沖擊壓實技術在高速公路土石方路基中的應用

賈陸軍

(湖南路橋集團通盛有限公司)

0 引 言

沖擊壓實技術是 20世紀 70、80年代在南非發展成熟并應用于工程建設中的一種新型壓實技術,在 1996年引入我國。隨著我國經濟的飛速發展,物流業的發展和城市間的合作更加緊密,公路的交通量日益增長,原有公路的設計通行能力不能滿足交通量增長的需求,在對路基施工時要注意施工工藝。在我國公路施工中,主要用于地基的碾壓和路基的增強補壓,土方路基的分層壓實應用較少。為驗證沖擊壓實施工技術在土石方路基中的可應用性,在某公路段土方路基施工中進行了嘗試應用,并取得了較好的效果。

1 土石料壓實特性

(1)土的壓實特性是指土體在外部壓實能量作用下,顆粒克服阻力,產生位移,相互擠壓靠近,使土的孔隙減小、密度增加、強度提高的特性。

(2)以壓實為標準的分類法基于土的壓實性能,直觀、簡便,便于確定恰當的壓實方法和適當的壓實設備。按以壓實為標準的分類法,可將土分為巖土填方和帶有大塊石及石塊的粒狀土,砂和砂石料,粉砂、粉質土,粘性土四類。

(3)影響壓實的因素有很多,其中填料本身的因素主要有填料級配、填料含水量和顆粒間粘聚力等。單位體積土達到最大干密度所消耗的壓實能量(擊實功)可按式(1)計算

式中:M為擊錘質量,kg,輕型法錘質量為2.5kg,重型法錘質量為4.5kg;g為重力加速度(ms-2);d為落距,m,輕型法落距為0.30m,重型法落距為0.45m;N為每層土的擊實次數,小試筒對應擊數為 27,大試筒對應擊數為 59;n為鋪土層數,輕型法鋪 3層,重型法鋪 5層;V為擊實筒容積,m3,小試筒容積為 997×10-6m3,大試筒容積為 2177×10-6m3

(4)用細粒土作填料進行填方施工時,應將含水量控制在最優含水量wopt士(2～3)%范圍內。粉質土和粘性土用作填料時須嚴格控制層鋪厚度和含水量。礫類土或砂類土同時滿足Cu＞5和Cc=1-3兩個條件時,可以認為填料級配良好。

(5)對于混合填料,粗料(粒徑大于5mm)含量是影響填料最大干密度的主要因素。當粗料含量為 70%左右時,粗料形成完整骨架,細料填充空隙,填料壓實后的干密度值可達到最大值。

2 沖擊壓實機理

沖擊壓路機是兼具強夯和普通振動壓路機優點的一種壓實機械,作業方式是沖擊和滾動復合行為。沖擊壓路機的沖擊能是由壓路機輪軸組件的質量、壓實輪向量半徑差所產生的勢能決定的,可按公式2計算

式中:E為勢能,kj;m為沖擊壓實機輪軸組件的總質量,kg;g為重力加速度,m/s2;h為輪子的內外半徑差值,m。沖擊壓路機工作機理見圖 1。

圖1 沖擊式壓路機工作機理

沖擊壓路機的沖擊能以低頻大振幅的方式作用在路基填料中,產生強大的沖擊波向深層填土傳播,使疏松的土顆粒變得緊密,小的土顆粒逐漸填充到大的土顆粒孔隙之中,使填料得到壓實,從而達到快速高效的壓實路基土的目的,避免由于壓實度不夠、壓實不均勻等引起的路基較大變形、路基穩定性以及路面開裂這些影響交通安全。

3 沖擊壓實施工工藝

沖擊壓實的適用范圍:地基沖擊碾壓、土石混填、填石路堤分層沖壓、路基補壓等;要控制好新路基的壓實質量,充分發揮各種壓實機械的工作效率,使施工的路基達到壓實的標準的要求,具體要求如下:

(1)確定不同種類填土的最大干密度和最佳含水率;

(2)檢查控制填土的含水率;

(3)分層填筑,分層壓實;

(4)注意新舊路基結合處的壓實,舊路加寬新舊路基結合處是壓實的死角氣,因此,在壓實的過程中盡量使壓路機往邊部靠,保證結合帶的壓實,至于壓不到的地方采用人工夯實或強夯處理,保證路基整體的壓實度均勻一致;

(5)加強現場檢查和試驗檢測。

沖擊壓路機在進行沖擊壓實的過程中要保證一定的速度進行沖擊,否則,速度過慢或者過快都會影響到壓實效果。在沖擊壓實的過程中要嚴格控制沖擊壓路機的行駛速度。

沖擊壓路機壓實路基時,應按照圖 2的路線進行壓實,這樣可以保證縱向和橫向分別錯輪,進而保證沖擊地面受到均勻的沖擊壓實,能夠使地基土密度均勻,地基強度提高幅度一致,不會出現漏沖或過沖現象。

圖2 沖擊壓實的沖壓路線

沖擊壓實對填料含水率要求低,但為減少由于沖擊在填料表面出現大量細灰、塵土導致沖擊能量的較多損失,防止壓實過程中揚灰現象嚴重影響施工,應在施工前用灑水車灑水,保證施工中不揚塵即可。沖擊壓實機對深層土體有密實作用,但由于其沖壓輪產生集中的沖擊力,對表層土體有所松動,且易形成高低參差的表面,應配合使用平地機和普通壓路機,進一步提高表層土的壓實度。

4 沖擊壓實試驗研究

選取某高速公路路基作為土石方沖擊壓實試驗路段,土石方工程量約為 350000m3。

4.1 沖壓試驗參數

沖擊壓實試驗參數見表1。

表1 土石方沖壓試驗參數

4.2 沖壓施工程序

基礎層面處理、測量層面標高、填料含水量及級配控制、填筑至設計標高(厚度控制)、場地平整并測量填筑后層面標高、沖壓、測量沖壓后標高、檢測試驗、沖壓施工質量驗收、進入下一道工序。

關于填料的質量控制內容有:如果填料含水量偏大(大于最佳含水量+3%)應及時松動晾曬至最佳含水量士 3%以內;或含水量小于最佳含水量-3%,應計算缺水量,及時灑水;填料級配不能達到要求時,應現場調整填料級配;如遇雨天,不應進行施工。滿足填料含水量、級配要求和天氣條件時,方可進行施工。

關于填筑表面平整的要求:按5m×5m方格網測量層面各點標高hi,應滿足條件

式中:hi為任意點標高;σ為允許偏差,沖壓試驗可取5cm;n為方格網節點個數;h為n個標高的平均值。

對于個別不滿足條件的節點,應把以節點為中心 5m× 5m范圍土刨松5cm,填至設計標高后(必要時灑水),使用光輪壓路機靜碾 1～2遍。

4.3 不同沖擊能量的沖壓試驗

沖擊壓實相當于低能量的強夯,沖擊壓實有效加固深度按式(3)估算

式中:H為有效加固深度,m;α為比例系數;W為沖擊總能量,k。

國內外眾多工程實例中,有效加固深度公式中的系數 α統計資料標準不一,故很難取得指定工程和土類型的比例系數,只能根據經驗值預估,然后通過現場試驗確定比例系數。考慮沖擊壓實的沖擊能量與強夯不是同一個數量級,α可暫時強夯加固比例系數的一半,暫取 0.3。在行駛速度為12km·h-1時,按照式(3)計算,在25kJ沖壓機有效加固深度約為1.0m,32kJ沖壓機有效加固深度約為1.2m。以下通過25kJ沖壓機對虛鋪1.0m厚,32kJ沖壓機對虛鋪1.2m厚填筑層進行沖壓試驗。

每沖壓 4遍(2輪次),用灌砂法檢測填筑層不同深度(表面以下20cm,50cm,80cm)壓實度及試驗小區平均標高,繪制壓實度與沖壓遍數關系曲線見圖 3,表面沉降與沖壓遍數關系曲線見圖 4。粉吸收瀝青中的油分,溶脹后均勻分布在瀝青中,使得瀝青整體變軟。

圖3 沖擊壓實試驗——壓實度與沖壓遍數關系曲線

圖4 沖擊壓實試驗——表面累計沉降與沖壓遍數關系曲線

摻量—粘度:粘度是橡膠瀝青首要的技術性質,粘度大的瀝青在荷載作用下產生較小的剪切變形,彈性恢復性能好,與瀝青混合料的動穩定度有很好的相關關系。由試驗結果可知,其規律性明顯好于針入度和軟化點指標。從這個指標看出,膠粉的摻加能夠大大提高瀝青的粘度,而且隨摻量的增加,橡膠瀝青是粘度呈指數關系急劇增長,且摻量越大,增大的趨勢越明顯。

摻量—軟化點:重交通瀝青(AH-70)經膠粉改性后軟化點、當量軟化點升高,說明其感溫性能得到改善。當膠粉摻量為 15%時,與基質瀝青相比,其軟化點提高了 7.9℃, 60℃粘度增加了 4.9倍,當量軟化點提高了8℃。當膠粉摻量大于 15%時,軟化點、當量軟化點與粘度增長幅度降低。

摻量—延度:延度值基本基本都在 20～35之間,遠遠小于基質瀝青(15℃延度＞100mm)。但是可以看出摻量對延度有顯著的影響,隨著摻量的增加,橡膠瀝青的延度在增大,但是變化幅度不大。

摻量—針入度指數:在廢膠胎粉摻量較低時橡膠瀝青的針入度指數并沒有得到提高,反而有所降低,只有在較高摻量時針入度指數才有所提高,基本上隨摻量的增加而增大,說明經改性后其溫度敏感性降低了。其摻量—針入度指數的曲線基本上是一條S形曲線,在10%-20%之間針入度指數變化明顯,其他情況下隨摻量的增加,針入度指數的變化都不明顯。膠粉摻量大于 20%時,針入度指數值基本穩定。道路瀝青的針入度指數要求在 -1.0～1.0范圍內,因此膠粉摻量在 5%～15%的針入度指數滿足要求。

摻量—彈性恢復:廢膠胎粉本身是一種良好的彈性材料,瀝青的彈性恢復能力的提高可以減小荷載作用的殘余變形,減小路面的損壞。彈性恢復指標作為評價改性瀝青性能的新指標已備廣泛使用。結果表明,隨著廢膠胎粉的摻量的增大,彈性恢復增大。

摻量—短期老化:瀝青老化是一個逐漸發展的過程,它的速率直接影響路面的使用壽命,是影響路面耐久性的主要因素。從薄膜烘箱前后的針入度比可以看出,橡膠瀝青烘箱后的針入度比比基質瀝青的值大,且都大于 70%;其烘箱后的橡膠瀝青粘度提高。軟化點比比基質瀝青的低,粘度比提高,說明橡膠瀝青抗老化能力比基質瀝青的強。

摻量—當量脆點:有資料表明,當量脆點作為評價瀝青結合料低溫抗裂性能的指標是合理的,與路用性能也有很好的相關性。根據實驗結果,隨著膠粉摻量的增加橡膠瀝青的當量脆點明顯降低,在摻量較高時橡膠瀝青的當量脆點低于不摻膠粉瀝青的當量脆點。

4 結 語

上述試驗表明,膠粉摻量 15%(膠粉與瀝青質量百分比)的改性瀝青的各項性能滿足要求,經改良后,粘度增大,施工時混合料出場溫度宜 175～185℃,初壓溫度宜 165～170℃。采用膠粉改性的基質瀝青,可以使其針入度與當量脆點降低,軟化點、粘度和當量軟化點升高,說明其高溫、低溫性能得到一定的改善,并且經改良后,其 PI提高,其感溫性降低。橡膠粉作為一種新型能源再生利用材料,具有環保效益,可以降低噪聲,節約成本,修建出優質的瀝青路面。

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