王宇佳

（唐山市交通運(yùn)輸局公路工程處，河北 唐山 063000）

0 引言

在公路路基施工過程中，路基碾壓是一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，決定了路基的穩(wěn)定性與強(qiáng)度，進(jìn)而影響后續(xù)的路面施工及使用。雖然采用傳統(tǒng)壓實(shí)方法可以使路基達(dá)到基本密實(shí)，但壓實(shí)功較低，需要很長的工期，而且對于濕陷性黃土等特殊情況，難以達(dá)到要求的壓實(shí)度。而沖擊碾壓技術(shù)的應(yīng)用則可以解決這些問題，為路基碾壓提供全新的技術(shù)途徑。

1 沖壓法基本原理

沖壓法是一種在淺層地表應(yīng)用的加固技術(shù)，目前在公路工程軟基處理中有廣泛應(yīng)用，需采用沖壓機(jī)實(shí)現(xiàn)，有效加固深度遠(yuǎn)大于其他壓實(shí)設(shè)備，采用該技術(shù)能顯著降低成本，并縮短項(xiàng)目工期。

1.1 沖擊壓路機(jī)

沖壓機(jī)通常采用拖動(dòng)式，采用功率適宜的機(jī)械進(jìn)行牽引，沖壓機(jī)主要包含以下三部分。

第一部分為沖擊輪。沖擊輪直徑在1800～2000mm，重量在100～120kN。三瓣凸輪與五瓣凸輪均采用同向螺旋曲線狀鋼板通過焊接而成，而四瓣凸輪則采用反向曲線鋼板經(jīng)焊接制成。在工作過程中，沖擊輪持續(xù)運(yùn)動(dòng)，在凸輪的圓弧和地面相接觸的部位與沖擊輪軸心處于同一條垂直線后，凸輪處于頂點(diǎn)，此時(shí)在重力作用下凸輪下降，給地面施加沖擊力矩。在凸輪反復(fù)作用下，土壤將受到極大的力。同時(shí)，由于受牽引力持續(xù)作用，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)擊發(fā)[1]。

凸輪沖擊頻率主要和凸輪數(shù)量有關(guān)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，凸輪的輪瓣數(shù)量主要和粒度有關(guān)，當(dāng)粒徑較小時(shí)，凸輪的輪瓣數(shù)量應(yīng)較多。凸輪可產(chǎn)生的沖擊能量由重力勢能與凸輪動(dòng)能提供，該沖擊能量的大小和凸輪重心高度、尺寸、瓣數(shù)與轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。當(dāng)輪重與工作速度一定時(shí)，缺口深度直接決定勢能水平，即缺口深度較大時(shí)，可產(chǎn)生的勢能就較大；而當(dāng)輪瓣數(shù)量較多時(shí)，可產(chǎn)生的勢能就較小。另外，足夠的工作速度是保證動(dòng)能產(chǎn)生的關(guān)鍵，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，牽引速度應(yīng)達(dá)到10km/h以上[2]。

第二部分為機(jī)架。當(dāng)沖壓機(jī)的沖擊輪處在低位時(shí)，擺臂帶動(dòng)搖臂開始蓄能，搖臂和限位器直接接觸。采用牽引車進(jìn)行拖動(dòng)前進(jìn)的過程中，沖擊輪從低位向高位轉(zhuǎn)動(dòng)，蓄能瞬間釋放，同時(shí)使沖擊輪繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，搖臂的轉(zhuǎn)角達(dá)到最大，但會(huì)因?yàn)闆_擊輪上升不斷上提，給土壤施加沖擊能。若壓實(shí)面的平整度較差，則兩側(cè)沖擊輪將無法達(dá)到協(xié)調(diào)，針對這種情況，需通過設(shè)置橡膠墊加以解決[3]。

第三部分為連接機(jī)構(gòu)，為減少?zèng)_擊輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)給牽引車造成的沖擊，需采用反向節(jié)進(jìn)行連接。當(dāng)因土壤阻力較大導(dǎo)致沖擊輪與牽引車實(shí)際運(yùn)行速度不同時(shí)，處于前側(cè)的彈簧將被壓縮，但后側(cè)則被拉伸，或在沖擊輪不斷向低勢位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)前側(cè)彈簧拉伸，而后側(cè)壓縮，以此協(xié)調(diào)沖擊輪與牽引車之間的速度差[4]。

1.2 沖壓基本原理

通過沖壓一方面可以重新組合土壤的顆粒，使顆粒之間達(dá)到緊密，排出孔隙中含有的水與空氣，減小孔隙，提高密實(shí)度。在此基礎(chǔ)上，還能提高內(nèi)摩阻力與黏聚力，進(jìn)而起到提高土體強(qiáng)度的作用；另一方面，由于壓實(shí)能降低土壤透水性，減弱毛細(xì)水上升，使土壤水穩(wěn)性得到很大提升。沖壓和傳統(tǒng)壓實(shí)方法相同，均通過垂直振動(dòng)將土體碾壓密實(shí)，但沖壓所用沖擊輪的形狀比較特殊，且輪重較大，行駛速度快，所以壓實(shí)機(jī)理和傳統(tǒng)方法還有一定差異[5]。以三瓣凸輪為例，其壓實(shí)情況如圖1所示。

圖1三瓣凸輪沖壓機(jī)壓實(shí)示意

圖1 中，S1是指1#點(diǎn)在重力作用下的壓實(shí)，S2是指2#點(diǎn)受到的沖擊力大小，因壓路機(jī)持續(xù)沖擊，土層沉降明顯變大。隨沖擊次數(shù)的不斷增加，在連續(xù)沖擊i次后，土層產(chǎn)生的變形記為Si。根據(jù)土體力學(xué)知識，在一定土層層位（h）i，若土層孔隙比為e0(i)，而經(jīng)過n遍沖壓，孔隙比變?yōu)閑n(i)，則通過進(jìn)一步的分析，可得出土層變形量：

式（1）中：Si(n)為土層變形量（cm）；對于路表以下60cm之內(nèi)的部分，hi取60cm，e0(i)取0.95；當(dāng)連續(xù)沖壓6遍時(shí)，即n取6，則en(i)為0.8，將以上數(shù)值代入式（1）可得此時(shí)的土層變形量為4.62cm。由此可見，采用沖壓機(jī)連續(xù)沖壓6遍后，地表以下60cm范圍內(nèi)產(chǎn)生了4.62cm的變形。在同一深度下，土層沖壓前平均相對密實(shí)度為85.4%，而經(jīng)過沖壓，平均相對密實(shí)度顯著增大，可達(dá)99.07%。根據(jù)以上分析結(jié)果可得，沖壓效果遠(yuǎn)比普通壓路機(jī)顯著，碾壓后的土層有更大的密實(shí)度。此外，通過對土層的沖壓，還能使土層的沉降滿足要求[6]。

2 沖壓技術(shù)應(yīng)用

2.1 排壓方案

采用不同輪瓣數(shù)量的沖壓機(jī)，可產(chǎn)生的沖擊作用與效果也不盡相同。以三瓣凸輪的沖壓機(jī)為例，其車輪旋轉(zhuǎn)一周后，共進(jìn)行了3次沖壓，車輪每完成一周旋轉(zhuǎn)，土體上受到的沖擊作用概率為1/6，所以當(dāng)縱向錯(cuò)開1/6周，且橫向錯(cuò)開半個(gè)輪跡時(shí)，重復(fù)碾壓6遍即可將所有部位均碾壓到位。基于此，如果路基要求碾壓3遍，則采用沖壓機(jī)施工時(shí)，需連續(xù)碾壓20遍，而若路基要求碾壓6遍，則采用沖壓機(jī)施工時(shí)，需連續(xù)碾壓40遍。

按照以上方案施工時(shí)，在沖壓完成后，對粗粒土層而言，其表面基本可以達(dá)到均勻，高差不超過5～8mm。而對細(xì)粒土而言，其不平處的高差往往較大，在15～18mm范圍內(nèi)。根據(jù)壓實(shí)要求，在最后一次碾壓過程中，對于因沖擊產(chǎn)生的變形達(dá)到4cm以上的部分，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行碾壓，到實(shí)際變形量在4cm以內(nèi)為止[7]。

此外，無論路基為原土或后期填土，對其進(jìn)行的沖壓都不能少于6次，在這種情況下需在碾壓完6次后進(jìn)行灑水，待水充分滲透至土層后，再繼續(xù)進(jìn)行沖壓，這樣是為了防止路基表面產(chǎn)生松散層。

2.2 作業(yè)參數(shù)

（1）正式碾壓開始前，應(yīng)先對待碾壓的部分實(shí)施取樣試驗(yàn)，以確定各項(xiàng)基本數(shù)據(jù)，為之后各項(xiàng)作業(yè)參數(shù)的確定提供參考依據(jù)。

（2）采用沖擊壓路機(jī)對處于濕陷性黃土區(qū)的路基實(shí)施填前碾壓的過程中，為確定適宜的壓實(shí)遍數(shù)與補(bǔ)壓過程中的土層厚度，并確定合理可行的處理流程，必須做好相關(guān)試驗(yàn)，由此確定壓實(shí)度和沖壓層層厚、沖壓遍數(shù)等參數(shù)之間的關(guān)系。

（3）經(jīng)填前碾壓試驗(yàn)可知，當(dāng)壓實(shí)遍數(shù)達(dá)到40遍以上時(shí)，路基產(chǎn)生的沉降較小，且壓實(shí)度并未顯著增加。基于此，沖壓遍數(shù)以40遍為宜[8]。

（4）根據(jù)振壓完成后的補(bǔ)壓試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)沖壓補(bǔ)強(qiáng)遍數(shù)為20時(shí)，壓實(shí)度明顯增大，土體干密度提高10.4%，彈性模量增加30MPa，沉降量在4cm左右。如果將碾壓遍數(shù)增加至40，則土體干密度及沉降量實(shí)際增長均不明顯，這與土層沉降變化基本規(guī)律相符。因此，在土層完成分層碾壓后，補(bǔ)壓遍數(shù)以20遍為宜。碾壓遍數(shù)、壓實(shí)度與深度變化之間的關(guān)系如表1所示。

表1 （續(xù)）

表1 碾壓遍數(shù)、壓實(shí)度與深度變化之間的關(guān)系

2.3 施工工藝要點(diǎn)

2.3.1 濕陷性黃土地基處理

采用沖壓法對濕陷性黃土地基進(jìn)行處理時(shí)，需嚴(yán)格按照以下步驟進(jìn)行施工：

（1）做好地質(zhì)勘探與補(bǔ)充。

（2）根據(jù)現(xiàn)場具體情況做好地面預(yù)處理，包括整平、測量與灑水，之后按照設(shè)計(jì)與施工要求設(shè)置沉降標(biāo)，同時(shí)進(jìn)行標(biāo)高實(shí)測，為沖壓做好準(zhǔn)備。

（3）連續(xù)沖壓6遍后，開始沉降量及壓實(shí)度實(shí)測，并根據(jù)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行必要的整平、灑水，同時(shí)重新設(shè)置沉降標(biāo)，繼續(xù)壓實(shí)。按此重復(fù)多次，直至達(dá)到要求，沖壓遍數(shù)和濕陷系數(shù)之間的關(guān)系如表2所示。

表2 沖壓遍數(shù)和濕陷系數(shù)之間的關(guān)系

（4）沖壓結(jié)束后盡快用平地機(jī)整平，并用靜力壓路機(jī)進(jìn)行靜壓，使表面平整度及壓實(shí)度均達(dá)到要求。

2.3.2 路基填筑

對于黃土路基，其填筑方式以全斷面+水平分層法為宜，完成填筑后及時(shí)壓實(shí)并做好試驗(yàn)。在黃土路基施工中通過沖壓可起到避免填料潰散的作用，保證路基整體性，提高強(qiáng)度。

2.3.2.1 施工測量

對線點(diǎn)進(jìn)行重新測量、確認(rèn)與必要的加密，并增設(shè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，以設(shè)計(jì)要求的填筑高度及斜率為依據(jù)對填筑寬度進(jìn)行計(jì)算，然后采用設(shè)置測樁的方式標(biāo)出，為現(xiàn)場施工提供參考依據(jù)。

2.3.2.2 填土

當(dāng)填料的有機(jī)質(zhì)含量超過4%，或液限超過50、塑性指數(shù)超過26，則不可在路基施工中使用。填土過程中需根據(jù)最大壓實(shí)厚度通過計(jì)算確定卸車量，并用網(wǎng)格法進(jìn)行卸料。

2.3.2.3 刮平

先借助推土機(jī)粗平，再由平地機(jī)精平。刮平需按從中部到兩側(cè)的方向進(jìn)行，重復(fù)操作3次，使完成碾壓的路基達(dá)到平整。整平時(shí)對粒徑超過5cm的土塊應(yīng)將其打碎，以免對整平效果造成影響，另外還需將樹根等雜物清除干凈。

2.3.2.4 碾壓

一般由輕型壓路機(jī)實(shí)施靜壓，必要時(shí)也可進(jìn)行輕振壓，完成后予以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)振壓，碾壓要求與一般碾壓段相同。先通過靜壓使虛土達(dá)到穩(wěn)定，再用平地機(jī)將表面刮平，接著按照3.5km/h的速度振壓。相鄰兩個(gè)碾壓段落之間的接頭應(yīng)重疊，對于橫向接頭，需重疊0.4～0.6m的寬度，而對于縱向接頭，則需重疊1.0～1.5m的寬度，以免產(chǎn)生漏壓或死角[9]。

2.3.2.5 補(bǔ)壓

借助沖壓機(jī)對路基進(jìn)行補(bǔ)壓，補(bǔ)壓遍數(shù)為20遍，需分兩次完成，每次10遍，每完成10遍沖壓都要用平地機(jī)進(jìn)行整平并適量灑水，然后進(jìn)行后續(xù)沖壓。在沖壓過程中，沖壓機(jī)行駛速度需按10km/h控制。為檢驗(yàn)現(xiàn)場的沖壓效果，需做好實(shí)時(shí)觀測與記錄，為之后的質(zhì)量檢驗(yàn)及評定提供依據(jù)。

2.3.2.6 沉降觀測與檢測

當(dāng)路段填方高度超過20m時(shí)，需按照50～100m的間隔距離設(shè)置沉降觀測斷面，通常為在中心線埋設(shè)沉降板，并在路線外部增設(shè)水準(zhǔn)控制點(diǎn)。每完成一層碾壓，都要進(jìn)行一次平整度與高程實(shí)測，安排專門的技術(shù)人員負(fù)責(zé)。完成實(shí)測后，根據(jù)實(shí)測結(jié)果對壓實(shí)完成后的土層厚度進(jìn)行計(jì)算，并在土層強(qiáng)振壓完成后采用灌砂法進(jìn)行壓實(shí)度實(shí)測。另外，在整個(gè)施工過程中都要由監(jiān)理工程師進(jìn)行嚴(yán)格的檢查和監(jiān)督，以保證路基的施工質(zhì)量。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析，可得出以下結(jié)論：

（1）對土體連續(xù)沖壓20遍以后，其沉降量基本可以達(dá)到穩(wěn)定，且包含干密度與壓實(shí)度在內(nèi)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能得到大幅提升。

（2）沖壓法還能在濕陷性黃土地基中應(yīng)用，用于消除濕陷性，提高路基強(qiáng)度。

（3）通過沖擊碾壓，填方路基的壓實(shí)度可以提升2%～4%，尤其是液限較低的含砂粉土，沖壓法的壓實(shí)效果更為顯著。

（4）相較于傳統(tǒng)壓實(shí)方法，采用沖壓法能提升近10倍的壓實(shí)功，并能提高2倍左右的施工速度，顯著縮短工期。

（5）路基沖壓完成后，可達(dá)到密實(shí)、連續(xù)和均勻，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到相關(guān)質(zhì)量要求。