能满足做基层的最低要求( 承载比大于8 0 ) ， 如在同样含水量下，改用重型击实试验法( 从s h t ot 1 8 0 ) 制件，其干密度增加到 2 1 4 9 c m 3 ，承载比增高到1 0 6 ，同样这个材料就满足了基层的强度要求，可作为基层 材料使用。 由于压实标准的提高，引起了施工机械的变化，压实机械已向大型化迅速发展， 在路基施工中，现在2 0 t 以上振动压路机及拖式振动压路机的使用已十分普遍，大吨 位压路机的使用，又带来了压实工艺上的进步，大量的施工试验数据已充分证明了： 厚铺层的压实是路基和土石方压实施工的发展趋势之一。对于这种发展趋势，振动压 路机已显得力不从心，于是人们开始研究各种冲击压实技术。 举例说明：高填方压实或旧路翻新中的路基处理，应用冲击式压路机进行冲碾 盐兴公路7 、8 合同段是将原砂石路面低等级路提高到二级公路，需要翻压的地 段多，且施工时间紧，为了加快施工进度，直接采用冲击式压路机压实旧路。使旧路 路基压实达到高等级路的压实度要求。作业中冲击力达2 5 0 t 。作用深度2 5 m 。有效 深度达1 5 m ，各深度对应的压实度值详见下表所示，冲击碾压时，其沉降值的分配如 下：0 8 0 c m 占4 5 5 5 ，8 0 1 5 0 c m 占3 0 3 5 ；1 5 0 c m 以下占1 5 2 0 ，根据沉 降值s 也可计算出冲击压实的干密度： ，：= ，。f 与或月= f 等 式( 11 ) 式中：yd 冲击碾压后土基的于密度； yd 冲击碾压前土基的干密度； n7 冲击碾压后土基的压实度： n 冲击碾压前土基的压实度； s 有效冲击碾压土层的沉降量； h 有效冲击碾压土层的厚度。 上表给出了该项施工中不同碾压遍数下被压土壤的平均沉降量值。若用常规方法 翻压改建旧路路基、平均每公里约用工3 0 小时，共用约1 5 万元人民币，而该项工程 第一章绪论9 用冲击式压路机施工2 0 4 k m ，共用工时为1 8 天，每公里用工时约1 8 小时，大大缩短 了工期。由于省去了翻压繁琐工序，人工和机械费用每公里8 万元，较常规法节约了 7 万元，减少费用约占4 6 7 ，其经济效益十分可观。n 表1 2 不同冲碾遗数各深度的压实度k k 1 8 8 + 6 5 0 k 1 8 8 + 9 5 0k 1 4 6 + 5 0 0 k 1 4 6 + 7 0 0 试验段 测点 平均k标准差 变异系数测点数 平均k标准差 变异系数 数n c vnc v 冲碾0 遍 3 0 c 58 4 45 7o 0 6 749 1 45 o0 0 5 6 8 0 c m98 5 05 6 90 0 6 789 0 73 4 8o 0 3 8 1 5 0 c m48 2 ，56 7 60 0 8 259 3 55 6 60 0 6 l 1 8 0 c m29 1 8o 4 0o 0 0 4 冲碾1 0 遍3 0 c m59 4 51 70 0 1 849 6 02 70 0 2 8 8 0 c m9 8 5 7 4 3 30 0 5 189 2 74 1 30 0 4 5 1 5 0 c m58 4 43 7 6o 0 4 579 5 o3 8 2o 0 4 0 1 8 0 c 爪3 9 2 1 3 9 6o 0 4 3 冲碾2 0 遍3 0 c m69 3 7 4 2 8 0 0 4 6 49 0 86 00 0 6 6 8 0 c m7 8 9 3 l o 0o 1 1 289 2 33 1 70 0 4 0 1 5 0 c m48 4 37 3 2o 0 8 789 2 44 1 1o 0 4 5 1 8 0 c m49 3 73 6 40 0 3 9 冲碾3 0 遍3 0 c m59 8 92 6 20 0 2 64 9 7 6 4 2 7 o 0 4 4 8 0 c m89 1 2 5 1 2 0 0 5 68 9 5 63 2 l0 0 3 4 1 5 0 c m 68 6 2 6 5 80 0 7 689 6 94 4 30 0 4 6 1 8 0 c m48 9 84 6 8o 0 5 2 冲碾4 0 遍 3 0 c m49 8 75 6 4o 0 5 749 7 29 0 5 0 0 9 3 8 0 c m79 3 61 6 5o 0 1 889 4 76 1 8 0 0 6 5 1 5 0 c m9 8 8 9 5 6 7 0 0 6 4 89 4 63 2 70 0 3 5 1 8 0 c m49 3 92 4 lo 0 2 6 冲碾5 0 遍3 0 c m49 7 12 8 70 0 3 049 4 15 7 30 0 6 1 8 0 c m89 5 33 5 40 0 3 7 89 2 23 7 8o 0 4 1 1 5 0 c m7 9 4 1 6 1 0o 0 6 589 6 04 9 40 0 5 1 1 8 0 c 49 2 94 5 60 0 4 9 冲碾6 0 遍 3 0 c m59 9 53 0 8o 0 3 l49 4 15 0 4o 0 5 4 8 0 c m1 09 7 33 6 80 0 3 889 5 8 5 9 l0 0 6 2 1 5 0 c m 1 08 9 1 4 7 9 0 0 5 4 89 5 34 0 70 0 4 3 1 8 0 c m49 2 43 0 8o 0 3 3 第一章绪论 l o 由此可知：现代路摹土石方压实施工工艺方面比较显著的两种趋势就是铺层厚度 增大和压实功能提高，从而引发了土石方压实设备向高压实性能的冲击压路机或其它 复合压实机械的开发研究；这种发展必然使得生产率提高，施工工期缩短，经济效益 增加。 表1 3 不同碾压遍数相应的平均沉降值so - 而 试验段 1 02 03 04 05 06 0 k 1 8 8 + 6 5 0 k 1 8 8 十9 5 01 2 51 5 51 9 42 1 52 4 52 7 3 lk 1 4 6 + 5 0 0 k 1 4 6 + 7 0 0 7 1 9 7 1 0 91 2 3 1 3 11 3 4 2 0 0 4 年5 月，由于设计和施工需要，承担扶项高速公路n o 1 0 标段施工的河南省 交通公路工程局三处购进一台由中铁二十局机械厂生产的y c t 之5 型冲击压路机， 对全标段各类型路基分阶段进行冲击碾压；本文作者参考了一定数量有关冲击碾压施 工的资料，对全标段冲击碾压施工进行了全程的跟踪试验和研究，本论文所有试验数 据均取自实际取样结果。 1 3 本文的研究目标、内容和技术线路 1 3 1 本文的研究目标 本文研究的是高速公路路基冲击压路机冲击碾压工艺研究，希望通过此次研究实 现以下四点目标： ( 1 ) 印证冲击碾压工艺与其它常规碾压工艺区别； ( 2 ) 探讨冲击碾压工艺在不同土质、不同路段情况下的碾压效果： ( 3 ) 归纳实际试验结果，找出冲击碾压工艺对提高路基整体施工质量的规律； ( 4 ) 探讨在实际施工中合理、经济的施工工艺。 1 3 2 本文的研究内容 ( 1 ) 冲击压路机理论的研究 ( 2 )冲击压路机施工试验方案的研究 ( 3 )冲击压路机碾压工艺的研究 第一章绪论 1 3 3 论文的技术线路 ( 1 ) 了解国内外高速公路使用冲击压路机具及施工的效果。 ( 2 ) 现场施工试验，制定试验方案，确定碾压工艺，选择最佳压实方法，借助多种 测量压实效果器械，评定压实效果。 ( 3 ) 确定扶项高速n o 1 0 标段冲击压路机施工工艺。 ( 4 ) 整理资料，充实论文试验数据。 第章冲击压实技术1 2 第二章冲击压实技术 2 1 前言 2 1 1 压实技术的概念 压实技术是集被压材料、压实设备及压实工艺为一体的综合技术，在压实技术发 展的初期，人们往往仅注意压实设备的改进和发展，而忽略了压实工艺和被压材料的 研究，直到振动压路机出现之后，在研究振动压路机的振动参数优化时，人们才开始 注意到被压材料和压实设备之间是有关联的，应该把它们作为一个整体考虑，只有将 振动压路机的振动频率选择在压实设备与被压土壤系统的共振频率附近，才能获得最 佳的压实效果，从此人们开始注意到被压材料在压实技术中有着不容忽视的作用。 其后的研究表明，不同的被压材料对于同种压实设备所反映出的压实特性是不一 样的，级配砂的压实特性较好，而单一颗粒尺寸的砂、细粒的粉土和粘土的压实特性 较差；即使是同一种土壤，其含水量对压实也有很显著的影响，在某一含水量附近， 可获得较好的压实特性，含水量高于或低于这一值，压实性能均变差，所以说，被压 材料的性质与压实特性密切相关。 通过对被压材料更深入的研究，学者们还发现材料的压实特性不仅与压实设备的 压实力有关，还与压实工艺有关，不同的土壤对各种压实工艺所呈现出的压实特性是 完全不同的。这里以对松砂碾压为例。第一种压实工艺是：碾压开始就用强档振动碾 压，其结果可能是被压砂不断向碾轮两侧翻壅，不仅导致被压表面平整度很差，而且 导致整体压实度降低。第二种压实工艺是：开始先静碾1 2 遍，再以弱振档碾压1 2 遍，然后再以强震档压实，最后再封层碾压。实践证明后一种压实工艺能获得很好 的压实度，且表面平整度也较好，由此可知：压实工艺对压实效果有至关重要的影响。 压实设备对压实效果有很大的影响，这已是无争的事实。不同的压实设备由于其 工作原理不同，所产生的压实力的特性不同，必然导致不同的压实效果；同种压实设 备，工作质量( 吨位) 不同，产生的压实效果也不同。所以，研究压实技术必须结合 被压材料、压实设备及压实工艺通盘考虑，才会获得理想的压实效果。 2 1 2 影响压实的因素 第章冲击压实技术1 3 因为压实技术是一项综合技术，包含内容很多，涉及面较广，因而影响压实的因 素必然较多，下面我们就以被压材料、压实设备及压实工艺为序，逐一讨论。 l 、被压材料对压实的影响 被压材料的组成、物理化学性质及物理机械性质等都对压实有一定的影响。1 ”在 路基压实中，较多涉及的是各类土壤，由于土的成因有别，物理化学成分各异，导致 土的性质极为复杂多变，这里仅讨论对压实而言较为重要的几点。 ( 1 ) 土壤的含水量 在压实过程中，我们习惯用密实度或土壤的干容重来反映土壤被压实的程度。通 过对土壤压实过程的研究，我们知道：被压土壤的含水量对其压实度有很大的影响， 土的含水量较小时，土颗粒间的内摩阻力大，压实到一定密实度后，若压实功不能再 克服土的内力，密实度就不可能再增加；当土的含水量逐渐增加时，水在土颗粒间起 着润滑作用，使士的内摩阻力减少，因此，同样的压实功就可得到较大的密实度。但 当含水量继续增加到超过某一限度后，虽然土的内摩阻力还在减少，但单位土体中的 空气体积已减至最小限度，而土的体积却在不断增加，由于水是不可压缩的，因此， 在同样的压实功下，土的密实度反而逐渐减小，这对压实是不利的。规范规定土 方路堤应分层填筑压实，用透水性不良的土填筑路堤，应控制含水量在最佳压实含水 量的2 之内。”1 由此可知：土壤在压实过程中，存在着一个最佳含水量值，只有在 最佳含水量下碾压才易于获得较好的压实效果。一般而言，不同类型的土壤，由于其 组成成分不同、土壤颗粒间的内摩阻力不同，最佳含水量也不同。土壤最佳含水量一 般是在试验室通过击实试验测得的，那么，需要说明的是：同种土壤，对应的击实功 不同，所得的最佳含水量也将不同，总的来讲，随着击实功的增加，对应于最大干密 度的土壤最佳含水量将减小，最大干密度值提高。 ( 2 ) 土壤的类型 土壤的类型不同，所体现的压实特性也不同。一般来讲，级配土具有较好的压实 性能，易于获得较珲想的压实度，而细粒粉土或粘土以及单一颗粒尺寸的干砂压实性 能较差；土壤的分类方法有许多种，例如在公路桥涵地基与基础设计规范 ( j t j 0 2 4 8 5 ) 中将土壤分为砂土、砂性土、粉性土、粘性土和重粘土五大类，各类又 第二章冲击压实技术 1 4 可分为亚类。“1 “2 1 在以压实性能为标准的分类中( 见表3 4 ) ，i 、i i 类土壤的压实性 能较好，而i i i 、类土壤的压实性能较差，不易压实，为了改善某些难以压实的材 料的压实性能，有时不得不加入一些其它的添加剂，如在粘土中加入一定量的石灰或 水泥以改变其压实特性。此外，不同类型的土壤对于各种压实作用方式，其敏感性是 不同的，入粘性土壤对于常规的振动压实几乎没有什么变化，即使对于很强的振动， 粘性土仅呈现整体的变形，而土壤颗粒间不产生相对运动，因而不可能有好的密实效 果。但其对于冲击碾压较为敏感，故此冲击对于粘性土壤可获得较好的压实效果。 表2 1以压实性能为标准的分类法 i 岩土填力和带有大石头及石块的粒状土壤 i i 砂和砂石料 a 良好级配的 b 均匀级配的 i i i 粉砂、粉质土壤等 a 粉砂质、粉质砾石、冰择土 b 粉砂和砂质粉七、甄砂土、带土砾石 粘七 a 低或中等强度枯土 b 高强度粘七 ( 3 ) 土壤的级配 压实的过程就是土壤颗粒进行重新排列、趋于密实的过程。因而级配良好的土壤， 在压实过程中，除了各种颗粒在外力作用下，逐渐相互靠近趋于密实外，大小颗粒相 互镶嵌，小颗粒自动进入大颗粒的缝隙之中，使总体空隙体积减小，密实度提高，所 以呈现了较好的压实特性，对于单一颗粒尺寸的土壤，由于缺乏这一特点，因而压实 困难。所以，土壤的级配对其压实性能有一定的影响。 2 ，压实设备对压实的影响 任何一种地基的处理，无论是建筑地基、水利堤坝，还是公路路基，都离不开压 第二章冲击压实技术 1 5 实，而压实的实现都是借助一定的或专用的压实设备来实现的，那么，压实过程和压 实效果必然要受到压实设备的影响，下面就从主要的几个方面来分析压实设备对压实 的影响。 ( 1 ) 线压力 线压力定义为沿碾轮轴向方向单位长度上的压力，它应包括静线压力和动线压力 两部分，静线压力毛要来源于压路机的重量。一般来讲，大吨位的压路机，其线压力 高，则压实效果较小吨位的压路机要好。所以为了提高静碾压路机的压实效果，主要 途径就是增加压路机的重量。但它有一界限值，在这一界限值下，适当增加压路机的 线压力可以提高压实效果。超过这一界限值后，再盲目地增加压路机的线压力，不仅 不能使压实效果提高，还会产生“剥切”或“挤出”现象，即将碾轮下的土壤向旁边 挤出，这种现象常发生在碾压塑性较大的土质时，这显然不利于压实效果的提高。 对于不同的碾压材料和碾压状况，压路机的线压力界限值会有所变化，如当碾压 面层材料时，除了考虑避免“剥切”现象外，还应该使压路机的压力值小于被压材料 内骨料的最小破碎极限压力，否则会压碎骨料，破坏了被压材料原来的级配。动线压 力产生于激振力( 振动压路机) 或冲击力( 冲击压路机或夯实机) ，对振动压路机而 言，激振力的大小直接受限于振动系统的参数振幅。在同样的振动质量下，增加 动线压力就意味着增加激振力，那么碾轮的振幅就会提高，而振幅的设计是由该压路 机的使用场合所决定的，如碾压基层的压路机振幅一般较低，多在o 4 o 8 咖之间， 过大的振幅会使压路机碾轮跳离地面，产生脱耦现象。这不仅不利于压实效果的提高， 反而会造成对整机的振动加剧而影响机器各零件的使用寿命，对于冲击式压路机或夯 实机，增加动线压力就是增加冲击作用力，这类机械冲击力的增加在原则上是希望大 些好，但其常受限于具体的结构，不能无限地增加。 ( 2 ) 压实力的作用方式 压实力的作用方式不同，其压实效果差异很大，同吨位的压路机相比较，静作用 力压实效果最差，能压实的有效深度也最浅；振动压实无论在压实效果上还是有效压 实深度上，都比静作用压路机要好；冲击或夯击的有效压实深度最大，所获得的压实 度也较高，但其压实的均匀性方面不如振动压实。此外，对于某些特殊土壤，采用有 第二章冲击压实技术 1 6 的作用方式进行压实是非常困难的，甚至根本不起作用，如对粘性土壤的压实若采用 振动压实，几乎没有什么效果，而冲击压实则能获得理想的压实度。所以，压实力的 作用方式对压实效果有显著的影响作用。在压实施工中，不仅要注意选择压路机的吨 位，还要根据施工的具体情况选用压实力的作用方式，这样才能获得满意的压实效果。 l m ， ( 3 ) 压实功的大小 在压实过程中，只有输入的压实功所相应的作用力大于土壤内颗粒间的摩擦力或 连接力时，才能使土壤颗粒产生相对位移，相互靠近，趋于密实。否则，当输入的压 实功所相应的作用力小于土壤内部土颗粒间的摩擦力或连接力时，土颗粒间不会产生 任何相对运动，因而也就不可能实现压实。所以输入的压实功的大小对压实效果有至 关重要的影响。对于厚铺层填料和难以压实的土壤，为了得到规定的压实效果，提高 设备的压实功是解决这类