沖擊碾壓在高填方路基中的應(yīng)用研究.doc

沖擊碾壓在高填方路基中的應(yīng)用研究交通運(yùn)輸工程與信息第9卷第1期2011年3月JournalofTransportationEngineeringandInformationNo.1Vo1.9Mar2011沖擊碾壓在高填方路基中的應(yīng)用研究張曉靖1,2邱延峻2余斌王文靜31.四川巴南高速公路有限責(zé)任公司,成都6100412.西南交通大學(xué),土木工程學(xué)院,成都6100313.四川I公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司,成都610041摘要:采用沖擊碾壓技術(shù)對(duì)高填方路基進(jìn)行沖壓補(bǔ)強(qiáng),測(cè)試分析路基在沖擊碾壓作用下相關(guān)力學(xué)參數(shù)的變化,以確定更優(yōu)化的相關(guān)施工參數(shù):主要考慮了沖壓遍數(shù)對(duì)路基沉降變形,路基不同深度處壓實(shí)度,路基填料最大干密度及整體強(qiáng)度的影響.結(jié)果表明:隨碾壓遍數(shù)的增加,路基沉降量增加,其增量曲線趨于收斂;碾壓2025遍可以起到對(duì)路基較好補(bǔ)強(qiáng)的作用,且可以以沉降率0.5%作為工程控制指標(biāo);碾壓遍數(shù)大于10時(shí)路基壓實(shí)度趨于均勻;同時(shí)土體干密度總體表現(xiàn)為隨碾壓遍數(shù)的增加而增大,并在碾壓15遍后增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減緩.關(guān)鍵詞:高速公路;高填方路基;沖擊碾壓;沖擊碾壓遍數(shù);壓實(shí)度;路基沉降中圖分類(lèi)號(hào):U213.1,文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-4747(2011)010070-08ApplicationofImpactRollerCompaction收稿日期:20100308inHighEmbankmentofHighwayZHANGXiaoJing一QIUYanjunSHEBinWANGWen.Jing.1.SichuanBananExpresswayLimitedCompany,Chengdu610041,China2.SchoolofCivi1Engineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China3.SichuanRoad&Bridge(group)company1imited,Chengdu610041,China作者簡(jiǎn)介:張曉靖(1983),男,江蘇大豐人,西南交通大學(xué)工學(xué)碩士,主要從事高速公路的建設(shè)管理工作.一_一70沖擊碾壓在高填方路基中的應(yīng)研究張曉靖等Abstract:Adoptingtheimpactcompactiontechno1ogytoreinforcingahighembankment.andtestingandanaysisingthere1evantmechanicalparametersunderimpacting,theoptimizationconstructionparameters,themainconsiderationoftheinfluenceofimpacttimestothesett1ementofsubgrade,compactnessatdifferentdepths,drydensityoffi11erandoveral1stabi1ity,weredetermined.Thereski1tsindicatedthatthesett1ementincreasedastheimpactingtimeraising,andtheincrementalcurvetendedtoconvergence.Whentheimpacttimebe2025,thereinforcementcou1dbebetter,then0.5percentrateofsettlementCOU1dbetokenasthecontroiindex.Whentheimpacttimecametobei0,thecompactnesStendedtobeaniform.Atthesametime,thedrydensitYoffi11erincreasedastheimpacttimeraising,andtheincreasestendedtobes1owwhentheimpacttimecomestobel5.Keywords:Highway,highembankment,impactrolIercompaction,numberofimpactro1ierpasses,compactness,settlementofsubgrade0引言20世紀(jì)50年代,南非共和國(guó)Beange先生首創(chuàng)了連續(xù)式?jīng)_擊壓實(shí)技術(shù)及其設(shè)備,改變傳統(tǒng)壓路機(jī)的設(shè)計(jì)思路,將壓實(shí)輪由圓形改為非圓形,創(chuàng)立了壓實(shí)作業(yè)中連續(xù)沖擊,碾壓,揉壓,剪切作用于土石體,從而獲得深層壓實(shí)效果的全新設(shè)計(jì)理念.沖擊碾壓是采用沖擊壓路機(jī)對(duì)地基,路基填料等進(jìn)行沖擊壓實(shí),以減小路基的工后沉降,從而提高路基的壓實(shí)度,整體穩(wěn)定性及強(qiáng)度.本文主要通過(guò)對(duì)攀田路高填方路基進(jìn)行試驗(yàn)段沖擊碾壓試驗(yàn)研究,確定適合本工程的合理施工參數(shù),分析研究沖擊碾壓對(duì)路基沉降,壓實(shí)度等指標(biāo)的影響.1沖擊碾壓工作原理及特點(diǎn)1.1工作原理沖擊式壓實(shí)機(jī)由牽引機(jī)和壓實(shí)輪兩部分組成,壓實(shí)輪采用非圓截面形狀,外形為多邊形,如三邊形(如圖l所示),四邊形或五邊形等.作業(yè)中牽引機(jī)帶動(dòng)壓實(shí)輪滾動(dòng)過(guò)程中,壓實(shí)輪輪廓曲線從最小半徑處起步,隨后接觸點(diǎn)半徑逐步增大,壓實(shí)輪與地表的接觸面積逐漸減小,地表作用在壓實(shí)輪上的支持力逐步增大,此時(shí)呈現(xiàn)支持力大于重力的一段作用過(guò)程,即揉壓過(guò)程.當(dāng)其滾動(dòng)至最大半徑處,出現(xiàn)一瞬間支持力等于重力的碾壓過(guò)程,在這段揉壓碾壓過(guò)程中其動(dòng)能等于壓實(shí)輪平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能之和,隨即便是壓實(shí)輪滾動(dòng)至下一輪瓣輪廓曲線最小半徑處,此時(shí)沖擊輪沿垂直方向的線加速度遠(yuǎn)大于重力加速度,壓實(shí)輪沖擊地表土體,產(chǎn)生遠(yuǎn)大于沖擊輪自重的沖擊作用,迫使路基填料結(jié)構(gòu)發(fā)生改變.沖擊碾壓原理示意如圖2所示.在這種揉壓一碾壓一沖擊的綜合作用下土石顆粒重新組合,強(qiáng)迫排出土石顆粒之間的空氣和水,細(xì)顆粒逐漸填充到粗顆?？紫吨?使被實(shí)材料產(chǎn)生永久性殘余變形,從而使土體得到壓實(shí)112.如圖1沖擊碾壓壓路機(jī)Fig.1ImpactroIIerfiiJ方向圖2沖擊碾壓工作原理示意圖Fig2WorkPrincjPIeofimpactrollercompaction沖擊壓路機(jī)沖擊能量以25kJ為基本型號(hào),另外7l交通運(yùn)輸工程與信息20l1年第1期還有15kJ,20kJ,30kJ等.其中25kJ等指的是沖擊壓路機(jī)沖擊輪的內(nèi)外半徑之差與其沖擊輪本身重量之積,即所具有的沖擊勢(shì)能,并按下式進(jìn)行計(jì)算:E=mgh(1)式中,E勢(shì)能,kJ:m非圓形沖擊輪的質(zhì)量,kg;g重力加速度(通常取9.81m/s);h沖擊輪外半徑(R)與內(nèi)半徑(,)的差值,h=R一,.,m.一般情況壓實(shí)輪組件質(zhì)量m=l2t,內(nèi)外半徑之差h=220mm,這樣按勢(shì)能計(jì)算其壓實(shí)能力標(biāo)定值為E:mgh=25kJ.沖擊輪對(duì)土體產(chǎn)生的沖擊力與壓實(shí)輪轉(zhuǎn)動(dòng)線速度有關(guān),通常為1215km/h.按12km/h計(jì)算,取作用路程0.0334m,則沖擊作用時(shí)間為0.01S,代入下式計(jì)算:N=_myt_mvn4.l0()(2)式中,v沖擊初速度,m/s:v沖擊末速度,m/s;t沖擊作用時(shí)間,s.沖擊碾壓突破傳統(tǒng)壓實(shí)方式,將往復(fù)沖擊壓實(shí)與滾動(dòng)揉搓壓實(shí)技術(shù)相結(jié)合,既發(fā)揮沖擊壓實(shí)打擊能量大,影響力深,又具有滾動(dòng)揉搓壓實(shí)連續(xù)作業(yè)效率高,便于土壤重新排列,機(jī)動(dòng)性好的特點(diǎn).該作業(yè)方式在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)被壓實(shí)材料施加約4.O10kN的巨大沖擊載荷,被壓實(shí)材料發(fā)生應(yīng)力變化速度很大,作業(yè)產(chǎn)生巨大的動(dòng)能,而動(dòng)能會(huì)在地基中轉(zhuǎn)化成波能,以體波(含壓縮波和剪切波)和面波兩種波動(dòng)形式進(jìn)行能量的傳播,對(duì)土體產(chǎn)生剪切壓縮和側(cè)向擠壓等,使土體得到不同程度的壓密加固.隨深度的增加,沖擊波強(qiáng)度衰減,壓密作用也逐漸減小.1.2沖擊碾壓的特點(diǎn)(1)沖擊壓路機(jī)生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)壓路機(jī)的45倍,傳統(tǒng)壓路機(jī)行駛速度約為1.52.5km/h,而沖擊壓路機(jī)的速度一般在l2l5km/h,這對(duì)提高施工工作效率有重要意義.速度過(guò)快沖擊輪與地面接觸時(shí)間過(guò)短不利壓實(shí),過(guò)慢則沖擊能不足.(2)沖擊壓路機(jī)的影響深度約為傳統(tǒng)壓路機(jī)的34倍,其壓實(shí)影響深度約為2m,有效影響深度約為1.5m.同時(shí)振動(dòng)壓路機(jī)的沖擊力約為500kN,而沖擊壓路機(jī)約為4000kN,因此其對(duì)路基的壓實(shí),減小成型路基的工后沉降變形較為有效.(3)沖擊壓路機(jī)對(duì)土基含水量要求范圍相對(duì)大些,傳統(tǒng)壓路機(jī)所要求的含水量為最佳含水量的士2%,而沖擊壓路機(jī)所要求含水量為最佳含水量的士5%.2沖擊碾壓施工工藝本試驗(yàn)段以攀田高速公路為依托,壓實(shí)采用型號(hào)為YCT-25的沖擊壓路機(jī),拖頭采用QCY360型專(zhuān)用牽引機(jī).2.1沖擊碾壓流程本試驗(yàn)段沖擊碾壓試驗(yàn)過(guò)程按圖3所示的流程進(jìn)行,并分別在5遍,lO遍,15遍,20遍,25遍進(jìn)行壓實(shí)度及其他參數(shù)的測(cè)試.2.2沖擊碾壓壓實(shí)方案路基壓實(shí)是公路路基施工的一個(gè)重要方面,它直接影響路面的長(zhǎng)期使用性能.為減小路基的工后沉降,提高路基的強(qiáng)度,整體穩(wěn)定性及承載力,需采取合理的施工壓實(shí)方案,其具體壓實(shí)方案采用縱向和橫向結(jié)合的方式進(jìn)行.按照此方式將可有效保證路基沖擊碾壓的均勻性.(1)縱向錯(cuò)輪:由于三變形壓實(shí)輪在工作時(shí)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈對(duì)土體產(chǎn)生三次沖擊和壓實(shí),因此沖擊碾壓以每前行一圈壓實(shí)1/6輪跡的方式進(jìn)行,只有在同一碾壓帶上錯(cuò)輪碾壓六次,也即在同一點(diǎn)上往返沖擊兩次才相當(dāng)于圓輪壓路機(jī)碾壓一遍.(2)橫向錯(cuò)輪:橫向錯(cuò)輪應(yīng)該根據(jù)沖擊輪寬度確定輪跡重疊寬度,如圖4所示,壓實(shí)輪單寬90cm,沖擊碾壓在高填方路基中的應(yīng)用研究張曉靖等兩輪間距120cm,每次需重疊20cm,錯(cuò)輪重疊沖碾兩次才能覆蓋兩輪之間的空間.按照這樣的方式重疊碾壓至試驗(yàn)段另一側(cè),從而完成路基的橫向碾壓.圖3沖擊碾壓流程圖Fig.3FIOWchartofimpactroIIePcompactiorl3工程介紹及試驗(yàn)方案3.1工程介紹攀田路是交通部規(guī)劃的8條西部大通道之一甘肅蘭州至云南磨憨口岸公路四川I境內(nèi)的一段,建成后將成為四川I通往東南亞,南亞快捷通道的組成部分.由于攀田路沿線地質(zhì)條件復(fù)雜,路基填料基本為黃褐色泥巖,風(fēng)化石英閃砂巖及西格達(dá)等,同時(shí)施工工期較緊,填方路堤較高,且未經(jīng)受雨季,因此有必要對(duì)全線高填方路基進(jìn)行沖擊碾壓.3.2試驗(yàn)方案本試驗(yàn)段位于正線K171+692K171+992段內(nèi),試驗(yàn)段內(nèi)路堤填料為西格達(dá)土,94%區(qū)及96%區(qū)填料均為風(fēng)化石英閃砂巖.沖擊碾壓試驗(yàn)則在已成型的路基頂面進(jìn)行.(1)路基沉降檢測(cè)路基沉降檢測(cè)區(qū)域在距線路中心線兩側(cè)各9m,距試驗(yàn)段兩端各30m范圍內(nèi).剛開(kāi)始用灑水車(chē)提前一天進(jìn)行灑水,第二天用平地機(jī)及圓輪壓路機(jī)配合進(jìn)行該試驗(yàn)段的整平,并用消石灰將高程檢測(cè)區(qū)域劃成3mx3m的方格共480個(gè)測(cè)點(diǎn)以便進(jìn)行沉降檢測(cè)(由于測(cè)點(diǎn)較密,未畫(huà)出測(cè)點(diǎn)示意圖).并分別在5遍,1O遍,15遍,20遍,25遍以同樣的方式進(jìn)行路基沉降量的檢測(cè).(2)壓實(shí)度檢測(cè)壓實(shí)度檢測(cè)位于距試驗(yàn)段兩側(cè)各50m的中心區(qū)域內(nèi),測(cè)點(diǎn)以線路中線對(duì)稱(chēng)分布,線路橫向間距為4m,縱向間距為50m,具體如圖4所示.對(duì)于壓實(shí)度,為詳細(xì)反應(yīng)路基不同深度處壓實(shí)狀態(tài)變化,擬測(cè)試路基面以下0.5m,1.0m,1.5m深度處的初始?jí)簩?shí)度,并在分別沖壓l0遍,15遍,20遍,25遍后測(cè)試以上位置的壓實(shí)度進(jìn)行對(duì)比分析,以判斷沖擊碾壓對(duì)路基強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性的影響.(3)干密度測(cè)試路基填料干密度測(cè)試選取路基中線的4個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行,并分別在整平初期及沖壓5遍,lO遍,l5遍,2O遍,25遍后路表0.5m深處測(cè)試.73沖擊碾壓在高填方路基中的應(yīng)用研究張曉靖等景.1一-.Il.一ilIIII線路中線t.-ABCDIIllIIIll斷i1斷300m斷i面3斷i面4圖4壓實(shí)度檢測(cè)測(cè)點(diǎn)平面圖Fig.4ThetestpointPIanofcompactness(4)回彈模量測(cè)試路基回彈模量測(cè)點(diǎn)選擇為圖4中A,B,C,D等4個(gè)點(diǎn),并分別在整平初期及沖壓25遍后進(jìn)行.4試驗(yàn)結(jié)果分析8o】4.1沖碾遍數(shù)對(duì)沉降變形的影響根據(jù)路基平面所布設(shè)的方格網(wǎng)進(jìn)行高程檢測(cè),由于本試驗(yàn)段為斜坡高填方路基,其典型斷面坡度約為=l:7(如圖5所示)因此分左右幅進(jìn)行高程的數(shù)據(jù)取平均值.圖5所示變形圖表明,斜坡路基在自重作用下將產(chǎn)生橫向差異工后沉降,因此將會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)及其使用性能產(chǎn)生不利影響.路基橫斷面中線圖5路基橫斷面及自重作用下路基變形圖Fig.5TransectionanddeformationofthesubgradeunderdeadIoad圖6為沖擊碾壓遍數(shù)與路基沉降變形關(guān)系圖,由圖可以看出,在525遍時(shí)路基沉降量左右幅分別為從2.3cm變化至5.6cm及從3.2cm增長(zhǎng)至8.1cm,左右幅沉降差異值由0.9cm增大為2.5cm,因此可以說(shuō)明,沖擊碾壓對(duì)減小路基工后差異沉降有積極作用;從曲線總體變化趨勢(shì)看,隨沖擊碾壓遍數(shù)的增加,路基沉降量逐漸提高,其中左幅路基沉降量變化趨勢(shì)稍緩.隨碾壓變數(shù)的增加,路基沉降變形也逐漸增大,其中左幅變形趨勢(shì)稍緩.圖7碾壓遍數(shù)與沉降量差值曲線總體表現(xiàn)為下凹雙曲線形式,在前15遍時(shí)相對(duì)沉降量變化明顯,到15遍時(shí)呈現(xiàn)為一拐點(diǎn),隨后相對(duì)沉降量變化較緩并趨于收斂.以影響深度2m計(jì)算,碾壓20遍時(shí)右幅路基沉降率為0.5%,左幅路基沉降率為0-35%:25遍時(shí)右幅路基沉降率為0.4%,左幅路基沉降率為0.25%,表明此時(shí)路基土體已由彈塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥蕴卣?因此可以將沉降率0.5%作為工程施工控制指標(biāo),相對(duì)應(yīng)的碾壓遍數(shù)大約在2025遍.987量6s4325碾壓遍數(shù)/遍圖6碾壓遍數(shù)與沉降變形關(guān)系曲線Fig.6SettIementinfluencedbyimpacttimes74沖擊碾壓在高填方路基中的應(yīng)用研究張曉靖等基j型逡O5l0152O25碾壓遍數(shù)/遍(a)斷面1O510152O25碾壓遍數(shù)/遍(b)斷而2七水0510l52O25碾壓遍數(shù)/遍(c)斷而3O5101520碾壓遍數(shù)/遍(d)斷面425圖8不同斷面不同深度的壓實(shí)度曲線Fig.8ComDactnessCIMrvesatdifferentdepthsbydifferenttransections圖8(a)(d)分別為不同斷面不同深度處壓實(shí)度的變化曲線,可以看出,不同深度處壓實(shí)度總體表現(xiàn)為隨碾壓遍數(shù)的增加而不斷提高,且在碾壓遍數(shù)為2025遍時(shí),壓實(shí)度增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩,說(shuō)明在沖擊碾雎達(dá)到25遍時(shí),繼續(xù)碾壓對(duì)土體壓實(shí)度的提高作用不再明顯.同時(shí),壓實(shí)度的變化隨深度的增加其增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩,說(shuō)明沖擊能隨深度的增加對(duì)土體壓實(shí)作用呈衰減狀態(tài).圖9(a)(c)分別為不同斷面同一深度處壓實(shí)度關(guān)系曲線,其中由圖9(a),(b)可以看出,當(dāng)沖擊碾壓遍數(shù)達(dá)到10時(shí),壓實(shí)度差值逐漸減小,表明路基體在沖擊碾壓作用下壓實(shí)度逐漸均勻,路基的整體均勻性逐漸提高,這對(duì)提高今后的路用性能有暈要作用:圖9(c)所表現(xiàn)的路基不同斷嘶壓實(shí)度在碾壓10遍時(shí)仍有一定差異,即沖擊碾壓對(duì)路1.Om深度以上范圍土體均勻性的提高作用相對(duì)明顯.755O5O5O5O5O5O505卯%一一目4208642O8642O867766554433221lO505050505O50599999999999999一林5O5O505O5O5O5O%一三f三交通運(yùn)輸二程與信息2011午第1期989796吾95崮94939296.596.095.595.094.594.093.593.092.592.O91.594.594.093.593.092-592.091.591.00510152025碾壓遍數(shù)/遍(a)0.5m深度壓實(shí)度O5l0l52O碾壓遍數(shù)/遍(b)1.0m深度壓實(shí)度1.98l_860510152025碾壓遍數(shù)/遍圖10填料千密度與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線Fig.10DrydensityofthefiIIerinfIuencedbyimpacttime大而有所提高,當(dāng)碾壓遍數(shù)達(dá)到l5遍時(shí),其增長(zhǎng)趨勢(shì)漸緩,同時(shí)填料干密度由原先的1.88g/cm提高為1.97g/cm3,幅度約為4.8%,從而提高了土體密實(shí)度.4.4沖碾遍數(shù)對(duì)路基回彈模量的影響路基回彈模量是路基路面設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一.25測(cè)試時(shí)采用常用的現(xiàn)場(chǎng)承載板法,并分別在碾壓0遍0510152025碾壓遍數(shù)/遍(C)1.5ITI深度壓實(shí)度圖9不同斷面同一深度的壓實(shí)度關(guān)系曲線及25遍后進(jìn)行,其具體數(shù)據(jù)如表1所示.表1路基回彈模量Tab.1ReboundmoduIUSofsubgrade斷面遍數(shù)/遍回彈模量E0/MPaABCDFig.9c.mpactnesscurvesatthesamedepthby平均值differenttransections43沖碾遍數(shù)對(duì)填料干密度的影響O25025025025O2543.2761-2745_3957_3348.3l62.O645.7358.6445.6859餾3表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明路基回彈模量平均位rh原圖10為路基0.5m深度處填料干密度與碾壓遍數(shù)先的45.68MPa提高至59.83MPa,提高了約31%,表關(guān)系圖,可以看出,曲線總體表現(xiàn)為隨碾壓遍數(shù)的增明沖擊壓對(duì)土體整體強(qiáng)度的影響較為叫顯.76%罟gguv陽(yáng)罌沖擊碾壓在高填方路基中的應(yīng)用研究張曉靖等5結(jié)論(1)隨沖擊碾壓遍數(shù)的增加,路基的沉降量逐漸增大,同時(shí)其路基沉降量的增量曲線趨于收斂,表明繼續(xù)碾壓對(duì)路基整體穩(wěn)定性及強(qiáng)度影響不大.(2)當(dāng)沖擊碾壓遍數(shù)達(dá)到2025遍時(shí),能起到較好的路基補(bǔ)強(qiáng)作用.(3)沖擊碾壓時(shí),可以采用沉降率0.5%作為工程施工的控制指標(biāo).參考文獻(xiàn)【4】HuruS.,MutsudaH.Dynami