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冲击碾压技术在高速公路路基施工中的应用 作者 孙飞 一 工程概况二 冲击碾压的原理及特点三 压实机的应用四 冲击压路机的标定和力的计算五 冲击碾压设备的选择六 冲击碾压的施工七 施工参数的确定 冲击压路机的开发应用 加速了岩土工程压实技术的发展 为解决路基质量隐患问题提供了一种新思路 如有效地减少路基的工后沉降与差异沉降 保证路堤的整体稳定性 对碾压成型路基的路床 路堤进行检验性追加冲碾遍数 提高了路基的整体强度与均匀性 对湿陷性黄土地基或软弱地基进行冲击碾压的填前处理 使地基满足承载力与稳定的要求 对砂石路面 水泥混凝土路面等旧路应用冲击碾压技术进行改建 可加快施工进度 达到工程质量要求等等 目前国内除极少省 市 自治区外 绝大部分外都已应用冲击碾压技术 由于冲击碾压具有较高的冲击能 会引起一定范围内土体的振动 从而可能造成距施工现场较近的建 构 筑物受损 同时冲击碾压引起的地表振动随着距离的增加而衰减 因此存在影响施工的安全距离 冲击碾压施工 一 工程概况项目区处于平原微丘区 按照交通部标准 公路工程技术标准 及本项目 工程可行性研究报告 研究结论 本项目为原有28m双向四车道双侧扩建为路基宽42m双向八车道高速公路 设计车速为120km h 为减少新老路基差异沉降 对于非桩处治路段 基底清表后用冲击式压路机碾压 路基施工中 基底至路床底范围内 路基每填筑2m 用冲击式压路机冲碾补压一次 碾压20遍 须保证路床底冲碾一次 要求冲击式压路机采用25KJ高能量三角式梅花轮冲碾 冲碾段起终点距结构物最少5m 国内有些高速公路路基在振碾达到压实要求后 用冲击压路机对路床铺进行检验性补压20遍后测得的平均沉降量为5 0cm 7 0cm 如沉降量在5 0cm以下 则表明原路基压实不足 其压实度未达到要求 或在90区冲击补压时 沉降量也大于7 0cm 许多5m以下路堤经冲击补压后 测得其沉降量已超过正常路基可能发生的工后沉降量 因此 应用冲击压实技术可充分地保证路基的稳定性 特别是斜坡地形的路基技术效果更明显 正常情况下 路基冲碾20遍后 1 5m层厚范围内压实度均增加3 5个百分点 由于冲击压路机是在路床顶面上全面积地均匀冲碾压实 达到了全路基的直接检验与补充追加压实 在路床顶面以下形成1 0m 1 5m连续 均匀 密实的加固层 从而使路基路面的综合强度与稳定性得全面提高 冲击碾压的历史冲击压路机的发明在中国 从科学技术史和技术原理承接的角度讲 冲击压路机就是在中国古代 夯 和 碾 的基础上发展而来的 夯和碾是中国古代劳动人民智慧的结晶 早在4000年前的夏王朝 夯和碾就已经被用来作为分层压实土基的工具 20世纪末 考古学家对位于河南省偃师市的夏都城二里头遗址和第三代商都城遗址上都有非原地土的夯实基础 当然 远古时代的夯和碾由于年代久远 做工粗糙 缺乏更多历史记录等原因已经很难考证其具体的形状 但到了公元1世纪左右中国发明了造纸术后 在有文字记录的文献里 西汉农学家胜的 胜之书 中对 碾 就有了较为详尽的记载 碌碡 也就是一种用畜力牵引 碾压谷物 土壤等需要压实作业的工具 碌碡 在当时的使用是非常普遍的 到了南朝 公元5世纪 由顾野王撰的词语书 玉篇 石部 中对 夯 有了非常明确的描述 夯在当时被称为 砣 意为石磙上装有把柄 是一种由重力而产生冲击力作用砸实地基的工具 夯的另一种形式一 硪 wo 也是一种靠绳索举高砸实地基的工具 三夯一硪 的压实作业法在土工行业一直流传至今 我们不难发现两者在工作时各具千秋 由物理学动量定理可知 夯所利用的是由重力势能经过动能而转化来的冲击力完成土基砸实工作的 它的优点表现为瞬时冲击力大 缺点是冲击作用不均匀 碾则完全是靠碾轮的重力作用完成压实工作的 它的特点和夯正好相反 优点是压实力均匀 缺点是压实力不够大 研发一种能够克服夯和碾的缺点 充分发挥夯冲击力大和碾运行平稳的优点的机器则成为了现代压路机发展的一个方向 冲击压实技术是一种用非圆形 大功率 连续滚动冲击压实路面 路基的技术 它于20世纪50年代由南非AubreyBerrange公司提出 但成为一种成熟的可供实用的非圆滚动冲击压实机则是在20世纪70年代至80年代 上世纪90年代开始向全球推广 1995年由南非蓝派公司将这种压实设备传入我国 它具有运行速度快 施工工序少 工期短 成本低 应用范围广等优点 能够提高路基强度 稳定性和均匀性 防止不均匀沉陷而造成的路面损坏 冲击压实机到目前已发展成十几种机具 压实轮分为3 4 5 6边形及实体 空体 可填式多种产品 二 冲击碾压原理简介及特点 冲击碾压是采用冲击式压实机 一种新型压实设备 配备压实轮 压实轮在牵引机拖动行驶滚动中产生集中的冲击能并辅以滚压 揉压的综合作用 使土石颗粒之间发生位移 变形和剪切 从而使土体深层随着冲击波的传播得到压实 以25kJ三边形双轮冲击压路机在宕 dang 渣 砂砾路基上冲击压实为例 压路机按12km h速度冲碾30遍后 实测深度0 8m处的平均垂直动土压力为1366kPa 相当于对地面产生冲击力200t 250t 产生的冲击功能达到超重型击实功 可使地下深层土体的密实度不断累积增加 达到重型标准90 以上压实度 有些土石材料性状有效压实厚度达1 5m 比现有振动压实机械有更好的压实功效 使被冲压的土石填料更接近于弹性状态 压实轮在牵引机的拖动下连续作用于地面 使大面积地基得以压实 冲击碾压技术的突出特点是影响深 一般在3M 速度快 12 15KM h 压实质量高 冲击式压路机应用范围 1 公路 铁路 水坝 飞机场 楼房 工厂 住宅的地基压实 2 水泥厂废料 灰类 煤等散状物堆放场地的压实 3 含水量比较宽的土石方压实 4 岩石 粘土 膨胀土的压实 5 露天煤层的阻燃压实 冲击式压路机主要特点 1 采用蓄能器 液压缸 牵引轴上的压簧缓冲 消除冲击对牵引车的影响 2 操纵举升缸 冲击轮被拖车支承离开地面 可作短途转场而不损坏路面 3 液压油来自牵引车液压系统 通过快换接头连接 方便 快捷 4 工作中 可选用推土机 平地机 洒水车配合 便于更有效压实 系列冲击式压路机生产效率高 1 每小时压实的基础可高达20000平方米 2 平均工作速度为每小时10 15千米 3 压实影响深度可高达5米 有效压实深度1米 4 每次填方厚度为800 1200毫米 5 工程效益是其它设备的十倍 冲击式压路机效益显著 1 采用冲击式压路机修复旧路面节约成本50 以上 2 减少环境污染 通过冲击式压实机的冲击碾压 能有效减少公路路基的工后沉降量 大大改善因不均匀沉降而形成的道路病害 提高路基的整体强度和均匀性 对于暴露地基或路基的内部缺陷 避免隐患 提高施工质量等具有显著的效果 同时对于保证道路的使用质量及延长道路使用年限具有重要的作用 冲击压实机的技术特性决定较现行常规压路机不同的压实施工工艺 不是采用现有压路机压半轮或部分重叠碾压的施工方法 而是以冲击力向土体深层扩散分布的性状 提出新的冲击碾压方法与施工工艺 三 冲击压实机的应用1 特殊土地基加固处理湿陷性黄土地基较多采取强夯法处理冲击压路机进行施工 河北某高速公路路基底层湿陷性黄土地基采用25kJ三边形冲击压路机在地表面冲碾40遍后 地表下110mm内土基平均压实度达到KH 91 即原来黄土的干密度PD 1 35g cm3提高到1 70g cm3 其湿陷系数由0 0438降为0 0022 消除了湿陷性 地表下土基1m内平均弹性模量达到80MPa以上 其技术指标已经完全符合黄土地基加固的质量要求 甘肃 宁夏 山西等湿陷性黄土地基采用冲击碾压进行处理 也取得同样加固效果 冲击碾压对软土地基具有加速沉降与加固的作用 当碾压达到33遍时 孔隙水压力由11 27kPa增为16 766kPa 监测结果表明 冲击压路机对地面施加冲击能量后 土体受拉 压作用 软土自由水经塑料排水板排出地表后土体密实度增加 加速了软基的沉降固结 如果在软基上填筑路堤 采用冲击压路机分层碾压工艺 可在施工过程中加快软基的固结速度 有利于软基的沉降固结 2 加快旧路改造施工当公路升级需要改建旧路时 必须提高路基质量 满足新路等级的压实标准 通常的做法是开挖路面与路床 路堤 重新回填分层压实 以达到规定的压实度 对沥青或水泥路面需要破碎 翻挖与清除 采用冲击碾压技术则不必开挖路面与路基 可以直接在原路面上用冲击压路机进行冲碾施工 使路基达到质量要求 旧路面能得到利用 应用这种新工艺能节约筑路材料 有利于环境保护 保证工程质量 加快改建公路进度 宁夏盐兴公路改建 将原砂石路面低等公路提高到二级公路 用25kJ三边形双轮冲击压路机直接冲碾旧路 完成试验段后 指导全线施工 低液限粉土段冲碾50遍后 压实度平均值0 30cm处由84 8 提高到97 1 30cm 80cm处由85 0 提高到95 3 80cm 150cm处由82 5 提高到94 1 平均沉降量24 5cm 路基技术指标已达到规范标准 生产路段低液限粉土路基按冲碾50遍施工 粉土质砂段冲碾30遍后 压实度平均值0 30cm处由91 4 提高到97 6 30cm 80cm处由90 7 提高到95 6 80cm 150cm处由93 5 提高到96 9 180cm处由91 8 提高到93 9 平均沉降量11cm 路基技术指标已达到规范标准 生产路段粉土质砂路基按冲碾30遍施工 经比较 冲击碾压比正常工艺施工每公里由15万元降至7万元人民币 费用减少53 3 公路升级改建需要加宽修建新路基 特别是二级公路改建为高速公路时 使用冲击碾压技术能较好地解决新老路结合引起的变形裂缝问题 在加宽路基与坡脚外1 0m地基范围内 地基应进行冲击碾压加固处理 如属于前述的特殊土地基 则采用的技术措施与冲击碾压结合进行加固处理 当新加宽路基分层压实到路床后 对新老路结合部与新路床进行了冲击碾压检验性补压 再视完成路基的具体状况 必要时在结合部路床内加铺土工格栅 这样处理后能较好地避免产生因新老路结合所引发的沉降变形裂缝 四 冲击式压实机的标定和计算冲击压路机的压实是依靠冲击力 振动力和碾静重压力三者共同作用 见图 压实机质心位于最高时坠落而发生的冲量 压实轮以一定速度旋转和跳动引起的振动 压实轮静重在滚动过程中压实土基时做功 冲击压实机以其静止时的势能来标定 这个势能在运动时产生动量 从而转化成很大的冲击力的 如冲击压实机质量为12t 其势能E为25KJ 冲击力为250t 是压实轮质量的16倍 1 冲击式压实机的标定 25KJ冲击式压实机是以压实轮与内组件的质量M 压实轮向量半径差h所产生的势能E来标定的 E MghM 动力部件的质量 Kg M 12tg 重力加速度 取g 9 8m s2h 轮子外半径同内半径的差值h R r m 0 22m其压实能力标定值E 12 9 8 0 22 25 KJ 2 冲击力的计算压实机在行走中压实轮对地面的冲击力与压实轮转动的线速度有关 牵引车的牵引速度一般在12 15Km h 计算出冲击的速度为3 33m S 取作用路程为0 0333m 则冲击作用的时间t 0 01S 按动量与冲量的原理计算冲击力N N M V0 V 0 tV0 冲击初速度 m s V0 冲击末速度 m s 此处为0 t 冲击作用时间 s N 400T实际上V和t是变量 N一般在250T 400T之间 以这样大的低频高幅冲击能力作用于土体 使土体得到极大限度的压实 A 主要设备 采用25KJ冲击式压实机 配备三边形压实轮 B 辅助设备 平地机 洒水车 光轮压路机 五 冲击碾压的施工 1 施工工序 场地放样 场地清理 场地周边防护 碾压前密实度 高程测量 记录 洒水车洒水 平地机刮平 压路机静压 场地长度不小于100米 冲击碾压3遍 时速 12km h 平地机刮平 洒水均匀 压路机静压 冲击碾压5 8遍 时速 12km h 平地机刮平 压路机静压 冲击碾压累计至20遍 平地机刮平 压路机静压处理 20cm 70cm 90cm 120cm深度密实度检测及高程测量 符合设计值进入下道工序 低于设计值增加冲击遍数 施工方法1 检验路基在冲击碾压前必须先检验 压实度 平整度 合格后 并进行高程检测 2 测点布置按每20m一个横断面 每个横断面布置3个测点 分别是路基中线 距离左 右边线 包括加宽部分 1m处 并应在冲击碾压前测出所布每个测点的高程和压实度 3 碾压方法我工区的冲击压路机采用双轮冲击压路机 两冲击轮之间的外部宽度为296cm 轮宽90cm 轮隙宽度116cm 对此型冲击压路机冲压1次的计算压实宽度为2m 经错一个轮宽冲压1个来回后 计算冲压宽度4m 每遍第二次的单轮由第一次两轮内边距中央通过 形成的理论冲碾间隙双边各0 13M 当第二遍的第一次向内移动0 2M冲碾后 即将第一遍的间隙全部碾压 第三遍再恢复到第一遍的位置冲碾 依次进行至最终遍数 这样每次冲击工作面波峰 有利于冲击点的满布 均匀 增强冲压整体效果 根据以上原则 施工前对路基基底宽度布置相应的冲击碾压方式 各种不同宽度的基底 冲击碾压圈数作相应的调整 使轮迹满布并尽可能均匀 冲击式压路机行走方式确定后 对施工作业人员进行技术交底 包括压路机走行方式 走行速率 碾压遍数等 用冲击式压路机进行冲击碾压 压路机的行进速度控制在12 15km h左右 其走行方式如上图 从路基的一侧向另一侧转圈冲碾 冲碾顺序采取 先两边 后中间 的次序 每一圈从上一圈两轮中间通过 铺盖整个路基表面为冲碾一遍 4 验收碾压结束后质检工程师即带领试验人员和测量人员对路基碾压进行随机抽样检查 试验人员主要对检测点进行压实度检测 测量人员要对路基监测点碾压后沉降高程 平整度等项目进行检测 若有不合格的部分立即进行补压或采用其它有效措施 直到达到合格为止 经自检及监理抽检合格后方可进行下层的回填 冲击碾压施工测量 画线分割冲击碾压面 以冲压面中心线为轴转圈行驶 确保行走速度 逆时针旋转行走保证行走速度 冲击碾压施工现场 碾压后形成的波形路基面 碾压结束后采用20T钢轮压路机碾压密实 沉降量观测 现场含水量试验及压实度检测 为监测沉降与稳定埋设的沉降标尺 冲积碾压完成后 用平地机整平施工冲击碾压路段 然后采用振动压路机将路基表面碾压密实平整 若表土干燥 应适量洒水 以保证压实效果 3 施工注意事项 1 合理选用机型目前国内生产冲击压路机有12个厂家共20个型号 类别繁多 使用不当 很难达到预期的目的 对于路堤 路床的检验补压与填石 土石混填路堤的分层压实 经全国现有的工程实践证明 宜使用25kJ三边形双轮冲击压路机 对水泥路面改建与土质路堤分层压实 宜使用25kJ五边形双轮冲击压路机 2 正确使用冲击碾压施工工艺双轮冲击压路机应用按通过两次为一遍 压实宽度4m为计算单元 并按前述的施工工艺作业 单轮冲击压路机以通过一次的轮宽为压实计算单位 3 正确理解冲击碾压有较宽的含水量范围由于冲击压路机具有高能量的压实功能 相当于超重型击实标准的击实功 达到重型压实度的含水量仅在小于最佳含水量范围内扩大 其大于最佳含水量的范围不会扩大 因此 含水量视土的塑性指数大小 宜控制稠度不小于1 1 1 2 否则厚80cm 100cm土层冲压会形成弹簧土 无法压实 4 该段路基属填方地段 地势平缓 冲击碾压施工前要做好清表 范围要依据边线放样进行 5 冲击碾压前 记录好清表前地面高程 水准点 中桩位置原始资料 以便以后用前后数据进行对比以确定冲击压实后的沉降量 6 为防止振动及土体侧向变形对构筑物的挤压破坏 冲击压实时冲压机距涵洞边缘保持2米的净距 与明涵台保持5米的净距 本路段两侧30米内均有民房数处 所以在施工段两侧挖深1米 宽30CM的防震沟 7 冲击碾压若干遍后 地面成波浪状 严重时会产生跳车现象 继而影响车速和冲击效果 应及时进行整平处理 并视土质含水量和扬尘状态适时洒水 8 按要求碾压20遍后 考虑到地面下有15CM的扰动层 因此适时进行整平 静压处理 雨季施工保证措施1 收集气象资料 做好雨前施工防范工作 2 路基开工前 充分考虑排水系统的布设 防止在施工中线路外的水流入线内 并将线路内的水 包括地面积水 雨水 地下渗水 迅速排出路基 保证施工顺利进行 3 在雨季施工中 填筑层表面应适当加大横坡度 4 左右 以利于排水 并及时碾压成型 严防路堤积水 防止填土被雨水泡软 4 雨后晾晒至土的最佳含水量时 及时进行复压 以防止水分蒸发过度而引起表面干裂 八 关于冲击碾压施工的几点体会1 施工中平地机 洒水车要配合到位 一次性处理长度要尽可能大 确保机车行驶速度 从而保证处理深度 2 碾压施工完成后 要用光轮压路机再次碾压 并精平 进一步提高表层土的压实度 3 冲击碾压对压实效果比较明显 极大地提高工作效率 降低劳动强度 缩短工期降低成本 与传统设备相比 冲击压实机速度快 冲击力强 影响深度大 可适当放宽对含水量的要求 成本低 工后沉降小 4 冲击碾压施工必须保证一定的机车行驶速度 因此很适合大面积作业 如果今后再遇到大面积特殊土路基 采用冲击碾压处理实属首选方案 5 冲击碾压处理的效果是否理想 与冲击碾压的设备有很大关系 6 冲击碾压的效果与表层的 30cm 平整度和含水量也有较大关系 平整度好 表层的含水量接近最佳含水量则效果显著 7 从各种测试手段来看 在路基底面下2米内经冲碾压实 形成连续 均匀 密实的加固硬层 其技术指标已接近路基上路床指标 完全符合地基加固质量要求 六 施工参数的确定1 冲击碾压试验冲击碾压法采用的是一种新型压实设备 目前还没有一套成熟的理论和设计计算方法 用冲击碾压法处理地基 一定要根据现场的地质