冲击式压路机在旧路利用中的应用
2011-03-02孟祥马
孟祥马
(河北路桥集团有限公司)
1 工程概况
京承高速公路第十一合同全长8.285 km,新建高速公路有2.12 km路段为利用原旧有的京承旅游路,由于旧路全宽10m,而高速公路全宽25m,在新加宽路基与老路之间存在沉降不均的影响。如何克服新旧路的不均匀沉降,选择经济合理的处理方式是一个关键问题。
冲击式压路机自1995年引入我国以来,大多数省、区、市均采用了冲击式碾压技术,在冲击压路机高振幅、低频率冲击碾压下,使工作面下的深层土石密度不断增加,受压土体逐渐接近弹性状态,具有克服路基隐患的技术优势,是土石工程压实技术的新发展,为此,京承高速公路建设管处要求在旧路利用段增加冲击压实补强。
2 冲击压路机的压实机理
冲击式压路机的压实特点是利用一定质量的物体,从一定的高度处落下,冲击被压实的材料,使材料产生很大的应力变化速度。与普通振动压实所不同的是,冲击压实将振动压路机的高振频、低振幅的“振动拍打”压实方式改变为低振频、高振幅的“高能量冲击”压实方式。冲击式压路机以其巨大的冲击力冲击填筑体,并辅以滚压、揉压等综合作用,旧路原有沥青混凝土结构层,以及结构层下土石混填路基被剪切、破碎而互相填充、紧密,随着冲击波的传播,使路面下形成一个2~4m厚的连续稳定的加强层,从而形成更加稳定的结构。这对提高高速公路的寿命极为重要。
现有冲击压路机冲击轮的质量范围在6000~13000kg之间,计算静态能量范围在12~30kJ之间,本项目所用YCT25型冲击压路机冲击轮质量为12000㎏。
(1)静态能量(N1)计算公式为
其中:M为冲击轮质量,1000kg;R为冲击轮外接圆半径,m;r为冲击轮内接圆半径,m。
工作状态的冲击压路机的冲击能量有三部分组成。
(1)式讨论了静态能量,总冲击能量其实还包括平动能量和转动惯性能量。
(2)冲击压路机总能量N的计算公式为
其中:V为冲击轮水平速度,m/s;M为冲击轮轮质量,1000kg;I为转动惯量,1000kg·m2;ω 为角速度,rad/s。
根据部分冲击轮的有关数据按(2)计算:YCT25型冲击压路机当牵引水平速度为8 km/h,12 km/h,15 km/h时,其总能量可达到 71 kJ,131 kJ,188 kJ。
3 冲击压路机的冲击力
目前国家标准所提出的超重型振动压路机的激振力上限为450kN,超重型拖式振动压路机的激振力上限为1000kN。以YCT25为例,生产厂家的产品广告上称其冲击力达到250~400t(2 453~3 924 kN),还有文章论证为880t(8 633 kN)。冲击压路机的冲击力与冲击轮接地时的加速度、与地表接触时间、土壤的弹塑性等多种参数密切相关。确定其冲击力应保证在一种工况下,这样才可能有较稳定的数值,才可能有对比试验的再现性。
一般25 kJ冲击压路机,作业行驶速度为12 km/h(工作轮质量12000kg),当与已压实地面冲击作用时间为0.02 s时,根据冲量定理计算,其冲击力约为2000kN(约200t)。
2001年在浙江嘉兴施工工地曾采用应变盒埋入法对25 kJ冲击压路机压实影响深度进行了测定。压路机行驶15 km/h时,在距地面0.8m深处的压力应变盒反应出的压力值1000kPa以上,最大值为1 632 kPa。根据土力学中的Boussinesq公式(3),推算出其冲击力在1341.7~2189.7 kN之间。
其中:σz为地基土中一点的Z向应力;P为地基表面的集中载荷;Z为地基深度;R为地基中一点到力作用点之间的距离。
4 冲击压实的目的及过程
由于原有旧路为二级路,在高速公路利用原旧有路基时,需提高原旧路路基、路面的密实度及承载力,如采用普通振动式压路机需将原旧路挖开后再分层压实,而采用冲击式压路机可直接对旧路冲击压实,使施工速度加快。
首先选取150m长路段作为试验段,设置观测断面,确定冲击压实的遍数、速度、沉降量等参数,查看冲击压实的效果。
冲击压实过程中注意距路肩外缘宜保持1m的安全间距,冲压时要注意冲击波峰,错峰压实,冲压5遍后应改变冲压方向。
旧路的压实过程也是旧路的破碎过程,由于冲击轮外形曲线平缓,与地面接触面较大,作用力不集中,为增强旧路破碎效果,可在冲击轮着地表面上焊接凸出铁条(可选用Φ32的钢筋),经计算,加焊铁条后,其冲击瞬间可过200MPa,实践证明,采用此办法,冲压作用力集中,旧路破碎情况非常好。
冲压前,应对机手、配合人员、记录员进行详细的技术交底,施工过程中,由专人负责记录冲击压实遍数,冲压时从边缘往中间顺序破碎,由于旧路宽仅10m,长却达1.6 km,加上冲击式压路机与牵引设备长达10多m,施工宽度小于冲击机械的转弯半径,冲击压路机的行驶路线最好以分车道冲击为主,压实采用“∝”路线,在旧路利用段的起、终点须设置转弯处。
5 冲击压实的质量检测和加固效果
为达到冲击压实效果,现场应进行沉降量检测、压实度检测、弯沉检测、破碎检测。
(1)沉降量检测包括冲压前及每冲压5遍后的标高,第10遍后,每2遍测量一次,水准仪的测量精度不大于1mm,计算采用算术平均值,经冲碾的路段沉降量在0~4 cm之间,平均沉降3 cm。
(2)压实度检测平面点数不少于4个,竖向检测位置分别为表面下30、50、80cm处,密实度提高0~3个百分点。
(3)弯沉检测采用5.4m贝克曼梁,每个车道检测20个点,弯沉值均达到设计要求。
(4)由于冲击压路机是在旧路全面积内均匀冲碾压实,达到了对路基的直接检测现补充追加压实效果。
通过旧路破碎冲碾20遍后,可以看出,旧面结构层全部破碎,并将下层土石混合料中的原有的水分和空气被挤出,土石颗粒在强大的冲挤力下重排列,较少的颗粒被到大颗粒的缝隙中,形成二次沉降,从而使旧路路面、路基形成密度很高的板块,提高了旧路的承载能力,有效地减少路基工后的沉降变形,更重要的是高速公路可直接施工,不必再进行挖除或换填工作,大大减少投入。
6 冲击压实中对建筑物的保护
由于冲击式压路机冲击势能高达25 kJ,冲击影响深度达4~5m,为此要尽量远离构造物、导线点、水准点、地下管线、互通立交桥、建筑物等,一般至少保证5~10m,普通民房建筑物要保证在30m以上。
为此,在冲击压实前应认真查明现场施工情况,附近及地下是否存在构造物,如存在是否满足安全距离,施工前要对拟保护的构造物在保护范围的外围设置明显的标记物。临近安全距离时要降低冲击压路机的行驶速度,可增加冲压遍数。
在冲压时,应注意对冲压区构造物的观察,一旦发现有墙体开裂、构造物变形等情况时,要立即采取措施。另外,距离居民较近时,还要考虑噪音与振动影响,在施工时应合理安排时间。
7 结束语
本文仅对旧路利用段采用冲击式压路机压实作了简单描述,目前,冲击压实工艺正在逐渐在高速公路路基施工中普及,但由于各地高速公路施工受土质状况、自然条件、施工环境等情况影响,还需要对冲击式压实注意积累资料,总结经验。