沖擊壓路機(jī)碾壓遍數(shù)對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量的影響

單東旭

（河北省平泉縣公路管理站,河北 承德067500）

沖擊壓路機(jī)碾壓遍數(shù)對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量的影響

單東旭

（河北省平泉縣公路管理站,河北 承德067500）

隨著沖擊壓路機(jī)在巖土工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣，公路路基的壓實(shí)質(zhì)量也有了顯著提高。公路路基的壓實(shí)度是保證道路結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命的一項(xiàng)重要指標(biāo)，壓實(shí)質(zhì)量的好壞直接影響路基的壓實(shí)度,對(duì)公路路基質(zhì)量的影響作用很大，是公路施工中一項(xiàng)非常重要的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。論文介紹了道路路基的壓實(shí)原理;概述了沖擊壓路機(jī)的技術(shù)特性;結(jié)合工程試驗(yàn)，通過(guò)沖擊壓路機(jī)碾壓遍數(shù)對(duì)路基壓實(shí)度的影響進(jìn)行分析，最終得出隨著壓實(shí)輪對(duì)路基壓實(shí)次數(shù)的增多，所影響的路基深度由上到下漸漸降低，隨著壓實(shí)輪對(duì)路基壓實(shí)次數(shù)的增多，沉降量先大后小，漸漸趨向穩(wěn)定狀態(tài)。

公路工程;沖擊壓路機(jī);碾壓遍數(shù);壓實(shí)度;沉降量

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.022

1 引言

路基作為道路基礎(chǔ)，對(duì)道路結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度有著重要的影響，如果道路路基的質(zhì)量得不到保障，一系列的公路病害會(huì)隨之而出，對(duì)公路的使用質(zhì)量造成極其不利的危害與影響，不但降低了公路的使用壽命，對(duì)公路的經(jīng)濟(jì)效益也產(chǎn)生了不良的作用?，F(xiàn)階段，在道路工程中，壓路機(jī)的使用類型主要包括振動(dòng)式壓路機(jī)和靜壓式壓路機(jī)等，前者一般用于公路路基的壓實(shí)工程，后者一般用于公路路面的壓實(shí)工程。這兩種類型的壓路機(jī)都是通過(guò)輪胎碾壓的方式或者圓柱壓實(shí)輪碾壓的方式進(jìn)行路面壓實(shí)工作，經(jīng)由振動(dòng)波形式影響路面或路基的壓實(shí)范圍。經(jīng)過(guò)很多實(shí)踐工程證明，這兩種壓路機(jī)的實(shí)際壓實(shí)效果并不十分理想，實(shí)際壓實(shí)的深度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較淺。隨著近些年沖擊壓路機(jī)在道路工程中的廣泛應(yīng)用，道路壓實(shí)質(zhì)量有了一個(gè)新的提升，可以良好地實(shí)現(xiàn)對(duì)路基振動(dòng)壓實(shí)及夯實(shí)的雙重效果，適宜在道路路基工程中推廣與應(yīng)用[1]。

2 道路路基的壓實(shí)原理

土作為三相體，土顆粒構(gòu)成其主要骨架，土顆粒之間的空隙為氣體及水分所充盈。在道路工程中，因受到外力沖擊，土體的天然結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致土體密實(shí)度降低，結(jié)構(gòu)變得松散，土顆粒重新進(jìn)行組合。對(duì)道路路基進(jìn)行壓實(shí)的意義在于將土顆粒再次組合，增加顆粒間的密實(shí)度，降低顆粒之間的空隙，提高土體的單位質(zhì)量，從而形成一個(gè)密實(shí)結(jié)構(gòu)體，使路基最終具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)許多工程試驗(yàn)及工程實(shí)踐得出，對(duì)路基實(shí)施壓實(shí)工程后，其強(qiáng)度及穩(wěn)定度均有相當(dāng)程度的提升，具體表現(xiàn)在滲透性能的提高、土體彈塑性變形能力穩(wěn)定、隔溫性能提高等方面。壓實(shí)度指的是壓實(shí)層材料現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)后的干密度與該材料的標(biāo)準(zhǔn)最大干密度之比，用百分?jǐn)?shù)表示。

3 關(guān)于沖擊壓路機(jī)的技術(shù)特性

較于上述兩種傳統(tǒng)的壓實(shí)方法，沖擊壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)了夯實(shí)技術(shù)與滾動(dòng)壓實(shí)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其在壓實(shí)行進(jìn)過(guò)程中，沖擊壓路機(jī)的非圓形壓實(shí)輪的質(zhì)心位置不斷發(fā)生變化，凸塊持續(xù)交替循環(huán)落下與抬高，此種運(yùn)動(dòng)方式使其夯擊能力具有低頻率、大振幅的優(yōu)勢(shì)特征，同時(shí)還具備沖擊波穿透強(qiáng)度高、影響深度范圍廣，施工效果好的特性，從而在實(shí)際壓實(shí)工程中，沖擊壓路機(jī)的滾動(dòng)壓實(shí)效率高，機(jī)動(dòng)性能優(yōu)良，大幅提高了對(duì)道路路基的壓實(shí)能量，進(jìn)而有效提升了路面的承載能力，減輕了因車輛超載所形成的道路損害，延長(zhǎng)了道路的使用時(shí)間[2]。

3.1 沖擊壓路機(jī)的工作原理

其結(jié)構(gòu)主要由牽引車與三邊弧形輪構(gòu)成，由牽引車進(jìn)行拖動(dòng)牽引，逐步對(duì)道路路基壓實(shí)施工，當(dāng)沖擊壓路機(jī)的輪子逐步超前行進(jìn)時(shí)，其重心不斷發(fā)生變化，由此對(duì)路基形成巨大的沖擊作用，從而達(dá)到良好的壓實(shí)效果。沖擊壓路機(jī)的壓實(shí)輪在工作狀態(tài)時(shí)，對(duì)路基頂面的沖擊作用具有連續(xù)性及均勻性，從而使道路路基的土體達(dá)到良好的密實(shí)效果。在對(duì)路基實(shí)際碾壓時(shí)，沖擊壓路機(jī)的壓實(shí)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，壓實(shí)輪的重心會(huì)隨之抬高、降低3次。沖擊作用可分為2個(gè)階段：

第一階段，在牽引車的牽引拖動(dòng)下，壓實(shí)輪逐步向前行進(jìn)，與地面產(chǎn)生摩擦力，其重心位置位于滾動(dòng)路線的最低點(diǎn)，行程繼續(xù)，重心位置隨之逐步上移，其勢(shì)能和動(dòng)能漸漸相應(yīng)提高，沖擊壓路機(jī)內(nèi)部的緩沖機(jī)構(gòu)開(kāi)啟工作模式，蓄能器結(jié)構(gòu)內(nèi)的緩沖液壓缸開(kāi)始收縮，蓄能器由此進(jìn)行蓄能工作。

第二階段，當(dāng)沖擊壓路機(jī)的壓實(shí)輪的重心位置位于滾動(dòng)路線的最高點(diǎn)時(shí)，行程繼續(xù)，其勢(shì)能逐步轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，蓄能器結(jié)構(gòu)內(nèi)的緩沖液壓缸漸漸伸張，蓄能器由此釋放壓力能，完成勢(shì)能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程。當(dāng)沖擊壓路機(jī)的壓實(shí)輪的另一條滾動(dòng)曲線和路面相接觸時(shí)，對(duì)道路路基生成巨大的沖擊作用及夯實(shí)效果。如果牽引速度加快，那么處于第一階段的蓄能器內(nèi)的緩沖液壓缸的收縮性會(huì)隨之增加，所儲(chǔ)蓄的能量也就越高，第二階段蓄能器所釋放的能量也相應(yīng)增多，轉(zhuǎn)化生成的動(dòng)能進(jìn)而增加，這一系列的過(guò)程對(duì)路基產(chǎn)生的沖擊作用及夯實(shí)效果就越顯著。經(jīng)過(guò)很多實(shí)踐工程得以證明，壓實(shí)輪的碾壓速度以10～12km/h最為合適。

3.2 沖擊壓路機(jī)的沖擊能量

由以上原理得知，沖擊壓路機(jī)是以非圓形的壓實(shí)輪產(chǎn)生的集中化的沖擊能量達(dá)到道路路基的壓實(shí)目的的，依靠的動(dòng)力由3部分組成：（1）壓實(shí)輪重心點(diǎn)提升所儲(chǔ)備的勢(shì)能；（2）壓實(shí)輪持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能；（3）壓實(shí)輪在行進(jìn)過(guò)程中克服地勢(shì)條件所做的功。因以上動(dòng)力產(chǎn)生的沖擊作用及沖擊能量是衡量壓實(shí)能力及壓實(shí)質(zhì)量的主要參數(shù)。一般情況下，沖擊壓路機(jī)以靜能量來(lái)標(biāo)定，計(jì)算公式為：

式中,N1為能量；M為動(dòng)力結(jié)構(gòu)壓實(shí)輪的質(zhì)量，；g為引力常數(shù)，取9.81m/s2；h為壓實(shí)輪外半徑與其內(nèi)半徑的相差數(shù)值。

3.3 關(guān)于壓實(shí)輪的計(jì)算方法

沖擊壓路機(jī)的壓實(shí)輪在工作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的總沖擊能量還包含平動(dòng)能量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣性能量，總沖擊能量的表達(dá)公式為：

式中，N為總沖擊能量；M為壓實(shí)輪質(zhì)量；V為壓實(shí)輪水平速度；I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣性能量；ω為壓實(shí)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

3.4 壓實(shí)輪產(chǎn)生的沖擊力

壓實(shí)輪對(duì)道路路基所生成的沖擊作用與多種參數(shù)具有緊密的關(guān)聯(lián)性。具體參數(shù)包括與輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度、路面接觸的時(shí)間長(zhǎng)短、路面土體的彈塑性等。依據(jù)Boussinesq公式，道路路基中某一點(diǎn)的z向應(yīng)力表達(dá)式為：

式中：σz為道路路基中某一點(diǎn)的z向應(yīng)力；P為道路路面的集中力承載負(fù)荷；Z為道路路基深度；R為道路路基中一點(diǎn)至力作用點(diǎn)的距離長(zhǎng)度。

3.5 對(duì)路基有效影響的深度

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)具體施工情況，綜合考慮土體參數(shù)的影響作用，其有效影響深度公式為：

式中，H為加固深度；m為夯錘質(zhì)量；h為落錘高度；a為加固系數(shù)；g為引力常數(shù)，取9.81m/s2

4 工程概況

該項(xiàng)工程項(xiàng)目全長(zhǎng)5.0km，國(guó)家一級(jí)公路，公路路基的寬度為35m，中央隔離帶寬2.2m，雙向六車道。該工程處于華北平原中南部區(qū)域，為多種河流沖積而成的平原地帶。工程沿線的土體結(jié)構(gòu)為沖擊粉質(zhì)亞黏土與輕質(zhì)亞黏土混合而成，黏土層較厚。選取某一路段使用沖擊壓路機(jī)進(jìn)行路基壓實(shí)質(zhì)量的試驗(yàn)，具體參數(shù)設(shè)置為：壓路機(jī)功率380kW，勢(shì)能20J，壓實(shí)輪質(zhì)量5t，壓實(shí)輪寬度為0.9m，牽引碾壓速度為10km/h。通過(guò)核子密度儀對(duì)路基進(jìn)行鉆孔，取樣檢測(cè)路基壓實(shí)度，通過(guò)水準(zhǔn)儀對(duì)路基進(jìn)行沉降量的檢測(cè)，在公路中央的隔離帶外緣兩側(cè)6m的位置分別布設(shè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)兩點(diǎn)分別進(jìn)行測(cè)量，得出的平均值為最終結(jié)果。進(jìn)而分析壓實(shí)輪碾壓遍數(shù)對(duì)道路路基的壓實(shí)度及沉降量所產(chǎn)生的影響作用。

5 對(duì)道路路基壓實(shí)度的試驗(yàn)分析

為切實(shí)掌握沖擊壓路機(jī)的碾壓遍數(shù)對(duì)道路路基的壓實(shí)質(zhì)量的規(guī)律性，本工程試驗(yàn)對(duì)不同路基深進(jìn)行鉆孔取樣，對(duì)路基壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同路基深度壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析最后得出，對(duì)于同一路基深度，隨著沖擊壓路機(jī)的碾壓遍數(shù)的增多，道路路基的壓實(shí)度也相應(yīng)提高，當(dāng)壓實(shí)次數(shù)達(dá)到32遍時(shí)，路基壓實(shí)度漸趨向穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于沖擊壓路機(jī)同一壓實(shí)次數(shù)，路基的深度越淺，路基壓實(shí)度所受到的沖擊能力的影響就越大。比如在深度為0～0.6m的路基部位進(jìn)行碾壓時(shí)，當(dāng)壓實(shí)次數(shù)達(dá)到24遍時(shí)，路基壓實(shí)度就已達(dá)到最大值；在深度為1.0～1.5m的路基部位碾壓時(shí)，壓實(shí)次數(shù)達(dá)到40遍時(shí)，路基壓實(shí)度僅達(dá)到90%。隨著壓實(shí)輪對(duì)路基壓實(shí)次數(shù)的增多，所影響的路基深度由上到下漸漸降低[3]。

6 對(duì)道路路基沉降量的試驗(yàn)分析

為切實(shí)掌握沖擊壓路機(jī)對(duì)道路路基的實(shí)際碾壓效果，在壓實(shí)輪不同碾壓遍數(shù)的前提下，對(duì)道路路基頂面的沉降量進(jìn)行檢測(cè)并作出分析。對(duì)布設(shè)的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 沉降量檢測(cè)數(shù)據(jù)圖

通過(guò)對(duì)具體數(shù)據(jù)的分析得出，當(dāng)壓實(shí)輪的壓實(shí)次數(shù)越多時(shí)，道路路基的累積沉降量隨之增大，初次碾壓到8次時(shí)，沉降量的效果極為明顯，當(dāng)沉降量達(dá)到5.5mm的時(shí)候，仍然增加壓實(shí)次數(shù)，其沉降量基本保持在1.5～2.0mm范圍內(nèi)，沉降效果不顯著。隨著壓實(shí)輪對(duì)路基壓實(shí)次數(shù)的增多，沉降量先大后小，漸趨向穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別進(jìn)行檢測(cè)觀察，得出兩個(gè)路基部位的沉降量的規(guī)律大體一致。

7 結(jié)語(yǔ)

公路路基壓實(shí)的影響因素很多，其中碾壓對(duì)路基壓實(shí)的影響作用不容忽視，沖擊壓路機(jī)在碾壓過(guò)程中的質(zhì)量控制直接決定著公路路基壓實(shí)度的質(zhì)量。而在實(shí)際施工過(guò)程中，沖擊壓路機(jī)對(duì)路基的碾壓遍數(shù)越多并不代表壓實(shí)質(zhì)量就越好，如果一味追求碾壓遍數(shù)，這樣不但會(huì)增加壓實(shí)功率，導(dǎo)致施工成本的增高，另外對(duì)道路路基的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不利影響，出現(xiàn)一系列的橡皮泥現(xiàn)象，使道路的承載能力降低[4]。所以，應(yīng)結(jié)合實(shí)際施工情況，合理選擇壓實(shí)機(jī)械，科學(xué)確定道路碾壓遍數(shù)，從而保證道路路基壓實(shí)度達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，加強(qiáng)道路的使用性能以及延長(zhǎng)道路的使用時(shí)間。

【1】楊娥，廖利偉.沖擊壓路機(jī)破裂穩(wěn)固舊水泥混凝土路面力學(xué)效應(yīng)分析[J].中外公路，2014(2)：101-104．

【2】盧達(dá)，鄧家喜，郝純中，等.沖擊壓路機(jī)在填石路基中補(bǔ)強(qiáng)壓實(shí)的應(yīng)用[J].中國(guó)巖溶，2005（2）：152-155.

【3】賀杰，張潤(rùn)利，逢宏波,等.沖擊壓路機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[J].工程機(jī)械，2002（2）：35-37.

【4】張曉玉，湯振周．沖擊壓路機(jī)在高速公路填方路基中的應(yīng)用[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2010(11)：39-42．

Impact RollerCompaction Times on the Quality of theRoadbedCompaction

SHANDong-xu
(Pingquancountyin Hebei ProvinceHighwayStation，Chengde 067500，China)

Alongwith the application of impact roller in geotechnical engineering ismore andmorewidely, highwaysubgrade compactionqualityhave improved significantly.Highway subgrade compaction is to ensure that a road structure strength and service life of the importantindicators, the compaction quality directly affect the quality of subgrade compaction degree of highway roadbedmaterial role is very big, theinfluence of highwayconstruction is a veryimportant link of qualitycontrol.This article first introduces the principle of roadbed compaction,and then summarized the technical characteristic of impact roller, then combined with the engineering test, through the impact roller rollingpass to analyze the influence of the roadbed compaction degree, finally it is concluded that wheel as the compaction of subgrade compactiontimes increasing, the influence of subgrade depth from top to bottom gradually reducing, wheel as the compaction of subgrade compactiontimesincreasing,settlementafterthefirstbigsmall,graduallyinclinetostablestate.

roadengineering;impactroller;rollingpass;compaction;settlement

U415.52+1

B

1007-9467（2016）09-0088-03

2016-04-01

單東旭（1975～），男，河北承德人，工程師，從事橋梁養(yǎng)護(hù)、維修加固技術(shù)研究，（電子信箱）99753215@qq.com。