司癸卯，張燕飛，張 成

(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安 710064)

現(xiàn)今路基工程施工中，對于一些特殊地基(比如橋臺背、涵側回填、半填半挖、局部高填方及狹小面積的回填)處理，往往會出現(xiàn)一些難以解決的問題，特別是橋臺背處的地基壓實［1－2］，“橋頭跳車”就是路橋過渡段壓實度不夠的直接表現(xiàn).

目前，由于此類地基壓實區(qū)域狹窄且填土形狀不規(guī)則，大噸位的振動壓路機和沖擊夯無法進入該區(qū)域，傳統(tǒng)強夯對要壓實區(qū)域周邊地基影響太大，使得此類地基的整體壓實度難以得到保證［3］.基于此，本文提出了一種類似強夯工作原理的快速液壓夯實機，首次嘗試用現(xiàn)有強夯理論建立快速液壓夯實機的夯實效果評析標準，并通過現(xiàn)場地基壓實檢測，初步總結該設備在特殊地形路基工程中的壓實特點及技術效果.

1 夯實機工作原理

快速液壓夯實機的工作原理是:在電控系統(tǒng)控制下用液壓缸將夯錘體提升至一定高度(可根據所需夯實量選擇合適的擋位)，通過電磁換向閥使液壓系統(tǒng)換向，夯錘體在重力作用下(必要時也可以添加一液壓蓄能器共同作用使夯錘體加速)自由下落，夯擊在帶有緩沖墊的接地底座上，再通過接地底座間接夯擊地面，通過裝載機(5～9 t夯錘可用于履帶式挖掘機)工作裝置的牽引，可以做到機動、靈活、快速地對不同作業(yè)位置進行準確、有效的夯實.如圖1所示.

圖1 快速液壓夯實機工作原理Fig.1 Cworking for HHC

2 深度影響分析

式中:Z為地基土加固有效深度，m;Q為夯錘重力，kN;H為落距，m.

由式(1)可以得出快速液壓夯實機(夯錘重3～9 t，行程范圍 0.6 ～1.5 m)的有效夯實深度為1.0～3.7 m.根據英國一家建筑研究所(BRE)的研究證明，快速液壓夯實機所采用的動態(tài)夯實技術填補了傳統(tǒng)表層夯實，如碾壓、振動壓實和傳統(tǒng)強夯技術之間的空白.REB的測定數(shù)據表明:快速液壓夯實機的正常夯實深度可達4 m，可能影響深度達10 m.夯實深度是傳統(tǒng)碾壓技術的十幾倍，為沖擊式碾壓技術的三四倍，特別適合快速處理深度為快速液壓夯實機(High-speed Hydraulic Compactor)類似于傳統(tǒng)強夯機械，近似于小能量強夯法，也是一項動力固結加固技術［4］，所以現(xiàn)有的一些強夯理論也可以應用在液壓夯實機上［5］.使用強夯的目的，在于改良地基，對于不同的土質，又有不同的改良目的.譬如對濕陷性黃土地基，主要是用強夯破壞黃土的大孔結構，將土壓密，消除土體的濕陷性;對飽和砂土地基，主要是改善土體的相對密度，提高土體的抗液化能力;對于一般的軟弱的黏土地基，則主要是提高土的強度，減少變形.強夯效果，主要是垂直方向為主，而人們最關心的也是夯后的有效影響深度和在此厚度內土性的改善程度.強夯后對土體的影響深度，可參照路易梅納(Menard)公式［6］:1～10 m的地基［7］.具體各種夯實方式的影響深度［5］如圖2所示，此結論進一步驗證梅納影響深度公式的理論的可行性.

圖2 各種夯實機械作業(yè)深度影響范圍Fig.2 Depth of compaction of different dynam ic com paction m ethods

3 環(huán)境影響分析

傳統(tǒng)強夯是一種沖擊型能源，當重錘夯擊地基時，產生強大的沖擊波(包括體波和面波)，從夯擊點沿著地表向四周傳播開來.由于阻尼作用，一般在很短時間(約0.4～1.0 s)內即消失，其主頻約為10～23 Hz，比一般的建(構)筑物的固有頻率高，但是由于是連續(xù)夯擊，相鄰兩擊時間間隔2～3 min，一次造成的地面振動比較強大，對附近建(構)筑物和工作、生產、生活都會帶來有害影響.圖3是軟地基強夯的振動實測曲線［8］.

圖3 徑向水平加速度a與距離r的關系Fig.3 Relationship between radial acceleration(a)and distance(r)

通過圖3可以看出，在距夯點25 m處地面最大振動加速度(徑向)相當于0.1g(g為重力加速度)，小于控制加速度容許值［a］=(0.1 ～0.15)g，換言之，根據地質條件不同，強夯振動影響區(qū)域也不盡相同，但是安全距離不能小于15～25 m，所以在處理橋臺跳車、涵側回填之類的地基時就不能應用，而快速液壓夯實機既保證不損害建(構)筑物，又滿足地基處理的密實度要求.由于夯錘對地面的作用是通過靜壓在地面上帶緩沖墊的接地裝置實施的，并通過設計出一種特殊的接地裝置，進一步減少沖擊夯實時對附近建(構)筑物的影響，使得夯錘作用力峰值更小，作用更柔和，不易剪切填層流線，貫穿能力強而均勻，所以可以在較大的深度范圍內獲得均勻的密實度而不破壞附近建筑物.具體如圖4所示.

圖4 快速液壓夯實機對周邊地基的影響Fig.4 High-speed hydraulic compactor impact on the peripheral foundation

由圖4中數(shù)據計算可以得出，通過設計的專利底座，不僅增加了路基單位面積所受的沖擊力，更重要的是減小了沖擊力的擴散角，使得夯錘處于高擋位時沖擊影響的有效半徑僅為0.5 m，在中低擋位的沖擊影響半徑可減小到0.3 m，因此應用于路基構造物附近作業(yè)，可以有效地避免過大的沖擊.

4 試驗及應用技術效果分析

在長安大學動力學實驗室大型土槽內進行分層試驗，試驗用土采用具有良好級配的砂土，按GB4478—84《振動壓實機性能試驗方法》試驗規(guī)程要求，采用標準重型擊實法測定土的含水量與干密度的關系，求出最大干密度為1.925 g·cm－3，最佳含水量為13%.選取4 m×4 m、深1.5 m的長方體坑槽，沿深度6等分，每層間隔1 m均布9個測點，采用強擋作業(yè)，測定不同實驗條件下各層位的壓實度，以便分析土體壓實度隨夯擊次數(shù)及土體厚度的變化規(guī)律(見表1).

表1 不同含水量條件下各層位的壓實度Tab.1 Degree of compation of the layers in the different moisture content conditions

試驗結果表明，當鋪層厚度1.5 m，夯擊24次時，面層的壓實度為95%，1 m深度內壓實度達90%以上;當鋪層厚度為0.5 m，夯擊18次時，面層壓實度為97%，滿足實際壓實施工要求.隨夯擊次數(shù)的增加，各層土壤壓實度相應提高［9－10］，同時對每一工況而言，前4層土壤的壓實度比較接近，說明夯實機有效深度可達1.0～1.5 m，進一步驗證梅納公式能應用在快速液壓夯實機的壓實度深度計算.

5 結語

(1)理論分析和試驗及現(xiàn)場效果分析，快速液壓夯實機作為一種新型的高效夯實機械，具有夯實能量高、影響深度遠、機動靈活的特點，對于條件受限制的作業(yè)現(xiàn)場具有很好的通過性和適應性.

(2)在鐵路路基、堤壩護坡加固及防滲漏處理，油庫、機場、港口等大型基礎設施地基夯實，環(huán)衛(wèi)垃圾、有害物資填埋夯實，軍用設施夯實加固等領域同樣有著廣闊的應用前景.

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