沖擊碾壓技術在高填方路基中的應用

王旋

新疆交通建設管理局項目執行三處 新疆 烏魯木齊 830000

1 引言

對于高填方路基工程，如果填筑體回填壓實處理不到位，往往會造成路基工后沉降不均勻或沉降過大[1]。一般采用的機械碾壓因其加固深度有限而僅適用于部分薄路基，振動壓實因其噪聲大，污染嚴重等問題而限制了其推廣應用。沖擊碾壓技術作為一種新型壓實施工方法，克服傳統工藝的缺陷，沖擊式壓路機通過裝載機牽引，帶動一個多邊形沖擊輪，利用沖擊輪自身重量和前進時的沖擊力，對路基進行壓實。其壓實深度深，環境污染小，工作效率高，壓實效果好，適用于多類路基沖擊碾壓、高填方路基分層沖壓、路基補強壓實等[2]。本文依托實際工程，詳述沖擊碾壓技術工作原理、施工工藝，分析其對沉降量、壓實度和含水率的影響，為往后同類型施工環境提供技術指導。

2 沖擊碾壓技術

2.1 沖擊碾壓機具

表1 各類型沖擊式壓路機適用條件

沖擊式壓路機是將沖擊夯實和碾壓相結合的一種新型壓路機，其由沖擊輪，機架和連接器械三部分組成，牽引方式有自行式和拖式。與傳統壓路機相比，沖擊輪為多邊形或圓弧以到達最低能耗及優質壓實效果[3]。各類型沖擊式壓路機適用條件如表1所示。我國常用三邊形或五邊形沖擊輪作為現場壓實機具，為增加接觸面積，部分包含塊狀凸條。

2.2 沖擊碾壓工作原理

沖擊碾壓是一種淺層地表層基礎加固技術，由牽引機械拖動沖擊輪行駛來對路基進行周期性點觸碾壓，具有壓實功能大、壓實效率高、加固深度大等特點。其碾壓工作原理包括沖擊原理和土體增強原理。

（1）沖擊原理

與光輪壓路機不同的是，拖動式沖擊碾壓機沖擊輪主要為凸輪，由多個同向螺旋曲線狀鋼板焊接而成，直徑1800～2000mm，質量100～120kN，見圖1所示。以圖1中a為例，在拖動過程中，沖擊輪上單瓣凸輪m逐漸上升，重力勢能增大，當m位于最高點時，即與轉動軸處于豎直平面時重力勢能最大，隨著沖擊輪向前滾動，m位置凸輪重心前移，重力勢能由此轉化為動能，產生了沖擊力矩，當m接觸到地面時沖擊力矩到達最大，擠壓土體從而起到沖擊壓實的效果[5]。

（2）土體增強原理

在沖擊輪強大的沖擊勢能下，原本松散的土顆粒重新排列組合，土體內部的空氣和水分被擠出，空隙率減小，密實度增加，土體結構內摩擦力和粘聚力增強，抗剪強度和穩定性顯著提高，透水性能降低，形成一個密實整體[6]。

2.3 沖擊碾壓特點

沖擊碾壓作為一種高效提高密實度與破碎度的新技術，目前廣泛應用于高填路基、土石混填路基等各種路基結構形式。其具備以下特點：

（1）沖擊力大，對土體破壞效果好。以一般25KJ沖擊壓路機為例，其沖擊力是同噸位振動壓路機的5倍，是普通光輪壓路機的25倍。不同形式速度下，對地面的沖擊力可近似轉換為1800-5000KN。

（2）影響深度廣。沖擊碾壓采用低頻高振幅技術，產生類似地震波的沖擊波，沖擊輪的動能與勢能交替作用，使土體密實度不斷提高以達到沖擊碾壓的效果。

（3）沖擊碾壓效率高，壓實效果更佳。沖擊壓路機每小時壓實的面積約為普通壓路機的2倍，壓實體積約為普通壓路機的6倍。在沖擊力作用下，路基土飽和前后壓縮性指標變幅和彎沉值有效減小，回彈模量增大，使路基整體強度、彎沉變形和承載能力得到改善。

3 工程實踐

3.1 工程概況

某高速公路設計路線地處丘陵地帶，溝壑縱橫，地形起伏較大，路基挖方300萬m3，填方264萬m3，路基換填和路堤填筑總高度大于5m。施工前選擇K0+600～K0+900段作為沖擊碾壓試驗段，以探尋最優的施工參數指標。該試驗段為高填方路段，最大填土高度達到9.5m，平均填土高度6.8m。

3.2 施工工藝

試驗采用25KJ沖擊壓路機，以來回錯輪方式，輪跡間不重疊，行駛速度10-12km/h，以道路中線為對稱軸，從路基一側向另外一側沖擊碾壓，當路基土含水率不足時，可以適當灑水以保證壓實效果。沖擊碾壓施工工藝流程如圖1所示。

圖1 沖擊碾壓施工工序

3.3 試驗段壓實效果分析

為研究沖擊碾壓技術在試驗段的壓實效果，通過預埋檢測點，測定高填方路基的沉降量、壓實度和含水率。

（1）沉降量

基于上述施工工序，分別設置松鋪厚度為60、80、100cm，檢測壓實0-30遍后高填方路基沉降量，結果如圖2所示。

圖2 高填方路基沉降量檢測結果

由上圖分析可知：

隨著壓實遍數的增大，沉降量也逐漸增大，當松鋪厚度分別為60、80、100cm時，沉降量的最終值較初始值分別增加了1.16、1.14和1.12倍。隨著碾壓遍數的增加，土體內部的水分和空氣被排出，密實度不斷提升，沉降量逐漸增大。由于松鋪厚度的增加致使高填方路基填料中可壓縮水分和氣體大幅增加，因而在相同壓實遍數的情況下，當松鋪厚度越大時，土體沉降量也越大。碾壓前20遍時沉降量增幅明顯，后10遍時增幅減小。碾壓30遍較碾壓20遍沉降量平均僅增加0.96cm，而碾壓20遍較碾壓5遍沉降量平均僅增加7.72cm。前期沉降量大幅度增加主要是由于松鋪填料本身土顆粒間的空隙率較大，經沖擊作用后擠壓密實，后期隨著壓實遍數的增加，土顆粒間可壓縮空間大幅減少，因而沉降量增幅逐漸變緩。

（2）壓實度

當松鋪厚度為80cm時，檢測碾壓5-30遍后的高填方路基壓實度，其結果如圖3所示。

圖3 高填方路基壓實度檢測結果

由上圖分析可知：

壓實度隨著碾壓遍數的增加而增大，土體碾壓30遍的壓實度平均值比碾壓5遍增加了11.3%。隨著碾壓遍數的增加，土體中毛細水上升，空氣被壓縮，土體趨于密實狀態。壓實度隨深度的增加呈現先增大后減小的趨勢，當深度為40cm時的壓實度比深度為20cm平均高出0.33%，比深度為60cm平均高出0.65%。沖擊作用由上到下逐漸減小，所以上部土層受沖擊力作用明顯，而超過一定深度后，由于沖擊作用減弱，下層土體主要依靠上部土體的重力作用而達到密實狀態，所以壓實效果不如上層土體。針對此高填方路基試驗段，采用沖擊碾壓技術可以大幅度加深路基碾壓深度。當碾壓30遍時，60cm的壓實度較40cm僅減少了0.3%，壓實度仍高達95.8%。沖擊壓路機采用低頻高幅，產生沖擊能量大，傳播深度遠。

（3）含水率

基于前面布置的測點，現對試驗段不同碾壓遍數后不同深度處含水率進行檢測，結果如圖4所示。

圖4 高填方路基含水率檢測結果

由上圖分析可知，深度在0-20cm處的表層土含水率變化不明顯，中下部土體含水率增幅明顯，尤其在沖擊碾壓30遍時含水率高達27.3%，遠遠高出最佳含水率。這是由于此試驗段土體毛細水現象明顯，隨著沖擊碾壓遍數的增加，毛細水逐漸上升，含水率增加，故施工中要注意把控碾壓時間間隔。

4 結語

本文詳述了沖擊碾壓技術在高填方路基中的應用，并以沉降量、壓實度和含水率為指標評價沖擊碾壓技術的應用效果，研究表明：

（1）該沖擊碾壓技術適用于高填方路基的壓實，壓實深度深，壓實效果優于傳統壓路機。

（2）經多次碾壓后，壓實度、沉降量變化不顯著，趨于穩定，路基承載能力大大提升。

（3）采用沖擊碾壓技術會帶來各層土體含水率增加，故實際施工中應注重把控碾壓時間間隔。