劉軍杞，師 毓，宋星亮，王彥城，茍 穎

（1. 云南云嶺高速礦業(yè)有限公司，云南 昆明 650217；2. 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全國范圍內(nèi)的高速公路建設(shè)進(jìn)入了跨越式發(fā)展階段［1］。新設(shè)備、新工藝的不斷應(yīng)用使得高度公路的建設(shè)工期得以大幅縮短，路面平整度、行車舒適性也有了明顯提高。但我們也注意到，現(xiàn)階段的公路建設(shè)速度及規(guī)模還遠(yuǎn)不能滿足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對物流運輸?shù)男枨?。交通運輸量以及大噸位車輛的急劇增加、復(fù)雜自然條件的影響，使得路面結(jié)構(gòu)變形和損壞相當(dāng)嚴(yán)重。此外，高速公路沿線地質(zhì)復(fù)雜，不良地質(zhì)、地段頗多，在不良土質(zhì)上填筑路基，按傳統(tǒng)的施工方法，路基的壓實度很難達(dá)到規(guī)范要求，且工期較長。路基施工質(zhì)量的優(yōu)劣也是影響通車后路面質(zhì)量的重要因素［2］。我國公路的發(fā)展，特別對重載高速線路，無論設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)還是施工質(zhì)量，對路基強度和沉降都提出了更高的要求，而路基的這些要求又取決于路基施工中最終達(dá)到的密實度，因此研究合理的路基施工及補強方案顯得尤為重要。

1 路基材料及密實度性能

一般普通的道路按照其所處的層位和作用，主要可分為原地基、路堤（路基）、水穩(wěn)層和瀝青基?，F(xiàn)階段，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)還處在初級階段，再加上瀝青類路面建設(shè)需要消耗大量的原料和材料，我國的公路設(shè)計大多采用“厚基薄面”的原則［3］。這種半剛性的瀝青路面結(jié)構(gòu)，其強度及穩(wěn)定性很大程度上依賴于路基和基層的特性。

一般來說，路基密實度的大小反映了路面承載能力的大小。路基的壓實度愈小，土壤粒間的空隙就愈大，雨水越容易滲透到路基中，在路基土壤中存留的水份就越多，路基的強度也就越低［4］。另一方面在載荷的作用下，路面也會發(fā)生車轍、沉陷等變形［5］。路基的壓實度越小，所產(chǎn)生的車轍變形就越大。雖然引起路面變形的原因很復(fù)雜，但路基壓實度的不足往往是其主要原因［6］。

路基壓實度的不足，將逐漸產(chǎn)生不同的豎向變形。路基各處的填土高度不同，在路基的固結(jié)過程中，就會出現(xiàn)不同的沉降［4］。填土高度大的部位沉降多，填土高度小的部位沉降少，這種不均勻沉降勢必引起路基頂部和路面的凹凸不平。

而路基壓實度又是保證路面的強度、穩(wěn)定性、平整度和耐久性的關(guān)鍵。正因為路基的壓實對公路的質(zhì)量如此重要，所以《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和《公路路基施工規(guī)范》新版中都對各等級公路的路基壓實度做了明確規(guī)定。

2 路基補強方法及工藝

常用的路基補強方法有3種，即強夯法補強、沖擊壓路機(jī)壓實以及自行式超重強振壓路機(jī)壓實。

（1）強夯法［7］：指的是為提高軟弱地基的承載力，用重錘自一定高度下落，夯擊土層使地基迅速固結(jié)的方法。利用起吊設(shè)備，將10～25t的重錘提升至10～25m高處使其自由下落，依靠強大的夯擊能和沖擊波作用夯實土層［8］。強夯法主要用于砂性土、非飽和粘性土與雜填土地基?，F(xiàn)有經(jīng)驗表明：在1000～6000kN·m夯實能量下，一般可獲得3～4m甚至更深的有效夯實深度。這是在重錘夯實法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種地基處理的方法，這種方法適用于大型場館和場地地基的夯實，也可以完成大厚度填層施工。

（2）非圓式?jīng)_擊法：沖擊式壓實機(jī)的沖擊輪外型是由不規(guī)則的非圓凸輪曲線構(gòu)成。在牽引車拖動沖擊輪作滾動時，其重心會上下交替變化，產(chǎn)生的沖擊波作用于地基，從而達(dá)到壓實基礎(chǔ)的目的。沖擊式壓路機(jī)平均工作速度為10～15km/h。壓實影響深度為5m，有效壓實深度1m。該方法是上世紀(jì)六七十年代由南非蘭派公司提出原理設(shè)計的，主要用于填?；A(chǔ)壓實，存放煤場防火壓實，河道基礎(chǔ)的壓實。最佳碾壓遍數(shù)為20～30遍。其缺點是只能在大而寬的工作面上工作；加、減速段壓實效果差，盲區(qū)多；不能往返作業(yè)，須反復(fù)掉頭；對涵洞、邊坡及橋頭影響大，涵洞、邊坡及橋頭附近不能施工；表面松散全是坑洞；操作環(huán)境惡劣等問題嚴(yán)重影響了其工作性能的發(fā)揮。

（3）強力激振法［9］：強振碾壓系用大功率超重噸位超大激振力全液壓自行式強振壓路機(jī)對有效填層厚度的鋪筑材料進(jìn)行強振碾壓，它不但可以高效充分的壓實當(dāng)前層，而且還可對深達(dá)1m的先前層進(jìn)行補強，這樣可以把正常碾壓施工和補強碾壓施工進(jìn)行合理結(jié)合，既能保證正常的施工進(jìn)度，又能有效地保證路基的施工質(zhì)量。強振碾壓原理是由長安大學(xué)在本世紀(jì)初研發(fā)設(shè)計的，利用大功率、大扭矩動力和液壓元件，驅(qū)動振動體高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力，發(fā)出與壓實材料固有頻率相同的強大的振動波，使整體材料在交變作用力下振動，材料內(nèi)部顆粒間摩擦力減小，整體在自重力和動壓力作用下下沉。壓實影響深度為6m，有效壓實深度1.2m。該工藝特點是振動力和頻率可調(diào)可控，作用深度大、速度可調(diào)、可定位壓實、密實度均勻、無工作盲區(qū)弱區(qū)、操作簡單環(huán)境舒適，利于操作以及保證施工質(zhì)量，通過實驗證明對土方填方、石方填方、土石混填路段都能取得很好的壓實效果，適用范圍廣?？蓮V泛用于各種公路路基的壓實和補強，公路大厚度穩(wěn)定層的壓實，機(jī)場場道基礎(chǔ)的壓實補強，水庫大壩和河堤的補強壓實，單價為4元/m2，經(jīng)濟(jì)性良好。

3 路基壓實補強

路基壓實補強的目的主要是提高路基的強度、水溫性；降低土的滲透性和毛細(xì)作用；減少路基的塑形變形、凍膨脹量；提高凍融穩(wěn)定性［7］。影響路基壓實的因素主要有3個：含水量、土的類型和壓實機(jī)械及效能。

在壓實過程中，土壤的含水量對所能達(dá)到的密實度起著非常重大的作用，如圖1所示。影響最大干密度的含水量存在一個最佳值。當(dāng)土壤的含水量小于最佳含水量時，土的干密度隨著含水量的增加而增大；在最佳含水量時，干密度達(dá)到最大值；含水量超過最佳含水量時，干密度隨含水量的增加而減?。?0］。

圖1 含水量與干密度關(guān)系

土的種類不同，其最佳含水量以及最大干密度也不相同［11］，土粒間的內(nèi)聚力和內(nèi)摩察力也有較大差異。因此在相同壓實作用功下，亞粘土及亞砂土的壓實性能優(yōu)于黏土，如圖2所示。

圖2 不同土含水量與干密度關(guān)系

不同的壓實機(jī)械作業(yè)時產(chǎn)生不同的壓實效能，土的最佳含水量隨壓實效能的增加而減小，而最大干密度則隨著壓實效能的增大而增加。當(dāng)含水量一定時，壓實效能越大，干密度越高。因而，在補強碾壓過程中，可以通過增大碾壓設(shè)備的重量、振動參數(shù)、作業(yè)次數(shù)來提高路基壓實度的效能。

各種不同的壓實原理可簡化成圖3中的靜壓、沖擊和振動3種作用加以說明。

圖3 壓實原理

土壤處于松散狀態(tài)時顆粒間間隙較大、分子間相互的粘聚力較小，容易壓縮，稍加外力便可讓其產(chǎn)生一種無任何有效彈性的塑性變形。隨著壓實度的增加，土壤顆粒之間的間隙越來越小，相互且形成了一種具有彈性的結(jié)構(gòu)。壓實試驗表明，土壤中壓縮和剪切應(yīng)力的大小決定著壓實表層下面不同深度的土層壓實度。

振動沖擊對地面比靜載荷能產(chǎn)生更大的作用力，從表層傳至土層內(nèi)的壓縮或壓力波也更深。振動壓實工作過程中，用快速連續(xù)的沖擊波作用于地面，每沖擊一次對土壤產(chǎn)生一個壓力波，對于非粘性土壤，土壤顆粒在振動波的擾動下處于完全運動狀態(tài)，顆粒間的摩擦力已被消除，在運動、外力及重力的共同作用下，顆粒被擠壓到土體中盡可能低的位置，土壤間的間隙被最大限度的消除。對于粘性土壤，因土壤顆粒間粘著力及內(nèi)聚力的存在，土壤與振動機(jī)械間形成了一個振動--減振機(jī)構(gòu)，土壤在振動作用下產(chǎn)生非塑性變形，在振動移除后，土壤又恢復(fù)到作用前的狀態(tài)。因而，粘性土壤使用振動壓實時，除了需要足夠的振動沖量來使土壤間的內(nèi)摩擦減小外，還需要有足夠的壓強來破壞土壤間的粘著力及內(nèi)聚力，使之產(chǎn)生永久塑性變形，才能達(dá)到壓實的目的。因此對于粘性土壤的壓實補強，大噸位的振動羊角碾的壓實效果比光輪振動壓路機(jī)要好得多。

而振動壓實在碾壓砂或礫石的等非粘性土壤作業(yè)時，因這些材料具有較低的內(nèi)聚力，材料顆粒更容易受到振動的擾動，且因顆粒之間的粘聚力較小，各顆粒間幾乎是一種剛性結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)振動能量在傳遞過程中衰減較小，因而能對更深層的顆粒產(chǎn)生擾動，更容易提高深層的密實度。

4 巖石填方補強

現(xiàn)在穿越巖石的隧道變得越來越普遍，與此同時，巖石用作建設(shè)公路的路堤填方，正日漸增加。巖石填方最大的石頭直徑及其級配，取決于巖石的類型和質(zhì)量以及爆破的方法。由于巖石填方中含有大量的細(xì)石屑，如果不壓實就可能發(fā)生大量的沉陷。高填方中，在石塊相互接觸的邊緣被碾碎后也會發(fā)生下沉。通過多年的試驗證明，采用重型大激振力壓路機(jī)壓實巖石填方是最有效的壓實補強方法［12］。試驗表明，通過有效的壓實，巖石的承載力可提高10倍以上。經(jīng)過良好的壓實后的高質(zhì)量巖石填方承載能力數(shù)值在100～150MPa之間。采用振動壓實填方巖石有使表面更平整光滑的優(yōu)點，可以減少重型卡車以及在該區(qū)域內(nèi)工作的其他設(shè)備的輪胎磨損。

當(dāng)壓實的巖石填方中細(xì)粒含量很高，或填方質(zhì)量要求很高時，可以采用水沖洗和振壓實聯(lián)合作用，以便獲得較好的壓實效果。

對于風(fēng)化的弱石和頁巖材料必須經(jīng)過有效的壓實，因水分透過這種類型材料的路堤填方時，可能引起連續(xù)瓦解。因此需要的壓實也包括把材料扎碎，使材料中所存在的空隙全部填充。振動羊角碾和凸塊式壓路機(jī)可以取得對材料的扎碎和壓實的聯(lián)合作用，具有特殊的適應(yīng)效果，但鋪層厚度有一定限制。

5 振動壓路機(jī)參數(shù)對補強效果的影響

振動壓路機(jī)壓實效果的高低，受下列參數(shù)的影響：凈重（靜線載荷），振動輪數(shù)量，頻率和振幅，碾壓速度，振動輪與機(jī)架重量比，振動輪直徑，振動輪是驅(qū)動輪還是從動輪。

在其他條件不變的情況下，凈重（靜線載荷）大的壓路機(jī)壓實效果好；采用2輪全振的壓路機(jī)壓實遍數(shù)能夠減少。試驗表明，在碾壓土壤時，只有1個輪子振動的壓實效果約等于2個輪子全鎮(zhèn)的80%［13］；對于路基碾壓作業(yè)，通常振動頻率應(yīng)選擇在25～30Hz［14］；振幅主要影響壓實深度，其他條件一定的前提下，如果將振幅提高，將會獲得壓實效果和影響深度的顯著提高，但對于巖石填方等大顆粒填方而言，還必須有大壓力才能有足夠的壓實；壓路機(jī)的速度對于土壤壓實有著顯著的影響，通常路基補強壓實作業(yè)時，速度不應(yīng)大于3km/h；機(jī)架與振動輪的重量比對壓實效果有一定的影響，振動壓路機(jī)在作業(yè)時，振動輪可借助機(jī)架的重量壓向土壤，從而取得更有規(guī)律的振動［15］。但機(jī)架重量有一個上限，超過這個上限機(jī)架對振動會有一個很大的阻尼作用，路基補強的壓路機(jī)通常情況下機(jī)架與振動輪的重量比應(yīng)保持在1∶1較為合適。振動輪直徑通常與靜線壓力有關(guān)，靜線壓力高，振動輪直徑也必須大。振動壓路機(jī)的振動輪是主動輪，比振動輪是被動輪對面層發(fā)生推料的傾向少。

6 結(jié)論

近年來，隨著高端液壓技術(shù)及制造水平的不斷高速發(fā)展，超重噸位超大激振力全液壓單鋼輪自行式壓路機(jī)也已研制成功，并已實現(xiàn)批量生產(chǎn)和使用。普通壓路機(jī)碾壓后在路基頂層和高填方路段采用超重噸位超大激振力的壓路機(jī)進(jìn)行補強作業(yè)，能有效的增強路基密實度，防止路基的沉降。實踐證明，采用超重噸位超大激振力全液壓單鋼輪自行式壓路機(jī)對路基進(jìn)行常規(guī)碾壓完全可以替代采用普通壓路機(jī)碾壓后再用強夯法或非圓式?jīng)_擊法進(jìn)行補強作業(yè)的施工工藝，施工質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益大大提高。路基補強的方法很多，為我們在路基壓實問題上提供了眾多方法，在進(jìn)行具體的方案設(shè)計時，要對各種方案進(jìn)行充分研究，然后綜合考慮具體工程的地質(zhì)條件、道路等級標(biāo)準(zhǔn)和使用要求、現(xiàn)場施工條件，選擇最適宜的方案。

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