公路冲击碾压技术的开发应用

公路冲击碾压技术的开发应用公路冲击碾压技术的开发应用 公路建设的实践证明 路基必须达到密实 均匀 稳定 才能 保证路面的正常服务功能 在高速公路修建中 当路基受到斜坡地 形 土石填料组成 地基土质条件等不利影响时 以及公路建成的 速度加快 路基经常会产生沉降变形而引发工程病害 近年来使用 冲击压路机开发应用的冲击碾压技术有了很大发展 在解决路基工 程质量隐患方面有所创新 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 沥青路面 水泥混凝土路面等旧路应用 冲击碾压技术进行改建 不但加快施工进度 还能达到工程质量要 求 目前除南非蓝派公司 美国 公司生产的冲击压路机外 国内已 有个厂家生产冲击压路机 有的厂家已能批量生产供应市场 因而 全国已有二十六个省 区 市应用了冲击碾压技术 工程实践表明 正确使用公路冲击碾压技术 其效果明显 能较好地消除路基的潜 在工程隐患 提高公路建设质量 应用前景十分广阔 1 冲击碾压技术 冲击碾压是岩土工程压实技术的最新发展 冲击压路机由牵引 车带动非园形轮滚动 多边形滚轮的大小半径产生位能落差与行驶 的动能相结合沿地面对土石材料进行静压 搓揉 冲击的连续冲击 碾压作业 形成高振幅 低频率的冲击压实原理 目前以 25KJ 三 边形双轮冲击压路机使用最多 其双轮静重 12t 行驶最佳速度为 12km h 对地面产生集中冲击力 200 250t 相当于 1111 1543kPa 据国家海洋局第二海洋研究所在杭金衢高速公路 的宕渣 砂砾路基上经 25KJ 三边形双轮冲击压路机以 12km h 速度 冲碾 30 遍后 实测深度 0 8 1 5 2 0 2 5m 的平均垂直动土压力 分别为 1366 306 272 138kPa 这种高能量冲击力周期性连 续冲击地面 产生强烈的冲击波 向下具有地震波的传播特性 产 生的冲击碾压功能达到超重型击实功 可使地下深层的密实度不断 累积增加 满足重型标准 90 压实度以上的有效压实厚度视不同土 石材料性状达 1 0 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 显示出克服土石路基隐患 的技术优势 15KJ 五边形双轮冲击压路机用于层厚 0 50 0 75m 分 层压实及水泥混凝土路面改造施工 冲击压路机的技术特性决定较现行常规压路机不同的压实工艺 不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 冲击压路机双轮各宽 0 9m 两轮内边距 1 17m 行驶两次为一遍 其冲碾宽度 4m 每次冲击力按冲碾轮触地面积边缘与地表以 45 2 夹角向土体内分布土压力 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 再回复到第一遍的位置冲碾 依次进行至最终遍数 冲击压路机向 前行驶在纵向冲碾地面所形成的峰谷状态 应以单双两遍为一冲压 单元 当双数遍冲压时 调整转弯半径 达到对形成的波峰与波谷 进行交替冲碾 使地面峰谷减小 表面接近平整 冲击压路机一般 行驶按顺时针与逆时针方向每五遍进行交换作业 各种土石路基冲 碾 20 40 遍可以使路基形成厚 1 0 1 5m 的均匀加固层 2 公路冲击碾压的技术效果 减小路堤的工后沉降率 通过室内模型试验与现场路堤沉降量试验观测 路基在达到规 范要求的压实度时 其工后沉降率为 0 4 左右 一般在斜坡地形的 路基断面会加大沉降量的差异 若路堤压实层厚度与填料不均匀 压实不足或均匀性不好 受到土石自重压密变形 会形成拉伸与压 缩应变区 使差异沉降加大 当两点沉降量梯度大于 0 6 以上 有 可能产生变形裂缝 山区高填方路基上常见到纵向或横向裂缝 高 填方路堤采用冲击碾压技术施工可使工后沉降率接近 0 1 0 15 能较好地避免差异变形所引发的裂缝 这是解决土石高填方路堤变 形病害的有效技术措施 北京八达岭高速公路 34m 高填方路基填料为风化花岗岩形成的 含块石细粒土砂砾 冲击碾压每层压实厚度 1m 平均压实度为重型 标准 95 路基宽 10 5m 两个断面设左 中 右沉降观测点 完 工一年后沉降量为 K10 260 断面 32 37 32mm 路基中心填方 高度 26 4m 沉降率 0 14 K10 300 断面 41 41 44mm 路基 中心填方高度 33 12m 沉降率 0 12 差异沉降量梯度均小于 0 1 表明路堤工后沉降率减小 冲碾密实 有很好的均匀性 广西六水 线 36m 34m 石灰岩填石路堤的振碾与冲压对比观测 施工期沉降 量为振碾 76cm 冲压 22cm 表明冲击碾压的密实度增强 在国内高速公路振碾达到压实要求的路基上 用冲击压路机对 路床进行检验性补压 20 遍后的平均沉降量为 北京八达岭线 5 4cm 河北宣大线 3 9cm 福建福泉线 5 0 7 0cm 湖南湘耒线 3 0 7 2cm 重庆渝黔线 4 8 7 3cm 浙江杭金衢线 2 0 3 4cm 江 西梨温线 5 0 6 0cm 等 综合分析不同土石路基路床上通过冲击补 压 20 遍后 原耒路基已经达到压实度规定的沉降量为 5 0 7 0cm 当沉降量在 5 0cm 以下 是原路基压实质量优良 如河北宣大黄土 路床原耒压实度 96 浙江杭金衢宕渣 砂砾路床级配良好 原耒 压实度在 97 以上 故冲碾后沉降量在 4cm 以下 如沉降量超过 7 0cm 则原路基压实不足 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 对于 5m 以下路堤经冲击补压后完 成的沉降量已超过正常路基可能发生的工后沉降量 保证了路基的 稳定性 特别是斜坡地形的路基其技术效果更明显 提高路基整体强度与均匀性 使用冲击压路机分层冲击碾压高路堤与补压振碾达标路床工程 能较好地提高路基的整体强度与均匀性 有利于避免路面的早期损 坏 延长路面的良好服务水平 北京八达岭花岗岩风化含块石细粒土砂砾路基的路床 经过 20 遍冲碾后 计算分析地表下 1 5m 内 用落锤式弯沉仪 FWD 检 测 平均弹性模量值由冲碾前 180MPa 提高到 228MPa 福建泉州工地对路基冲击碾压 20 遍后 用黄河标准车测弯沉值 补压前平均 l 220 0 01mm 补压后平均 l 183 0 01mm 即冲击碾压前 E 55 7MPa 补压后 E 63 4MPa 湖南冲击碾压试验段 用解放车测定冲碾 20 遍前后的弯沉值分 别为 141 0 01mm 与 66 0 01mm 折算为黄河标准车的弯沉值 分别为 219 0 01mm 与 102 0 01mm 即平均 E 由冲碾前 55 9MPa 提高到 95 1MPa 福建某高速公路全线路床经 25KJ 三边形冲击压路机补压 全 线建成通车前夕由交通部公路工程检测中心用自动弯沉仪检测 测 试里程 4 个车道总长 596 公里 74500 个数据 K0 000 K66 987 代表弯沉平均值 5 80 0 01mm K66 987 K113 028 代表弯沉平 均值 6 66 0 01mm K113 028 K154 419 代表弯沉值 8 53 0 01mm 用整车式平整度测试车检测 测试里程 4 个车道总 长 600 公里 6000 个数据 IRI 总平均值为 1 21 0 73 以相 同设备检测路面结构与施工条件相同的某连接线 10 公里 路床未进 行冲击补压 检测结果 代表弯沉平均值 16 27 0 01mm 平整度 指标 IRI 平均值 1 55 0 93 对比表明振碾路床经冲击碾压的 技术效果明显 提高了路基的整体强度与均匀性 以及路面的服务 水平与使用年限 冲击碾压后路基形成的沉降量 可计算出路基压实度的增加值 按下式计算 S h 1 Kh Kh 式中 S 为沉降量 cm h 为路基压实影响厚度 cm Kh 为 原路基压实度 Kh 为冲碾后提高的压实度 冲碾 20 遍后 在正常情况下 1 5m 层厚范围内压实度均增加 3 5 个百分点 由于冲击压路机是路床顶面上全面积的均匀冲碾压 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 0 1 5m 连续 均匀 密实的加固层 提高了路基路面的综合 强度与稳定性 特殊土地基的加固处理 通常湿陷性黄土地基较多采取强夯法处理 在宣化至大同高速 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 遍处理 冲碾 40 遍后在地表下 110cm 内土基平均压实 度达到 Kh 91 即原来黄土的干密度 d 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 在路基底面下 1m 内经冲碾压实 形成连续 均匀 密实的加固硬层 其技术指标 已经完全符合黄土地基加固的质量要求 在甘肃 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 京秦高速公路玉田段有长约 16 公里的软土路段 在 K65 800 K66 100 用冲击压路机进行了冲击碾压排水固结加固软 土地基试验 冲击碾压对软土地基具有加速沉降与加固的作用 软 土路段地表填砂砾层厚 50cm 插塑料排水板穿透软土层至砂层 平均长 15 16m 间距 1 5 2m 在砂砾层上填土高度 50cm 三天 内冲击碾压 22 遍 监测结果 地面沉降 17 4mm 连续沉降 17 8 地表下 3m 深处分层沉降 10 1mm 地表下 7m 深处分层沉降 5 0mm 当路基填土达到 2 4m 时 六天内进行第二次冲击碾压 40 遍试验 监测结果 地面沉降 20 6mm 连续沉降 21 4mm 地表 下 3m 处分层沉降 12 0mm 地表下 7m 深处分层沉降 5 0mm 地 表下 12 5m 深处分层沉降 2 5mm 地表下 17m 深处分层沉降 0 5mm 孔隙水压力在 3m 深处当碾压 18 遍时由 11 274kPa 增加 到 11 677kPa 当继续碾压达到 33 遍时 孔隙水压力由 11 274kPa 增为 16 766kPa 以上监测结果表明冲击压路机对地面 施加冲击能量 使土体受拉 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 地基土的天然稠度处于 0 5 1 0 过湿状态 需要进行加固处理 可用冲击碾压结合水稳定性好的粗粒材料垫层综合加固 该垫层厚 度按稠度 wc 确定 当 1 0 wc 0 9 垫层厚 20cm 0 9 wc 0 75 垫层厚 30cm 0 75 wc 0 5 垫层厚 50cm 在粗粒 料垫层上用冲击压路机碾压 20 30 遍后 可使地基土表面部分厚度 固结 与水稳定性好的粗粒材料形成加固地基或路床 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 通常采取开挖路面与路床 路堤 重新回填分层压 实 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 使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 30 80cm 处由 85 0 提高到 95 3 80 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 30 80cm 处由 90 7 提高到 95 6 80 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 减少费用 46 7 内蒙古包东线原 5cm 沥青混凝土面层 15cm 手摆块石 10cm 砂砾垫层 进行改建施工 用 25KJ 三边形双轮冲击压路机在面层 上直接冲击碾压加固路基 冲击碾压 50 遍后 压实度平均值 0 80cm 处由 86 8 提高到 96 4 80 150cm 处由 87 3 提高到 93 3 150 200cm 处由 86 3 提高到 90 3 路基压实度均已达 到规范要求 安徽天长 205 线高速公路水泥混凝土路面已损坏 需要进行改 建 采用 15KJ 五边形双轮冲击压路机对水泥路面进行冲碾破碎与 路基加固 冲击碾压路面在 20 遍以内 面版呈网状破坏 有一定沉 降量 已对路基进行加固 仍保持半刚性基层与原面版的版体作用 对个别土基软弱部分 需进行换填加固处理 经检测与完成技术处 理措施后 即加铺高速公路的面层 上下行车道分先后顺序已完成 施工 此外 在广东 河南 浙江等地用相同的五边形冲击压路机 进行了水泥混凝土路面改建的冲击碾压试验与施工 取得较好的技 术效果 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 3 使用冲击碾压技术的注意事项 合理选用机型 目前国内生产的冲击压路机有 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 路床的检验性补压与填石 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 正确使用冲击碾压施工工艺 对于双轮冲击压路机应按通过 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 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 80 100cm 土层冲压会形成弹簧土 无 法压实 控制构造物的安全距离 冲击压路机的轮边与构造物应有 1m 的安全距离 桥涵构造物上填土厚度不少于 2 5m 目前国内冲击压路机主要应用于高速公路土石高路堤的分层冲 碾压实 路堤 路床的检验性补压 以及地基加固处理等工程效果 较明显的领域 工程机械标委会开始考虑制订冲击压路机系列产品 的技术条件 交通部下达制订公路冲击碾压应用技术规范 正在编 制中 今后将进一步促进冲击碾压技术的发展 根据冲击压路机的 技术特点 冲击碾压对不同土石材料的压实机理尚需进行系统的研 究 还可利用冲击碾压技术研究不同自然条件下路基路面整体设计 理论与方法 目前针对冲击压路机只能向前行驶的特性 需要开发 配套的冲压设备 此外 冲击碾压技术在农业 水利 环境工程等 方面也有广阔的应用前景 冲击碾压已成路基是提高路基强度与稳定 减少路基工后沉降 加 快公路建设 确保工程质量的一种新技术 新工艺 其要点是采用 25kJ 高能量冲击压实机 在已完成的路基上进行冲击碾压的连续作 业 随着冲击碾压遍数的增加 使路基由上至下碾压而增加密实度 形成厚 1 0 1 5m 的加固层 完成优质路基的强度与稳定性要求 冲击式压实机作业时 在半空间表面上竖向冲击能传给地基的能量 是由压缩波 P 波 剪切波 S 波 和瑞利波 R 波 联合传播的 压缩波的质点运动是属于平行于波阵面方向的一种推拉运动 它使 上粒错位 剪切波的质点运动引起和波阵面方向正交的横向位移 而瑞利波的质点运动则是由水平和竖向分量所组成 剪切波和瑞利 波的水平分量使土颗粒间受剪 可使土得到密实 其冲击压实功能 反映的击实标准大于目前国际上修正葡氏击实标准 所产生的高能 量冲击功能使路基进一步密实坚固稳定 施工快速均匀 省工省时 大大降低工程费用 冲击碾压技术特点 冲击压路机以非圆形轮沿地面对土石材料进行静压 搓揉 周期 性冲击的连续作业 产生强烈的冲击波 向下具有地震波的传播特 性 以 25KJ 三边形双轮冲击压路机在宕渣 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 O 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 冲击压路机较常规压路机有不同的压实工艺 基本上不采用现有 压路机压半轮或部分重叠碾压的施工方法 而是按冲击力向土体深 层扩散分布的性状 提出新的冲击碾压方法与施工工艺 冲击压路 机双轮各宽 O 9M 两轮内边距 1 17M 行驶两次为一遍 其冲碾宽 度 4M 每次冲击力按冲碾轮触地面积边缘与地表以 45 2 夹 角向土体内分布土压力 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 各种土石路基冲碾 20 40 遍可以使路基形成厚 1 Om 1 5m 的均匀加固层 1 减小路堤的工后沉降率 通过室内模型试验与现场路堤沉降量试验观测 路基在达到规范 要求的压实度时 其工后沉降率为 O 4 左右 高填方路堤采用冲 击碾压技术施工可使工后沉降率接近 O 1 O 15 能较好地避 免差异变形所引发的裂缝 这是解决土石高填方路堤变形病害的有 效技术措施 某高速公路 34M 高填方路基填科为风化花岗岩形成的含块石细粒 土砂砾 冲击碾压每层压实厚度 1M 平均压实度为重型标准 95 路基宽 10 5M 两个断面设左 中 右沉降观测点 完工一 年后沉降量为 K10 260 断面 32MM 37MM 32MM 路基中心填 方高度 26 4m 沉降率 0 14 K10 300 断面 41MM 41mm 44MM 路基中心填方高度 33 12m 沉降率 0 12 差异沉降量梯度均小于 0 1 这表明路堤冲碾密实 均匀 性好 工后沉降完全满足质量要求 广西六水线 36M 34M 石灰岩 填石路堤的振碾与冲压做过对比观测 施工期沉降量振碾为 76CM 冲压为 22CM 表明冲击碾压的良好压实效果 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 路床进行检验性补压 20 遍后测得的平均沉降量为 5 0cm 7 OCM 如沉降量在 5 OCM 以下 则原路基压实质量优良 如沉降量超过 7 0CM 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 OCM 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 路基其技术效果更明显