超重噸位、超大激振力壓路機在路基填筑中的應用

李 德 軍， 姚 坤

(中國水利水電第十工程局有限公司 第二分局，四川 成都 610072)

1 概 述

振動壓實技術是目前土石方填筑壓實中最常見的一種技術，它是通過振動壓路機的往復作用，使被壓實材料的顆粒在振動沖擊作用下，由初始的靜止狀態(tài)過渡到運動狀態(tài)，使被壓實材料之間的摩擦力也由初始的靜摩擦狀態(tài)過渡到動摩擦狀態(tài)。受壓的填筑材料在非密實的狀態(tài)下存在許多大小不等的間隙，在振動沖擊作用下，土顆粒產(chǎn)生相對運動并且相互填充達到密實的目的。振動壓實的特點是表面應力不大，加載頻率大，過程短。振動壓實技術和振動壓實機械的產(chǎn)生也是壓實施工技術的一項突破性科技進步，振動壓實已成為最常用的填筑壓實方式。

目前，為了保證路基的壓實度，除加強填料及施工過程質(zhì)量控制外，使用普通壓路機(20 t或22 t)碾壓后在路基頂層和高填方路段采用塔吊式強夯法或非圓式?jīng)_擊法進行補強作業(yè)以減少路基工后沉降，保證路基的強度及整體的穩(wěn)定性。但由于以上兩種補強施工方法受效率低、單價高、對場地要求高、轉場困難、操作要求高、橫向擠壓變形大、密實度不均勻、施工工藝復雜等特性的影響，實際施工過程中已成為擺設，難以達到預期的目標。另外，路基采用塔吊式強夯法或非圓式?jīng)_擊法進行補強作業(yè)只是一種特定時期(即機械技術和液壓技術都無法實現(xiàn)制造超重噸位超大激振力的壓路機)的特殊辦法。

近年來，隨著科技水平的不斷進步，振動壓路機的振動系統(tǒng)質(zhì)量、頻率區(qū)間、振動幅度越來越大，激振力也隨之不斷增大。這些技術的革新勢必給振動壓路機帶來深刻影響。超重噸位、超大激振力壓路機的問世對降低施工成本、保證填筑質(zhì)量、提高壓實效率具有顯著效果。因此，研究超重噸位、超大激振力振動壓路機對填筑體的壓實情況有利于指導土石方填筑施工。

成都天府新區(qū)興隆湖環(huán)湖道路工程挖填方量大，最大挖深為10 m，最深填方為9 m，總填方量約200萬m3，路基土石方填筑工期為4個月。由于土石方填筑施工需待地基處理施工完成后方可開始，并且施工期跨雨季，實際用于填筑施工的工期只有不到3個月的時間，導致土石方填筑施工工期緊，任務重。為保證在較短的工期內(nèi)完成所有土石方填筑且其壓實度需滿足設計及規(guī)范要求，同時，在高填方區(qū)域宜先進行施工，以便于路基自然沉降、沉降均勻及自然沉降小。因此考慮在高填方段選用碾壓質(zhì)量好、速度快、對填筑體具有補強效果的壓實機械，可以將正常碾壓與填筑補強施工進行合理的結合，既能保證施工速度，又能有效減小工后沉降量。項目部結合國內(nèi)機械發(fā)展狀況及同類工程施工經(jīng)驗，最終選用36 t超重噸位、超大激振力的壓路機作為土石方填筑的壓實機械。

2 生產(chǎn)性試驗

2.1 試驗方案的設計

填筑材料：該區(qū)域位于蘇碼頭背斜南東翼，籍田向斜北西翼，區(qū)內(nèi)出露巖層為白堊系灌口組(K2g)泥巖及夾關組(K2j)砂巖，為單斜構造。

(1)灌口組(K2g)。

泥巖：暗(淺)紫紅色。泥質(zhì)結構，層狀構造，近水平波狀層理發(fā)育，層理面局部充填薄層乳白色石膏；敲擊聲啞，局部裂隙較發(fā)育，可見灰白色礦物。根據(jù)其風化程度可劃分為兩個亞層：①強風化泥巖：泥質(zhì)結構，塊狀構造。巖石結構已大部分破壞，構造層理不清晰。巖體被節(jié)理、裂隙分割成塊狀，屬軟巖。巖質(zhì)較軟，用小刀易切削。②中等風化泥巖：泥質(zhì)結構，塊狀構造。巖石結構基本完整。節(jié)理面附近的巖石已風化成土狀，風化裂隙較發(fā)育。巖質(zhì)較硬，巖體結構基本完整，構造層理較清晰，錘擊易碎。巖芯較完整，多呈短柱狀～柱狀，柱長一般為5～20 cm，屬較軟巖。該層本次勘察未揭穿。

(2)夾關組(K2j) 。

砂巖：該組地層巖性以青灰色～黃灰色中厚層狀砂巖為主，局部夾薄層磚紅色泥巖或砂質(zhì)泥巖，泥巖厚度小，一般為10～20 cm；該組地層發(fā)育厚度大，為細粒結構，近水平層理較發(fā)育，成分以巖屑、長石為主，泥質(zhì)膠結為主，強度較低。根據(jù)其風化程度可劃分為兩個亞層：①強風化砂巖：主要礦物成分為為粉砂，含少量黏土礦物及膠結物，顆粒狀結構，薄層狀構造。風化裂隙發(fā)育，結構面不清晰，巖芯破碎，呈碎塊狀，手捏易碎，干鉆可鉆進。錘擊聲啞無回彈，有凹痕，易破碎，浸水后可掰開，屬軟巖。局部夾一定厚度的中等風化砂質(zhì)。②中等風化泥質(zhì)砂巖：主要礦物成分為粉砂，含少量黏土礦物及膠結物，顆粒狀結構，薄層～中厚層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育一般，呈短柱狀或長柱狀，巖質(zhì)軟，部分巖石被節(jié)理、裂隙分割，呈塊狀。裂隙中充填少量風化物，屬較軟巖。基巖頂板埋深0.2～8 m，與上覆第四系地層呈不整合接觸。

測試內(nèi)容：動土壓力與分層沉降。

檢測內(nèi)容：壓實度、含水量以及壓實沉降量(以下簡稱壓沉量)。

設計規(guī)范要求：路基碾壓時應水平分層碾壓處理，每層虛鋪厚度應與壓實機具相適應。碾壓之前，應注意將填土的含水量控制在最佳含水量左右。壓實度要求依據(jù)《成都市城市道路瀝青路面道路結構設計導則》(2011年版)：填方路槽以下80 cm深度內(nèi)路基壓實度必須大于95%，80 cm到150 cm范圍內(nèi)不低于93%，150 cm以下不低于92%，零填方或挖方路槽下0～30 cm范圍內(nèi)壓實度不低于95%，30 cm到80 cm范圍內(nèi)不低于95%。

2.2 試驗方案

(1)原地面碾壓。先對試驗選定的原地面進行碾壓，其壓實度及平整度需符合設計及規(guī)范要求，保證試驗區(qū)塊位于堅實的土層上。試驗區(qū)塊尺寸為100 m×25 m。

(2)安裝第1層傳感器。試驗區(qū)域分4個區(qū)塊，每一區(qū)塊尺寸為20 m×15 m，安裝時按要求對傳感器、導線及PVC管進行保護并進行原地面水準高程測量。

(3)第一層填料鋪筑。填料虛鋪厚度為80 cm，最大粒徑小于40 cm，粒徑大于20 cm的填料超過30%，填筑過程采用推土機平整，不進行碾壓。

(4)安裝第2層傳感器。填料鋪筑完成后，反開挖40 cm深(設置傳感器位置)，安裝第2層傳感器。安裝時按要求對傳感器、導線及水管進行保護，然后回填并進行水平測量。

(5)沉降監(jiān)測點的測量放樣。對試驗場地內(nèi)鋪筑的填筑體布設了10個檢測點，記錄坐標及高程。

(6)第一層填筑體的碾壓與檢測。壓路機碾壓速度設置為2 km/h，振動頻率設置為28 Hz。

振壓2遍、3遍、4遍、5遍，分別對以上碾壓遍數(shù)的填筑體進行動態(tài)測試，檢測其壓實度、面波、地質(zhì)雷達、沉降量試驗數(shù)據(jù)。碾壓完成后，測試填土表面的高程和沉降量，通過地表高程與沉降計的差值，計算填筑層的壓縮變形。

(7)鋪筑第二層填料。填料虛鋪厚度為80 cm，填筑料最大粒徑小于40 cm，粒徑大于20 cm的填料超過30%，填筑面積為100 m×15 m。

(8)第二層填筑體的碾壓與檢測。

將壓路機碾壓速度設置為2 km/h，振動頻率設置為28 Hz。分別對振壓2遍、3遍、4遍、5遍的碾壓面進行動態(tài)測試，采集土壓力盒數(shù)據(jù)，檢測壓實度、沉降量等數(shù)據(jù)。

3 試驗結果及分析

3.1 壓實度檢測

采用灌水法實測不同碾壓遍數(shù)情況下的壓實度，壓實度實測數(shù)據(jù)見表1。

表1 壓實度檢測記錄匯總表 /%

(1)碾壓2遍，填料的壓實度達90%以上；

(2)碾壓3遍，填料的壓實度達93%以上；

(3)碾壓3遍以上，隨碾壓遍數(shù)的增加，壓實度總體呈增大趨勢；

(4)碾壓4次，壓實度達到96%以上且壓實度趨于飽和狀態(tài)，即基本上隨著碾壓遍數(shù)的增加，壓實度并未明顯增加。

3.2 壓實沉降量檢測

通過在試驗檢測區(qū)塊設置的10個監(jiān)測點進行原位水準測量，測量出每壓實一遍的沉降量。10個監(jiān)測點的壓實沉降量與碾壓遍數(shù)之間的關系(圖1)。

通過所埋設的靜力水準計反映碾壓遍數(shù)與壓沉量的關系(圖2)，原位水準測量與靜力水位測量數(shù)據(jù)基本吻合。

通過研究碾壓遍數(shù)與壓沉量的關系可以得出填筑體碾壓4次后壓沉量趨于飽和狀態(tài)，隨著碾壓遍數(shù)的增加，壓沉量并未有明顯增加；碾壓5次后可能出現(xiàn)過壓現(xiàn)象，表層甚至松動隆起。

4 結論與分析

圖1 壓實沉降量與碾壓遍數(shù)關系曲線圖

圖2 碾壓遍數(shù)與壓實沉降量關系曲線圖

通過上述試驗可以發(fā)現(xiàn)影響壓實度的主要因素有：松鋪厚度、碾壓遍數(shù)、壓實機械的類型和功能以及碾壓速度等。當土石方含水量處于最佳含水(12±2%)狀態(tài)下宜直接攤鋪碾壓，采用超重噸位、超大激振力壓路機(振動頻率設置為28 Hz，行走速度設置為2 km/h)進行振動碾壓；當土石方含水量過大時，需要攤鋪晾曬，不宜直接進行碾壓，否則會出現(xiàn)大面積翻漿；當土質(zhì)含水量過小時，需進行灑水悶料，不宜直接進行碾壓，否則會出現(xiàn)碾壓不密實現(xiàn)象；同時，填料的松鋪厚度也會影響壓實度，一般將松鋪厚度控制在80 cm左右，填料粒徑控制在40 cm以下，當該場區(qū)內(nèi)的填料碾壓4遍時，壓實度可以達到96%以上。土面區(qū)碾壓2遍時，其壓實度可以達到90%以上。

5 結 語

土石方填筑采用超重噸位、超大激振力壓路機作為壓實機械，每小時可增加碾壓面積約800～1 200 m2(填筑厚度為80 cm,碾壓3遍。)，能夠有效地提高工作效率，同時還能夠保證施工質(zhì)量，每一層碾壓既是對填筑層的壓實，也是對填筑體1.6 m以下深度的補強，降低了工后沉降過大、不均勻沉降對填筑體造成損害的風險，解決了填筑面積小、轉角較多填筑區(qū)域的碾壓難度。超重噸位、超大激振力壓路機碾壓方法簡單、操作方便、效率高、碾壓質(zhì)量好，應用前景十分廣闊。