楊子敬

1 概述

沖擊碾壓作為一種高效率、高壓實(shí)能量的壓實(shí)機(jī)械,20世紀(jì)80年代在國(guó)外投入生產(chǎn)使用以來(lái),得到了廣泛的應(yīng)用[1]。這種方法是通過(guò)沖擊輪在位能落差與行駛動(dòng)能相結(jié)合下對(duì)工作面進(jìn)行靜壓、搓揉、沖擊,使工作面不斷加固的方法,其基本原理是利用動(dòng)能轉(zhuǎn)化為沖擊能來(lái)壓實(shí)土體,其特征是將巨大的動(dòng)能在很短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為沖量,進(jìn)而形成瞬時(shí)作用的巨大沖擊力,在土體中產(chǎn)生很大的剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力,從而有效地克服土體的內(nèi)聚力,壓縮土體并排除土體中的空氣和水分,達(dá)到壓實(shí)土體的最終目的。我國(guó)的沖擊碾壓技術(shù) 1995年由南非引入,由于應(yīng)用時(shí)間較短,很多施工工藝參數(shù)、檢測(cè)方法以及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)存在缺陷,設(shè)計(jì)規(guī)范還不健全[2]。所以有必要對(duì)沖擊碾壓技術(shù)的作用原理和影響因素進(jìn)行總結(jié)分析,為今后該技術(shù)的推廣完善提供參考。

2 沖擊碾壓技術(shù)作用機(jī)理

沖擊壓路機(jī)是將當(dāng)前振動(dòng)壓實(shí)高頻率、低振幅改為高振幅、低頻率。沖擊壓路機(jī)是用三邊形、四邊形、五邊形“輪子”來(lái)產(chǎn)生集中的沖擊能量達(dá)到壓實(shí)土石填料的目的。沖擊壓路機(jī)可由配套的牽引機(jī)在前方牽引。

沖擊壓路機(jī)的基本原理是利用動(dòng)能轉(zhuǎn)化為沖擊能來(lái)壓實(shí)土體,其特征是將巨大的動(dòng)能在很短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為沖量,進(jìn)而形成瞬時(shí)作用的巨大沖擊力,在土體中產(chǎn)生很大的剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力,從而有效地克服土體的內(nèi)聚力,壓縮土體并排除土體中的空氣和水分,達(dá)到壓實(shí)土體的最終目的。同時(shí)在用有限元法研究沖擊碾輪與土體相互作用的關(guān)系時(shí),由于土體是非彈塑性材料,遠(yuǎn)不是理想彈性;當(dāng)沖擊碾輪在土體上滾動(dòng)和沖擊時(shí),土體的變形較大,所以沖擊碾輪與土體的相互作用不是線性關(guān)系,而是幾何非線性和材料非線性關(guān)系;壓實(shí)效果與打擊能量有關(guān),當(dāng)打擊能量大時(shí),被壓材料的應(yīng)力也大,因而壓實(shí)效果較好。沖擊壓路機(jī)以其靜能量來(lái)標(biāo)定,能量以千焦耳計(jì)算;總的來(lái)說(shuō),沖擊壓路機(jī)工作時(shí)所具有的能量由三部分組成:

其中,N1為靜態(tài)能量,其大小為壓實(shí)輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中質(zhì)心升高所具有的勢(shì)能;與多邊形壓實(shí)輪的質(zhì)量 m、外切圓半徑 R、內(nèi)接圓半徑 r有關(guān):

其中,N1為能量,kJ;m為動(dòng)力部件的質(zhì)量,kg;g為重力常數(shù)(9.81m/s);h為輪子外半徑與內(nèi)半徑的差值,h=R-r。

N2為壓實(shí)輪平動(dòng)所具有的動(dòng)能;與壓路機(jī)行進(jìn)速度v有關(guān):

N3為壓實(shí)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣性所具有的能量;與壓實(shí)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I和旋轉(zhuǎn)角速度ω有關(guān):

3 沖擊碾壓的影響因素

沖擊碾壓技術(shù)的影響因素主要包括:土的含水率、碾壓速度、碾壓遍數(shù)、碾壓方式等。

3.1 土體的含水率

土體含水率對(duì)沖擊效果的影響是非常顯著的[5-7],這在我國(guó)多條高速公路中都得到了證明,劉若琪等人研究黃土含水率對(duì)沖擊碾壓效果的影響時(shí),曾證明在含水率上下 4%的范圍內(nèi)能達(dá)到良好的碾壓效果,超過(guò)這個(gè)范圍沖壓效果不明顯。而且隨著擊實(shí)功的增加,最佳含水率降低,所以沖擊碾壓的最佳含水率比重型擊實(shí)法實(shí)驗(yàn)結(jié)果要低。但是目前對(duì)于采用沖擊碾壓技術(shù)時(shí)土的最佳含水率如何確定尚未形成共識(shí),也未見(jiàn)這方面的報(bào)道。綜合分析眾多的沖壓工程實(shí)例,一般認(rèn)為沖擊碾壓含水率可低于重型擊實(shí)的最佳含水率 4個(gè)百分點(diǎn)和高于最佳含水率 2個(gè)百分點(diǎn)。

從已有的工程實(shí)例來(lái)看,對(duì)于不同的土質(zhì)含水率的要求范圍有所不同,高液限土塑性指數(shù)(一般在 25～45之間)較大,從半固態(tài)到流態(tài)之間的可塑性范圍大,放寬 5個(gè)～6個(gè)百分點(diǎn)甚至更多是可行的,這已經(jīng)在南部省份的沖擊碾壓工程施工中得到證實(shí)。對(duì)于西部地區(qū)某些低液限土(液限小于 30),塑性指數(shù)較小(一般為 10左右),可塑范圍窄,對(duì)于水很敏感,若偏離最佳含水率 3個(gè)百分點(diǎn)以上則沖壓效果較差。因此,從適用性來(lái)說(shuō),采用稠度指標(biāo)也許可以更好地說(shuō)明土的適宜含水率范圍,而我國(guó)目前的規(guī)范是以含水率為控制指標(biāo)[8,9],而且沖擊碾壓技術(shù)應(yīng)用歷史比較短,所以還是用含水率來(lái)表示對(duì)沖擊碾壓效果的影響。

3.2 碾壓速度

一般來(lái)講,碾壓速度在一定范圍內(nèi)與碾壓效果成反比關(guān)系,碾壓速度過(guò)快,壓實(shí)效果變差。這是因?yàn)樵谀雺哼^(guò)程中,碾輪速度過(guò)快的話(huà),有些土體在碾輪作用下產(chǎn)生的變形還沒(méi)有來(lái)得及轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆乃苄宰冃螘r(shí)應(yīng)力一旦去除,這部分變形就可能恢復(fù),使壓實(shí)效果變差。但若碾壓速度過(guò)慢,勢(shì)必導(dǎo)致整個(gè)壓實(shí)工作效率很低。實(shí)踐證明:沖擊式壓路機(jī)較為適合的碾壓沖擊速度在10km/h～ 15km/h。

3.3 碾壓遍數(shù)

在壓實(shí)施工中,疏松的土體隨著碾壓遍數(shù)的增加,壓實(shí)度會(huì)隨之增加,但當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到某值時(shí),碾壓遍數(shù)再增加,土體的壓實(shí)度變化很小或不再變化,說(shuō)明這種噸位、這種作用方式的壓路機(jī)對(duì)該土體的壓實(shí)效果已達(dá)到極限水平。想通過(guò)增加碾壓遍數(shù)來(lái)提高壓實(shí)度已是徒勞無(wú)益的了。過(guò)多的碾壓遍數(shù)只能降低整個(gè)壓實(shí)作用的生產(chǎn)率,此種情況只能更換大噸位的壓路機(jī)或其他作用方式的壓路機(jī)來(lái)進(jìn)一步提高壓實(shí)度,所以考慮壓實(shí)的綜合效果時(shí),碾壓遍數(shù)應(yīng)有一最佳值。碾壓遍數(shù)過(guò)少,土體的壓實(shí)度會(huì)太低;碾壓遍數(shù)過(guò)多,雖然壓實(shí)度較好,但整個(gè)壓實(shí)生產(chǎn)率降低,也是不合適的。在施工中應(yīng)根據(jù)具體情況,認(rèn)真考慮,沖擊壓路機(jī)沖碾 20遍后,均能獲得較為理想的壓實(shí)效果,在實(shí)際生產(chǎn)中采用較多的沖擊數(shù)量為20遍,結(jié)果是令人滿(mǎn)意的。

3.4 碾壓方式

碾壓方式主要指碾壓工序的編排,它對(duì)壓實(shí)效果有較明顯的影響,目前我們采用的是“前輕后重,先慢后快,由弱振到強(qiáng)振”的原則。對(duì)于沖擊碾壓施工中,一般先用普通壓路機(jī)快速碾壓 1遍～2遍初步定型后,即可進(jìn)行沖擊碾壓作業(yè),沖碾完畢后用推土機(jī)等對(duì)起伏的沖擊表面進(jìn)行平整,再用普通壓路機(jī)碾壓封面。

4 結(jié)語(yǔ)

沖擊碾壓技術(shù)以其壓實(shí)深度深、高效壓實(shí)作業(yè)和適應(yīng)各類(lèi)土質(zhì)等許多顯著特點(diǎn),在公路路基壓實(shí)施工中得到廣泛的應(yīng)用。從本文所總結(jié)的各個(gè)方面可以看出,沖擊碾壓作用效果與土體含水率、碾壓速度、碾壓遍數(shù)、碾壓方式等因素有關(guān),為達(dá)到最佳的壓實(shí)質(zhì)量,應(yīng)綜合考慮各方面因素的影響。因此,要針對(duì)不同的工程狀況采用不同的施工工藝,才能達(dá)到有效的壓實(shí)效果。

[1] 張 洪,李志潭.沖擊壓路機(jī)的動(dòng)力性能試驗(yàn)[J].工程機(jī)械,2002(33):31-33.

[2] 范智杰,劉 玲,孫昭元,等.高等級(jí)公路路基壓實(shí)的質(zhì)量控制[J].水運(yùn)工程,2001(11):39-42,55.

[3] 程衛(wèi)東.淺談路基施工中壓實(shí)度的影響因素[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸,2001(S1):63-66.

[4] 溫遠(yuǎn)輝.路基壓實(shí)效果的分析與探討[J].黑龍江交通科技,2006(4):30-32.

[5] 鄧學(xué)鈞,張登良.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2000:59-61.

[6] 洪毓康.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2000:235-243.

[7] 盧廷浩.土力學(xué)[M].南京:河海大學(xué)出版社,2003:19-26.

[8] JTG F10-2006,公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

[9] JTG D30-2004,公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].