冲击压实技术在高速公路土石方路基中的应用

贾陆军

(湖南路桥集团通盛有限公司)

0 引 言

冲击压实技术是 20世纪 70、80年代在南非发展成熟并应用于工程建设中的一种新型压实技术,在 1996年引入我国。随着我国经济的飞速发展,物流业的发展和城市间的合作更加紧密,公路的交通量日益增长,原有公路的设计通行能力不能满足交通量增长的需求,在对路基施工时要注意施工工艺。在我国公路施工中,主要用于地基的碾压和路基的增强补压,土方路基的分层压实应用较少。为验证冲击压实施工技术在土石方路基中的可应用性,在某公路段土方路基施工中进行了尝试应用,并取得了较好的效果。

1 土石料压实特性

(1)土的压实特性是指土体在外部压实能量作用下,颗粒克服阻力,产生位移,相互挤压靠近,使土的孔隙减小、密度增加、强度提高的特性。

(2)以压实为标准的分类法基于土的压实性能,直观、简便,便于确定恰当的压实方法和适当的压实设备。按以压实为标准的分类法,可将土分为岩土填方和带有大块石及石块的粒状土,砂和砂石料,粉砂、粉质土,粘性土四类。

(3)影响压实的因素有很多,其中填料本身的因素主要有填料级配、填料含水量和颗粒间粘聚力等。单位体积土达到最大干密度所消耗的压实能量(击实功)可按式(1)计算

式中:M为击锤质量,kg,轻型法锤质量为2.5kg,重型法锤质量为4.5kg;g为重力加速度(ms-2);d为落距,m,轻型法落距为0.30m,重型法落距为0.45m;N为每层土的击实次数,小试筒对应击数为 27,大试筒对应击数为 59;n为铺土层数,轻型法铺 3层,重型法铺 5层;V为击实筒容积,m3,小试筒容积为 997×10-6m3,大试筒容积为 2177×10-6m3

(4)用细粒土作填料进行填方施工时,应将含水量控制在最优含水量wopt士(2～3)%范围内。粉质土和粘性土用作填料时须严格控制层铺厚度和含水量。砾类土或砂类土同时满足Cu＞5和Cc=1-3两个条件时,可以认为填料级配良好。

(5)对于混合填料,粗料(粒径大于5mm)含量是影响填料最大干密度的主要因素。当粗料含量为 70%左右时,粗料形成完整骨架,细料填充空隙,填料压实后的干密度值可达到最大值。

2 冲击压实机理

冲击压路机是兼具强夯和普通振动压路机优点的一种压实机械,作业方式是冲击和滚动复合行为。冲击压路机的冲击能是由压路机轮轴组件的质量、压实轮向量半径差所产生的势能决定的,可按公式2计算

式中:E为势能,kj;m为冲击压实机轮轴组件的总质量,kg;g为重力加速度,m/s2;h为轮子的内外半径差值,m。冲击压路机工作机理见图 1。

图1 冲击式压路机工作机理

冲击压路机的冲击能以低频大振幅的方式作用在路基填料中,产生强大的冲击波向深层填土传播,使疏松的土颗粒变得紧密,小的土颗粒逐渐填充到大的土颗粒孔隙之中,使填料得到压实,从而达到快速高效的压实路基土的目的,避免由于压实度不够、压实不均匀等引起的路基较大变形、路基稳定性以及路面开裂这些影响交通安全。

3 冲击压实施工工艺

冲击压实的适用范围:地基冲击碾压、土石混填、填石路堤分层冲压、路基补压等;要控制好新路基的压实质量,充分发挥各种压实机械的工作效率,使施工的路基达到压实的标准的要求,具体要求如下:

(1)确定不同种类填土的最大干密度和最佳含水率;

(2)检查控制填土的含水率;

(3)分层填筑,分层压实;

(4)注意新旧路基结合处的压实,旧路加宽新旧路基结合处是压实的死角气,因此,在压实的过程中尽量使压路机往边部靠,保证结合带的压实,至于压不到的地方采用人工夯实或强夯处理,保证路基整体的压实度均匀一致;

(5)加强现场检查和试验检测。

冲击压路机在进行冲击压实的过程中要保证一定的速度进行冲击,否则,速度过慢或者过快都会影响到压实效果。在冲击压实的过程中要严格控制冲击压路机的行驶速度。

冲击压路机压实路基时,应按照图 2的路线进行压实,这样可以保证纵向和横向分别错轮,进而保证冲击地面受到均匀的冲击压实,能够使地基土密度均匀,地基强度提高幅度一致,不会出现漏冲或过冲现象。

图2 冲击压实的冲压路线

冲击压实对填料含水率要求低,但为减少由于冲击在填料表面出现大量细灰、尘土导致冲击能量的较多损失,防止压实过程中扬灰现象严重影响施工,应在施工前用洒水车洒水,保证施工中不扬尘即可。冲击压实机对深层土体有密实作用,但由于其冲压轮产生集中的冲击力,对表层土体有所松动,且易形成高低参差的表面,应配合使用平地机和普通压路机,进一步提高表层土的压实度。

4 冲击压实试验研究

选取某高速公路路基作为土石方冲击压实试验路段,土石方工程量约为 350000m3。

4.1 冲压试验参数

冲击压实试验参数见表1。

表1 土石方冲压试验参数

4.2 冲压施工程序

基础层面处理、测量层面标高、填料含水量及级配控制、填筑至设计标高(厚度控制)、场地平整并测量填筑后层面标高、冲压、测量冲压后标高、检测试验、冲压施工质量验收、进入下一道工序。

关于填料的质量控制内容有:如果填料含水量偏大(大于最佳含水量+3%)应及时松动晾晒至最佳含水量士 3%以内;或含水量小于最佳含水量-3%,应计算缺水量,及时洒水;填料级配不能达到要求时,应现场调整填料级配;如遇雨天,不应进行施工。满足填料含水量、级配要求和天气条件时,方可进行施工。

关于填筑表面平整的要求:按5m×5m方格网测量层面各点标高hi,应满足条件

式中:hi为任意点标高;σ为允许偏差,冲压试验可取5cm;n为方格网节点个数;h为n个标高的平均值。

对于个别不满足条件的节点,应把以节点为中心 5m× 5m范围土刨松5cm,填至设计标高后(必要时洒水),使用光轮压路机静碾 1～2遍。

4.3 不同冲击能量的冲压试验

冲击压实相当于低能量的强夯,冲击压实有效加固深度按式(3)估算

式中:H为有效加固深度,m;α为比例系数;W为冲击总能量,k。

国内外众多工程实例中,有效加固深度公式中的系数 α统计资料标准不一,故很难取得指定工程和土类型的比例系数,只能根据经验值预估,然后通过现场试验确定比例系数。考虑冲击压实的冲击能量与强夯不是同一个数量级,α可暂时强夯加固比例系数的一半,暂取 0.3。在行驶速度为12km·h-1时,按照式(3)计算,在25kJ冲压机有效加固深度约为1.0m,32kJ冲压机有效加固深度约为1.2m。以下通过25kJ冲压机对虚铺1.0m厚,32kJ冲压机对虚铺1.2m厚填筑层进行冲压试验。

每冲压 4遍(2轮次),用灌砂法检测填筑层不同深度(表面以下20cm,50cm,80cm)压实度及试验小区平均标高,绘制压实度与冲压遍数关系曲线见图 3,表面沉降与冲压遍数关系曲线见图 4。粉吸收沥青中的油分,溶胀后均匀分布在沥青中,使得沥青整体变软。

图3 冲击压实试验——压实度与冲压遍数关系曲线

图4 冲击压实试验——表面累计沉降与冲压遍数关系曲线

掺量—粘度:粘度是橡胶沥青首要的技术性质,粘度大的沥青在荷载作用下产生较小的剪切变形,弹性恢复性能好,与沥青混合料的动稳定度有很好的相关关系。由试验结果可知,其规律性明显好于针入度和软化点指标。从这个指标看出,胶粉的掺加能够大大提高沥青的粘度,而且随掺量的增加,橡胶沥青是粘度呈指数关系急剧增长,且掺量越大,增大的趋势越明显。

掺量—软化点:重交通沥青(AH-70)经胶粉改性后软化点、当量软化点升高,说明其感温性能得到改善。当胶粉掺量为 15%时,与基质沥青相比,其软化点提高了 7.9℃, 60℃粘度增加了 4.9倍,当量软化点提高了8℃。当胶粉掺量大于 15%时,软化点、当量软化点与粘度增长幅度降低。

掺量—延度:延度值基本基本都在 20～35之间,远远小于基质沥青(15℃延度＞100mm)。但是可以看出掺量对延度有显著的影响,随着掺量的增加,橡胶沥青的延度在增大,但是变化幅度不大。

掺量—针入度指数:在废胶胎粉掺量较低时橡胶沥青的针入度指数并没有得到提高,反而有所降低,只有在较高掺量时针入度指数才有所提高,基本上随掺量的增加而增大,说明经改性后其温度敏感性降低了。其掺量—针入度指数的曲线基本上是一条S形曲线,在10%-20%之间针入度指数变化明显,其他情况下随掺量的增加,针入度指数的变化都不明显。胶粉掺量大于 20%时,针入度指数值基本稳定。道路沥青的针入度指数要求在 -1.0～1.0范围内,因此胶粉掺量在 5%～15%的针入度指数满足要求。

掺量—弹性恢复:废胶胎粉本身是一种良好的弹性材料,沥青的弹性恢复能力的提高可以减小荷载作用的残余变形,减小路面的损坏。弹性恢复指标作为评价改性沥青性能的新指标已备广泛使用。结果表明,随着废胶胎粉的掺量的增大,弹性恢复增大。

掺量—短期老化:沥青老化是一个逐渐发展的过程,它的速率直接影响路面的使用寿命,是影响路面耐久性的主要因素。从薄膜烘箱前后的针入度比可以看出,橡胶沥青烘箱后的针入度比比基质沥青的值大,且都大于 70%;其烘箱后的橡胶沥青粘度提高。软化点比比基质沥青的低,粘度比提高,说明橡胶沥青抗老化能力比基质沥青的强。

掺量—当量脆点:有资料表明,当量脆点作为评价沥青结合料低温抗裂性能的指标是合理的,与路用性能也有很好的相关性。根据实验结果,随着胶粉掺量的增加橡胶沥青的当量脆点明显降低,在掺量较高时橡胶沥青的当量脆点低于不掺胶粉沥青的当量脆点。

4 结 语

上述试验表明,胶粉掺量 15%(胶粉与沥青质量百分比)的改性沥青的各项性能满足要求,经改良后,粘度增大,施工时混合料出场温度宜 175～185℃,初压温度宜 165～170℃。采用胶粉改性的基质沥青,可以使其针入度与当量脆点降低,软化点、粘度和当量软化点升高,说明其高温、低温性能得到一定的改善,并且经改良后,其 PI提高,其感温性降低。橡胶粉作为一种新型能源再生利用材料,具有环保效益,可以降低噪声,节约成本,修建出优质的沥青路面。

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