超厚鋪層壓實設備的現(xiàn)狀與應用

劉潔+牛春亮+李朋偉+謝娟娟

0 引言

隨著國家各項基礎設施建設的快速發(fā)展和施工質(zhì)量要求的不斷提高，在道路、高鐵、機場和水利建設中超厚層攤鋪、壓實工藝得到快速推廣和應用。超厚層攤鋪壓實可減小結(jié)構(gòu)物總層數(shù)，有效改善層間結(jié)合，增強路面結(jié)構(gòu)的整體性，提高施工效率，降低施工成本[1]。

一般超厚鋪層的單層厚度為450～800 mm，甚至更厚。目前應用于超厚層壓實的設備以采用圓周振動、垂直振動和沖擊3種壓實方式的壓路機為主，他們有各自的特點[2-5]。本文將分別對其進行壓實原理和工程應用等方面探討，以期為實際工程提供參考。

1 壓實原理

1.1 圓周振動壓路機

圓周振動壓路機的激振器沿滾輪軸線布置，工作時振動軸上的偏心塊繞中心軸周期性高速旋轉(zhuǎn)，形成圓周方向的激振力，使被壓實材料處于高頻振動狀態(tài)，并降低其內(nèi)摩擦力；此外，在超大噸位壓路機本身重力和激振力的作用下，對被壓實材料施加一定的壓應力和剪切應力，迫使被壓實材料的顆粒重新排布、互相嵌鎖，從而提高被壓實材料的壓實度（圖1）。

振動壓路機的主要工作參數(shù)是振幅和頻率，振動參數(shù)的選擇直接影響振動壓路機整機性能和壓實效果。由于被壓實材料的物理特性復雜多樣，使得振動參數(shù)的選取也較為復雜。振動參數(shù)選取的基本原則是：用于基層壓實時，應優(yōu)先保證其工作振幅，主要修正振動頻率；用于路面壓實時應優(yōu)先保證其振動頻率，主要修正工作振幅。

（1）頻率。通常把“壓路機-土”系統(tǒng)簡化為具有2個自由度的振動系統(tǒng)。這種二自由度的數(shù)學模型基本上可真實地反映“壓路機-土”系統(tǒng)的實際動態(tài)響應。對該數(shù)學模型進行分析，可以得到上、下車振幅隨激振頻率變化的曲線，如圖2所示。

振動壓路機在壓實作業(yè)過程中，振動輪的振幅會隨著頻率變化而波動。為了使振動壓路機上、下車的振幅保持相對穩(wěn)定，應該使振動壓路機的振動頻率略高于二階固有頻率。但是，這種頻率選擇方法在起振與停振時需快速穿過共振區(qū)。

不同的被壓實材料具有不同的固有頻率，壓路機的振動頻率應依據(jù)被壓實材料的類型合理選取。實踐證明，常規(guī)單鋼輪振動壓路機在振動頻率為26～33 Hz范圍內(nèi)工作時，土壤、石料等被壓實材料均可獲得較好的壓實效果。

（2）振幅。振動輪對地面的作用力不同于激振力，主要由振幅產(chǎn)生。振幅越大，被壓實材料顆粒的運動位移就越大，振動輪對地面的作用力就越強，壓實能量向地面的傳播越深，從而壓實效果越好。相對振動頻率而言，振幅的變化對壓實效果影響較大，理論上，超大噸位振動壓路機的振幅可取偏高值，以便適應超厚鋪層壓實。

1.2 垂直振動壓路機

垂直振動壓路機鋼輪內(nèi)的激振器上安裝有2組同步反向高速旋轉(zhuǎn)的偏心塊，2組偏心塊各自的離心力在垂直方向上相互疊加，在水平方向上相互抵消，由此產(chǎn)生了僅在垂直方向交變的合力，帶動鋼輪在垂直方向上振動，即對土壤產(chǎn)生垂直振動作用，如圖3所示。

垂直振動壓路機的主要工作參數(shù)與圓周振動壓路機相同，一般頻率取下限，振幅取上限。

1.3 沖擊壓路機

沖擊壓實是一種沖擊和揉搓相結(jié)合的壓實方法。工作時，多邊形滾輪在牽引車的牽引下向前滾動，滾輪重心上下交替變化，依靠動能和勢能的相互轉(zhuǎn)換產(chǎn)生對地面向下的強大沖擊力，具有夯實、碾壓和揉搓等綜合作用。與圓周振動壓路機相比，沖擊式壓路機是將振動壓實的高頻率、低振幅變?yōu)楦哒穹⒌皖l率，壓實能量較大，增強了壓實深層效果，如圖4所示。

沖擊壓路機以靜能量來標定壓實能力，能量計算公式為

E=GS

式中：E為能量（kJ）；G為滾輪重力（kN）；S為滾動過程中重心的運動距離（m）。

從公式看，沖擊壓路機的壓輪重量以及形狀直接影響壓實效果，其中多邊形壓輪內(nèi)外半徑差值越大，沖擊能量越大，壓實效果越顯著。

2 不同壓實設備的試驗對比

2.1 圓周振動壓路機與垂直振動壓路機

為了對比分析圓周振動壓路機與垂直振動壓路機的壓實效果，分別用22 t的2種壓路機進行了壓實對比試驗（圖5）。

2種壓路機的振幅均為1.9 mm，頻率均為28 Hz，車速均設置為3 km·h-1。土槽內(nèi)砂性土壤松鋪厚度為80 cm，翻松后進行整平處理，2組試驗土壤含水率為12%～14%。試驗時，先靜壓2遍，然后大振12遍。

每壓2遍后在表面以及20、40、60 cm等不同深處取點測試壓實度。某2組試驗結(jié)果見圖6、7。

由圖6、7可知，與圓周振動壓路機相比，垂直振動壓路機對深處的壓實效果更顯著：在深度相同、壓實遍數(shù)相同時，壓實度可提高1%～2%，說明垂直振動壓路機在超厚壓實方面具有明顯優(yōu)勢。

2.2 圓周振動壓路機與沖擊壓路機

為了對比分析圓周振動壓路機與沖擊壓路機的壓實效果，在某工地進行了超厚鋪層壓實對比試驗（圖8、9）。對比試驗的壓實條件相同，被壓實材料為黃土高原當?shù)氐狞S土，含水率為10%～14%，鋪層厚度為800 mm。

同等試驗條件下進行的對比試驗結(jié)果證明：與沖擊壓路機相比，大噸位圓周振動壓路機在深層的壓實度略低，但壓實均勻性高；沖擊壓路機雖然壓實度高，但壓實不均勻，壓實表面呈現(xiàn)波浪狀，容易產(chǎn)生壓實不夠和過壓實現(xiàn)象；沖擊壓路機工作時因產(chǎn)生沖擊，操作舒適性較差。

3 超厚鋪層壓實設備的應用

隨著基礎設施建設的快速發(fā)展，各種超厚層壓實設備在工程中得到廣泛應用。

3.1 沖擊壓路機在超厚鋪層中的應用

在高填方工程中，沖擊壓路機因其沖擊能量大、深層壓實效果好，較早應用于超厚鋪層壓實中，雖然壓實深度不如強夯，但能連續(xù)滾壓，壓實效率較高，適應的材料種類較廣，可壓實鋪層厚度達1 m。

某工程為新城建設項目，根據(jù)規(guī)劃，需將原來的土山挖平，填到河溝中，挖方和填方壓實后可作為建筑用地。工程建設采用沖擊壓路機進行超厚層壓實，作業(yè)對象為原生黃土，鋪層厚度為800 mm（圖10）。

壓實前，挖掘機將山上的土裝入卡車，運往待填區(qū)，在待填區(qū)卸掉黃土，用推土機進行初步鋪平，裝載機或平地機進一步鋪平。壓實時，先用沖擊式壓路機壓實30遍，保證各層壓實度；再使用凸塊型壓路機壓實2遍，消除沖擊壓實表面波浪，提高表層壓實度和壓實均勻性；最后使用光輪壓路機壓平1遍，提高表面平整度。工程驗收結(jié)果表明：各層壓實度均滿足要求，但由于壓實不均勻，壓實度在95%～100%之間，波動較大。

3.2 圓周振動壓路機在超厚鋪層中的應用

隨著超厚鋪層施工工藝的推廣，尤其是公路工程中厚鋪層基層施工的廣泛應用，大噸位圓周振動壓路機因其良好的超厚壓實性能和表面平整、均勻的特點成為厚層壓實設備中的新秀。大噸位圓周振動壓路機一般噸位大于30 t，甚至重達39 t，適應高鐵、水利大壩和道路建設中厚鋪層壓實，具有壓實深度大、表面均勻平整的明顯優(yōu)勢。

某水電站建設工程地處峽谷，設計填方高達140 m，采用鋪層800 mm的工藝壓實，填方料為粒徑不大于800 mm的碎石（圖11、12）。

壓實前，用自卸卡車將碎石運到填方現(xiàn)場，用推土機推平。壓實時，先用33 t單鋼輪壓路機靜壓2遍，然后采用大振壓實10遍。工程驗收表明，壓實度達98%以上，表面平整、均勻。

3.3 垂直振動壓路機在超厚鋪層中的應用

垂直振動壓路機最早應用于大壩施工中壓實碾壓混凝土，隨著垂直振動壓實技術(shù)在國內(nèi)的深入研究和設備性能的提升，應用范圍進一步擴大，近幾年已廣泛應用于高鐵、道路、機場和水利大壩施工中。垂直振動壓路機以其獨特的激振方式實現(xiàn)了較小噸位和較好壓實質(zhì)量的兼容。

某工程為鄉(xiāng)村公路，路面寬度為7 m，基層為水泥穩(wěn)定碎石混合料，設計虛鋪厚度為500 mm，壓實后為350 mm（圖13、14）。

攤鋪時，單臺攤鋪機攤鋪寬度為7 m，鋪層厚度為500 mm。壓實時，先用雙鋼輪壓路機靜壓2遍，再用垂直振動壓路機大振壓實2遍、小振2遍，最后用雙鋼輪壓路機靜壓2遍。經(jīng)工程驗收檢測，壓實度約為96%，滿足施工要求。

4 結(jié)語

隨著中國高鐵、公路、機場和水利大壩等的持續(xù)建設，出現(xiàn)了一批超厚鋪層新工藝、新設備。壓實作為保證工程質(zhì)量的重要工序，正確選用合適的壓實設備意義重大：不但可以保證工程質(zhì)量、節(jié)約施工成本，具有很好的經(jīng)濟效益；而且可以實現(xiàn)綠色節(jié)能建設，具有良好的社會效益。

參考文獻：

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