垂直振動壓路機(jī)在公路施工中的應(yīng)用研究

郭 海 斌

(山西路橋再生資源開發(fā)有限公司，山西 太原 030000)

垂直振動壓路機(jī)是在振動器上部安裝兩組偏心塊，在旋轉(zhuǎn)過程中垂直方向力互相疊加，水平方向力互相抵消，壓路機(jī)碾壓過程只在垂直方向上產(chǎn)生振動。與圓振動壓路機(jī)相比，垂直振動壓路機(jī)工作效率更高，壓實質(zhì)量更好，施工成本更低，可有效節(jié)約能源，減少污染物排放。20世紀(jì)80年代，日本和德國的工程機(jī)械廠家已經(jīng)開始垂直振動壓路技術(shù)的研究，日本于1990年將垂直振動壓路機(jī)應(yīng)用在大壩施工中，壓實厚度可達(dá)到100 cm。我國垂直振動壓路機(jī)研究相對較晚，于2006年將垂直振動壓路機(jī)應(yīng)用在大壩RCC混凝土施工中，碾壓層厚度也達(dá)到了100 cm。早期垂直振動壓路機(jī)主要應(yīng)用在水利工程中，隨著公路交通事業(yè)的發(fā)展，也逐步應(yīng)用在路基路面施工中。因此，對垂直振動壓路機(jī)施工技術(shù)的研究，有利于優(yōu)化施工工藝，指導(dǎo)一線施工。

1 垂直振動壓實機(jī)理

垂直振動壓實技術(shù)是采用定向激振壓實能量完成壓實作業(yè)，與普通的圓周振動壓實相比壓實能量更集中，壓實深度更大，能耗低等技術(shù)優(yōu)勢，壓實效率和壓實質(zhì)量都得到了明顯提高。結(jié)合垂直振動壓實技術(shù)的特點，分析壓實機(jī)理如下：

1)垂直沖擊效應(yīng)。壓路機(jī)的激振力和壓實材料所承受的有效作用力有區(qū)別，而振動輪壓路機(jī)的動量是直接影響壓實質(zhì)量和壓實效率的主要因素。垂直振動壓實技術(shù)在垂直方向上動量增加，對壓實材料的沖擊壓實能量增加，可有效提高壓實厚度。壓實材料在壓實過程中，壓實能量傳播使土壤顆粒相互嵌擠，大幅度降低孔隙，壓實材料的密實度和整體穩(wěn)定性不斷提高。

2)共振減摩效應(yīng)。當(dāng)垂直振動壓路機(jī)的激振頻率接近或等于壓實材料固有頻率時，在壓實過程中使材料產(chǎn)生共振或接近共振的狀態(tài)，降低壓實材料顆粒之間的內(nèi)摩擦力，使顆粒之間產(chǎn)生滑動位移，可進(jìn)一步提高壓實密實度和壓實效率。另外，共振減摩作用可有效提高垂直振動壓實的效果，有利于壓實能量的充分發(fā)揮，提高有效壓實功，可降低能耗，提高壓實效率。

綜上所述，垂直振動壓實技術(shù)是垂直沖擊和共振減摩效應(yīng)共同作用的結(jié)果，不僅可以提高壓實質(zhì)量，增加壓實厚度，還可以減少能耗，提高壓實效率。

2 垂直振動壓實方案

2.1 路基壓實方案

某高速公路土方路基95區(qū)填方路段，填料選用粘土質(zhì)砂，選用20 t全液壓垂直振動壓路機(jī)。路基試驗段填層壓實厚度為40 cm，45 cm，50 cm，松鋪系數(shù)為1.45～1.56，下承層壓實度不低于94%，填層壓實度不低于95%。壓實厚度45 cm路基碾壓方案：采用垂直振動壓路機(jī)先穩(wěn)壓1遍，復(fù)壓先高頻低幅振動碾壓1遍，而后低頻高幅振動碾壓2遍，再高頻低幅振動碾壓1遍，終壓采用靜壓1遍，消除輪跡，提高平整度。碾壓遍數(shù)根據(jù)壓實度檢測結(jié)果適當(dāng)調(diào)整，碾壓過程中輪跡重疊不少于1/3，碾壓速度控制在2 km/h～3 km/h。路基壓實度檢測采用灌砂+續(xù)砂法，試坑深度不低于25 cm，壓實度不得低于95%。

2.2 厚水穩(wěn)基層壓實方案

該高速公路設(shè)計采用厚水穩(wěn)基層，基層98區(qū)材料選用水穩(wěn)碎石基層，攤鋪設(shè)備選用DT1600型攤鋪機(jī)，壓實機(jī)械選用20 t全液壓垂直振動壓路機(jī)。試驗段基層壓實厚度為30 cm，35 cm，40 cm，松鋪系數(shù)為1.4～1.5，下承層路基壓實度不低于98%。壓實厚度30 cm基層碾壓方案：初壓采用靜壓1遍，復(fù)壓先高頻低幅振動碾壓1遍，而后低頻高幅振動碾壓1遍，再高頻低幅振動碾壓1遍，終壓采用靜壓1遍，消除輪跡，提高平整度。碾壓遍數(shù)根據(jù)壓實度檢測結(jié)果適當(dāng)調(diào)整，碾壓重疊與碾壓速度與上述路基碾壓相同，基層壓實度檢測采用灌水法，試坑深度為30 cm，壓實度不得低于98%。

3 垂直振動壓實參數(shù)與壓實質(zhì)量分析

3.1 壓實厚度

3.1.1路基壓實厚度

本項目路基施工填料選擇粘質(zhì)砂土和灰土兩種填料，試驗段壓實厚度分別為40 cm，45 cm，50 cm，采用垂直振動壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，壓實度檢測結(jié)果如表1所示。灰土選用6%灰土，最佳含水量14.9%，粘質(zhì)砂土最佳含水量為12.6%，壓實度不低于95%。

表1 不同壓實厚度路基壓實度檢測結(jié)果

分析表1 數(shù)據(jù)可知，灰土壓實度高于粘質(zhì)砂土，且隨著壓實厚度增加壓實度不斷下降，但壓實質(zhì)量均滿足設(shè)計要求。壓實厚度達(dá)到50 cm壓實度檢測值接近95%，說明壓實厚度應(yīng)以不超過50 cm為宜。

3.1.2基層壓實厚度

本項目基層材料選用水泥穩(wěn)定碎石，試驗段基層壓實厚度為30 cm，35 cm,40 cm，壓實度不低于98%。基層采用一次性攤鋪，采用20 t垂直振動壓路機(jī)進(jìn)行碾壓。壓實完成后檢測壓實度，平均值為98.9%，養(yǎng)生期滿鉆芯取樣芯樣完整，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求。分析壓實結(jié)果表明，垂直振動壓路機(jī)壓實厚度明顯高于圓振動壓路機(jī)，這主要是由于垂直振動能量沿垂直方向傳遞，增加了壓實影響深度。結(jié)合壓實度檢測結(jié)果，建議水穩(wěn)碎石基層壓實厚度為40 cm以內(nèi)。

3.2 壓實遍數(shù)

對不同材料，不同壓實厚度的壓實材料，壓路機(jī)壓實頻率和壓實遍數(shù)是不同的。通常材料粒徑越大，應(yīng)選擇較大壓實頻率和振幅，反之。文章以水穩(wěn)碎石基層碾壓為例，比較垂直振動壓路機(jī)與同噸位圓振動單軸壓路機(jī)的壓實效果，得出曲線如圖1所示。

分析圖1曲線變化情況可知，當(dāng)垂直振動壓路機(jī)振頻較低時，累積沉降量較小，壓實效果較差。當(dāng)垂直振動壓路機(jī)振頻達(dá)到29 Hz時，沉降量增加幅度較大，壓實效果明顯提高。與同噸位圓振動單軸壓路機(jī)相比，強(qiáng)振壓實施工效果更好。結(jié)合不同填筑厚度的壓實效果，分析確定最佳碾壓遍數(shù)。當(dāng)壓實厚度不大于25 cm，碾壓遍數(shù)選擇3遍～4遍；當(dāng)壓實厚度30 cm～40 cm，碾壓遍數(shù)選擇5遍～6遍。

3.3 壓實質(zhì)量分析

為了分析垂直振動壓路機(jī)路基壓實質(zhì)量，與同噸位單鋼輪圓周振動壓路機(jī)進(jìn)行對比分析。在不同碾壓遍數(shù)下，對兩種不同壓實機(jī)械壓實后的路基壓實度進(jìn)行檢測，收集數(shù)據(jù)繪制對比分析曲線如圖2所示。

分析圖2曲線變化情況，可以得出在碾壓遍數(shù)相同的情況下，垂直振動壓路機(jī)碾壓后的路基壓實度明顯高于同噸位單鋼輪圓周振動壓路機(jī)。路基上層壓實度隨著碾壓遍數(shù)的增加不斷增大，但碾壓次數(shù)6遍之前增加速度較快，后期壓實度增加幅度較小。路基下層在垂直振動壓路機(jī)碾壓8遍后壓實度達(dá)到最大，碾壓遍數(shù)超過8遍壓實度不增反降，出現(xiàn)了過振現(xiàn)象。路基下層同噸位單鋼輪圓周振動壓路機(jī)碾壓10遍壓實度達(dá)到最大，超過10遍出現(xiàn)過振現(xiàn)象。總之，采用垂直振動壓路機(jī)碾壓后的路基壓實度明顯高于同噸位單鋼輪圓周振動壓路機(jī)的碾壓效果，說明垂直振動壓路機(jī)碾壓質(zhì)量具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

4 結(jié)語

結(jié)合垂直振動壓路機(jī)的特點，分析闡述了垂直振動壓實機(jī)理，并結(jié)合工程項目路基和水穩(wěn)基層施工，按照施工方案進(jìn)行施工，進(jìn)一步分析壓實結(jié)果分析壓實質(zhì)量，得出以下結(jié)論：1)根據(jù)垂直振動壓路機(jī)的壓實能量，分析確定路基壓實厚度可達(dá)到50 cm，基層壓實厚度可達(dá)到40 cm；2)根據(jù)填料厚度確定壓實遍數(shù)和壓實速度，壓實厚度不大于25 cm，碾壓遍數(shù)選擇3遍～4遍；壓實厚度30 cm～40 cm，碾壓遍數(shù)選擇5遍～6遍；3)對比分析不同壓實機(jī)械路基的壓實質(zhì)量，得出在碾壓遍數(shù)和壓實厚度相同的情況下，垂直振動壓路機(jī)壓實質(zhì)量更好。