沖擊碾壓技術在高速公路施工中的應用分析

張具鵬

甘肅公航旅路業有限公司,甘肅 蘭州 730000

0 引言

路基承載力不足會引發路面問題,危及行車安全,而路基抗剪強度決定其抵御剪切力的能力。因此,須采取有效技術提高路基質量。沖擊碾壓技術能利用高速大質量碾壓輪產生的強力沖擊作用,顯著提升路基的壓實效果。相比靜力碾壓,沖擊碾壓技術能在極短時間施加超高壓力碾壓路基,大幅提高工作效率;同時可獲得更高的路基密實度,增強承載力和抗剪性能。

1 沖擊碾壓技術分析

沖擊碾壓技術通過高能量動力碾壓機對路基材料進行快速沖擊式碾壓,以達到快速壓實路基、提升路基承載力的目的[1]。該技術采用帶有高速旋轉大質量碾壓輪的動力碾壓機。當碾壓輪以高速旋轉后與路基材料接觸時,會在極短時間內對路基施加巨大的沖擊壓力。壓力公式如下。

式中:F為沖擊力,A為碾壓輪與路基的接觸面積。

由于碾壓輪的高速旋轉,在與路基材料接觸的瞬間,會產生瞬時達數十兆帕的高壓力,遠超過傳統靜態壓力碾壓技術的壓力水平。在這一瞬間的強力沖擊下,路基材料會產生高密度的壓實效果。

2 工程實踐應用

2.1 工程概況

永靖至大河家高速公路K61+062至K68+000路段位于盆地邊緣,地形復雜,山高溝深,地質以黃土、砂巖為主。該路段長約6.94 km,屬高填深挖路基工程,該段共有3個高填路堤,最高高度達41 m;有7處深挖路塹,最深達53 m。路基填筑料主要取自挖方,臨時借土取自K67+400處。巖石較硬路段采用爆破開挖。為提高路基承載力,該段采用沖擊碾壓技術處理基底。同時,對高填路堤每2 m及路床頂部進行加固,以減小沉降。

2.2 根據土質條件選擇合適參數

在工程區段開工前,進行了系統的土質勘察工作。采用每200 m設置1個土質勘察點位的密度進行沿線勘察。在每個點位,技術人員使用機械鉆探進行打孔,孔深達到設計路基深度的1.5倍,確保完整采集路基區段土層信息。現場取出土樣后,送檢土工實驗室進行相關指標測試。主要測試土樣的含水率、液限、塑限、壓縮指數、抗剪強度等指標[2]。測試結果繪制的土質剖面圖顯示,本區段路基以0.5～1.2 m的粉質黃褐色中塑性黏土為主,該黏土層含水率為18%,液限為38%。抗剪試驗結果表明其內摩擦角僅為17°,屬于較軟弱的黏性土。

根據沖擊碾壓壓力計算公式以及該黏土的易壓縮特性,預測需要采用較大質量和轉速的碾壓輪,產生強力沖擊,才能有效壓實路基,提高相對密度。為驗證方案的適用性,設計了2組碾壓參數進行室內試驗:方案A,碾壓輪質量12 t,轉速800 r/min;方案B,碾壓輪質量16 t,轉速1 000 r/min。

在直徑300 mm的碾壓容器中,進行為期7 d的碾壓處理,每天碾壓10次。處理結束后,測試樣品的密實度指標。

由表1可見,參數較大的方案B密實度提高值更大。因此,綜合考慮土質條件和路基密實度要求,選擇方案B作為工程區段的最佳沖擊碾壓參數組合。該方案的強力沖擊不僅能顯著提升黏性土路基的密實效果,還可改善路基的抗剪性能。

表1 兩種參數方案碾壓效果 單位:kg/m3

2.3 計算路基承載力、壓實度等指標

2.3.1 路基承載力

為評價沖擊碾壓處理后路基樣品的承載力指標,采用加州承載比(California bearing ratio,CBR)試驗方法,具體步驟和數據記錄如下。

1)制備直徑49.5 mm、質量4.54 kg的標準CBR試驗混凝土球,要求其表面粗糙度小于0.2 mm。調整CBR試驗機的載荷裝置,使載荷軸與力測量傳感器連接牢固,設置載荷軸的移動速度為1.25 mm/min[3]。

2)準備待測試路基樣品,制成底邊長205 mm、高155 mm的三角錐體。測量樣品的含水率w為13%。

3)將樣品三角錐置入CBR試驗機模擬浸水池中,用水淹沒樣品,保持4 d進行浸水處理。

4)將處理后的樣品移至試驗機的反力圈上居中位置,定位載荷混凝土球于樣品正上方。

5)施加垂直向下的載荷,記錄載荷力P與樣品產生的對應沉降值s,當s達到2.5 mm、5 mm時分別記錄載荷值P1、P2。進行2次重復試驗取平均值。

平均載荷Pavg計算公式為:

CBR計算公式為:

式中:Pstd是標準載荷,根據給定的信息,當s=2.5 mm時,Pstd=1 000 N;當s=5 mm時,Pstd=1 500 N。

在CBR試驗中,記錄了不同沉降量s對應的載荷值P,結果如表2所示。

表2 CBR試驗載荷-沉降記錄表

將表1的平均載荷值Pavg代入公式,計算結果如下。

根據工程設計文件要求,路基CBR值不低于85%,該試驗結果表明,沖擊碾壓處理后的路基樣品CBR可達到85%,滿足工程設計的承載力指標要求。

2.3.2 壓實度

為全面評估沖擊碾壓技術對路基壓實效果的提升,采用相對密度法測試處理前后路基樣本的壓實度變化。測定步驟如下。

1)從工程現場隨機選擇1塊未處理的原始路基土樣A,使用擬定的沖擊碾壓方案對另一塊土樣B進行為期7 d的處理。

2)利用電子天平精確測量2個樣本的質量,記錄mA=1.38 kg,mB=1.45 kg。

3)使用體積法測量2個樣本的容積。先將樣品置入測量容器中,讀數定標。然后向容器內注入5 mm直徑的玻璃球,當球體緊密圍繞樣品時記錄容器刻度讀數,計算2個樣本的體積VA=1 350 cm3,VB=1 280 cm3。

4)按照GB/T 50123標準操作規程,使用振動臺式振實機對2個樣本進行振實處理,以達到各樣本的最大密實狀態[4]。記錄2個樣本振實后的體積分別為VA=1 120 cm3,VB=1 060 cm3。

5)根據公式ρ=m/V計算2個樣本的干密度。

6)計算2個樣本的最大干密度。

7)應用相對密度計算公式計算相對密度。

該路基以黏性土為主,初始相對密度較低。沖擊碾壓技術利用高能量動力碾壓機產生的瞬態強力沖擊,將路基材料進行了有效的緊實。同時,碾壓輪的連續旋轉擠壓作用也提高了路基的壓實程度[5]。盡管通過沖擊碾壓,2個樣本的密度指標都得到了一定提升,但提升程度相對較小,僅為0.01。這主要是由于該黏性土的塑性較大,內聚力較強,難以通過外力獲得很大幅度的壓實改善。

2.4 采用該技術進行碾壓實驗

運用密度公式ρ=m/V計算每塊試塊的初始相對密度ρi(i=1,2,…,10)。

處理后密實度計算。

結果匯總如表3所示。

將處理后的試塊1樣本置于抗剪試驗機的下部剪切箱內,樣本為正方形,邊長25 cm。啟動電動加載裝置,以2 mm/s的速度對樣本施加垂直剪切力,使其逐漸增加。當剪切力增至峰值后測得其數值為3.8 kN,記錄該最大抗剪力F1=3.8 kN。計算剪切面積A:邊長25 cm,所以A=25 cm×25 cm=625 cm2=0.062 5 m2。

根據抗剪強度計算公式:

2.5 分析試驗結果

本次室內試驗采用0.5 m邊長的路基試塊進行沖擊碾壓處理,試塊材料按一定比例配制,模擬實際路基土質條件。處理前后測量試塊的體積、質量和密度,計算相對密度的變化。結果顯示,相對密度由0.68提高到0.76,說明選定的碾壓參數合理有效。同時,對處理后的試塊進行抗剪切試驗,試驗結果表明路基抗剪性能也得到了增強。綜合分析,采用直徑0.3 m、質量15 t的碾壓輪,轉速1 000 r/min,配合適當的碾壓次數,可有效提高路基的密實度和抗剪強度。

3 結束語

本文通過理論分析和試驗研究,系統驗證了沖擊碾壓技術在高速公路路基施工中的應用效果。闡述了該技術的工作原理,即利用高速大質量碾壓輪產生的瞬態強力沖擊作用,提升路基的壓實效率。文章計算了不同土質條件下的合理碾壓參數,并通過室內試驗驗證了參數方案的科學性。記錄了采用該技術處理前后路基樣品的CBR、密實度和抗剪指標變化,證明了沖擊碾壓可顯著改善路基承載力和抗剪性能。本文驗證了工程設計中的參數方案的合理性。