多锤头碎石化震动波对水稳的影响

金家明，陈明山，张孟伟

（1.S 105巢湖至乌江段公路建设工程指挥部，安徽 巢湖 238200；2.巢湖捷诚监理公司，安徽 巢湖 238000；3.北京新桥技术发展有限公司，北京 100088）

1 引言

根据水泥混凝土路面破损后维修养护困难、养护效果差的实际情况，开展了公路水泥混凝土路面全断面改造技术研究。通过对水泥混凝土路面快速检测及评价技术、水泥混凝土路面破碎工艺、水泥混凝土改造利用混合料配合比设计、水泥混凝土路面改造的路面结构设计及修筑工艺、水泥混凝土路面改造的各技术措施的经济性和环境性评价等课题的研究，结合依托工程应用，从水泥混凝土路面快速检测技术、破碎工艺、材料再生利用、结构设计、施工工艺等方面提出了水泥混凝土路面全断面改造的关键技术。多锤头碎石化技术是采用多锤头式破碎设备将水泥混凝土路面破碎成上层不大于7.5cm，中间层不大于22.5cm，底层不大于37.5cm的混凝土块，用以限制新铺的沥青罩面上出现的反射裂缝，形成一个用于热拌沥青混合料罩面或新加铺水泥混凝土面层所需的均匀基层。碎石化技术是目前解决反射裂缝问题的最有效方法。破碎并压实的混凝土路面是由破碎混凝土块组成的紧密结合、内部嵌挤、最高密度的材料层，可以为热拌沥青混合料罩面提供更高的结构强度。该破碎工艺施工简便、迅速，综合造价较低、环保、无污染。对在近几年的施工中，踊跃出很多不同的现场实际情况：由于施工时要求半幅施工，有些工程还存在加宽路段，破碎工艺在夯击路面时若侧面有水稳施工方案进行确定。

2 波的相关系数

2.1 波的公式

底面半径为r0，质量为m的夯锤从h高处自由下落，与地表产生碰撞，并在地基半空间中做自由振动，夯锤与半空间地基所组成的体系具有无限个自由度，振动的阻尼比γ、最大振幅A：

式中：G、ρ、ν、fn分别为介质的剪切模量、密度、泊松比和振动主频。

2.2 波的传播速度

由查阅资料得到3种波在各种材料内的传播速度，结果见表 2、表 3。

表2 材料参数

表3 3种波在路面结构内的传播速度

2.3 设备与波的关系

从上式可以看出，冲击波的振幅和频率与破碎机械相关的参数为重锤质量m、落锤高度h和重锤底面半径r0（或当量圆半径）。其中，振幅的平方与重锤质量和落锤高度成正比，与重锤底面半径成反比；而频率的平方与重锤底面半径成正比，与重锤质量成反比，与落锤高度无关。冲击波的初始能流密度仅与落锤高度成正比。由于在均匀介质中传播时，冲击波的频率是不变的，而振幅将随传播距离的增大而减小，因此在其他条件相同的条件下，具有较大初始振幅的冲击波可以传播到相对远的位置。

3 现场情况

巢乌公路合马段，原路面K 31+713～K 38+625段为水泥混凝土路面，碎石化全长为6.427 k m（扣除变更砼面板、超挖及桥面长度），宽为12 m，平均厚度为28.3cm。根据本项目特点，碎石化路面用于底基层，在其上铺筑调平层及18cm 5%水泥稳定碎石基层16cm厚沥青混凝土面层，所经行政区域为和县西埠镇。图1是加宽段加铺水稳后的图片。

图1 加宽段加铺水稳后的图片

3.1 设备理论控制范围

从表3可以看出，3种波在路面结构中的传播速度不同，首先到达的是P波，其次是S波和R波。根据公式结合水泥混凝土下卧层的强度推算了破碎过程中设备落锤高度的可调整范围为0.8～1.3 m，其两次冲击纵向间距可控制在6～12cm范围内，见表4。

表4 选定的设备参数控制范围

3.2 设备实际运作情况及效果

该工程为改建加宽工程，为了验证施工过程中破碎工艺对水稳是否有影响，通过试验段施工时记录不同的破碎情况下相对应的水泥路面破碎机设置的参数，如锤头高度和地面行驶速度等以下工作，见图2、表5。

图2

表5 试验段各点设备运作情况

当试验段完成后，为了进一步验证夯击时对一侧水稳层的影响，确保路面被破碎工艺完成后一侧的水稳层均满足图纸规定的要求。

4 结束语

综上所述，M H B类设备由于采用小重量、高频度、多位置的冲击作用形成了强度更加均匀的破碎层，在施工过程中如靠近水泥稳定碎石基层时，由于其中振幅的平方与重锤质量和落锤高度成正比，与重锤底面半径成反比；而频率的平方与重锤底面半径成正比，与重锤质量成反比，与落锤高度无关。冲击波的初始密度仅与落锤高度成正比。由于在均匀介质中传播时，冲击波的频率是不变的，而振幅将随传播距离的增大而减小，因此在其他条件相同的条件下，具有较大初始振幅的冲击波可以传播到相对远的位置。所以在靠近加铺水稳层时，应降低锤头高度。

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