冲击碾压法的几点思考

沈礼伟

【摘要】冲击碾压法作为一种高效、经济的压实技术，已经广泛应用于各种路基压实和软基处理等领域，并不断被应用于新的领域。软土地基处理方法包括换填法、强夯法以及冲击碾压法等等，而对冲击碾压法的研究有很多。本文通过总结归纳对其特点以及研究现状做了详细分析，并在此基础上进行了相应的思考，提出在进行地基处理时的相关见解。

【关键词】冲击碾压法

一、冲击碾压法概述

冲击碾压是利用三边形或五边形重轮来产生集中冲击能量对填筑土石方进行压实。与传统的振动压路机相比，冲击碾压将一般碾压机具的高频率、低振幅振动改为低频率、高振幅振动，压实冲击能量可增加10倍（以25kJ三边形冲击压实机为例），在2m深度内压实效果明显。[1]冲击碾压也能有效改善浅部土层的强度和承载力特性，明显提高浅部土层的强度指标。

二、研究现状

冲击压实技术最早于上世纪50年代由Aubrey Berrange提出，经历多年研究之后，80年代该技术趋于成熟。90年代之后该技术在全世界范围内开始推广，1995年由南非兰派公司将这种压实设备传入我国，引起了我国科技人员的重视，道路与机场科技等人员对它经历了从不了解到逐步推广，直到广泛应用的过程。日本、美国、德国等发达国家在20世纪90年代便将冲击压实技术广泛地应用于机场工程、地基加固、水坝填筑、地基填筑等工程实践中，并制定了相关的标准。

目前，冲击压实技术己在我国14个省、市共60多项工程中得到了应用。这些工程在专业类型方面涉及机场、道路、水坝等。机场工程包括香港新赤腊角机场、首都机场、广州白云机场、重庆万州机场、贵州兴义机场、新疆且末机场和华北某军用机场等；在公路方面有八达岭高速公路、京珠高速公路、河北宣大高速公路和石黄高速公路、宁夏桃同高速公路、甘肃天兰高速公路、青海以及新疆东部的西徨、马平高速公路和西塔公路及平阿公路、陕西地区的西禹高速公路和陕北地区的黄延高速公路、广东莞深高速公路、重庆渝黔高速公路、黑龙江大齐高速公路等高等级公路。[2]在工程性质方面涉及填土压实、软土处理、地基补强、破碎原道面等。在土质方面涉及黄土、块片石、砂土、粘土、软弱土等。

在黄土地区，由宣大高速公路所得施工技术参数表明，即冲击碾压40遍以后，土的干密度增加很少，甚至有稍许减少。不同碾压遍数下，深度80cm以上的干密度明显地低于上部的数值，160cm处为1.29-1.41g/cm3和天然状态的1.29-2.34 g/cm3相差无几；西惶公路湿陷性黄土地基冲压处理得到参数，当冲压遍数由10遍增加到30遍后，地表下80cm以内平均压实度明显提高：而80cm-120cm内平均压实度提高较小。冲压前后，孔隙比在80cm以内明显降低：80cm以下无明显变化。压缩系数和压缩模量的影响深度也在80cm左右。从消除湿陷性来看，80cm深范围内的土体在处理后湿陷性基本消失，80cm之下仍有湿陷性存在。综合各种指标即得冲击碾压法在西宁至惶源高速公路湿陷性黄土地基处理的有效影响深度在80cm左右，冲压遍数以30遍为宜；马场垣至平安高速湿陷性黄土地基冲击碾压处理的有效影响深度也在80cm左右，而冲压遍数以30～40遍为宜。

三、冲击碾压法加固原理

土体在压实过程中，压实机械所产生的应力使一定深度范围内的土体颗粒重新排列并挤密，土的密度和强度随之提高，土体渐渐由塑性状态变为弹塑性状态，直到弹性状态。土体只有在弹性状态下才一能够承受一定的荷载而不变形。很显然，加大作用于土体的冲击能量，可以增加影响深度，提高土体的密实度，从而更容易使上体达到弹性状态。冲击碾压技术正是应用了这种原理。[3]

冲击压实机械最显著的特点是压实轮形状是将传统圆形轮改为非圆形（三边形、四边形或五边形），这种轮子有一系列交替排列的凸点和冲压面。在行进过程中，由配套的大功率牵引车带动"凸轮"滚动前进。冲击压实轮的凸点交替抬升与下落。从而在行驶滚动中产生集中冲击能量，同时辅以滚压、揉压的综合作用，连续对土体产生碾压作用而使土体达到密实。

冲击压实机的三叶凸形轮在轮胎式或履带式牵引机车快速的拖动下运动，其局部面积上发生了瞬间的竖向振动荷载，振动荷载向地基快速传递能量，传给地基的能量是由压缩波（即纵波）、剪切波（s波即横波）和瑞利波（R波）联合传递的。体波（压缩波与剪切波）沿着一个半球波阵面径向的向外传播，而瑞利波则沿着一个圆柱波阵面径向地向外传播。压缩波的质点运动是属于平行波阵面方向的一种拖拉运动，这种波使孔隙水压力增大，同时还使土粒错位，土的结构发生变化，由疏松变为紧密；剪切波的质点运动引起和波阵面方向正交的横向位移；而瑞利波的质点运动则由水平和竖向分量组成。剪切波和瑞利波的水平分量使土颗粒间受剪，导致土的密实。[4]对于均质各向同性弹性空间表面上竖向振动的振源，三种弹性波占总输入能量的百分比分别为：瑞利波67%，剪切波26%，压缩被7%。瑞利波占了来自竖向振动的总输入能量的2/3，该波随距离的增加而衰减，但比体波慢得多，从而对位于和接近地面的地基土，瑞利波的竖向分量起到松动、降低表层土强度的作用，因此，冲击压实后，地基土应有强度恢复期。

四、冲击碾压法适用范围

根据前人大量的试验研究，地基1.5m深度范围内冲压后的波速值比冲压前波速值有明显提高，表明冲击碾压技术在1.5m深度范围具有较好的冲压效果，并在其下约3.0m深度范围内对地基的压实度均有一定的提高和影响。并且冲击碾压的压实功率大大地超出常规压实机械，压实效果即在较大的深度范围内整体地提高了地基的压实度。[5]

宣大公路、西惶公路、马平公路、西塔公路及平阿公路试验段所展开的冲击压实试验研究表明，采用冲击压实技术处理路段的压实度、湿陷性、沉降量及孔隙比等指标均表明，在地基土表面1.2m以内，冲压前后各种指标数值的变化很大，并在冲压约30遍后，各种指标均能达到要求。而在1.3m以下，冲压前后各种指标数值的变化很小，并且大多数不能达到要求。因而，冲击压实技术只适合于浅层湿陷性及湿软性黄土地基的处理，且其有效影响深度一般不超过1.2m，冲压遍数以30-40遍左右为宜。但湿陷性可完全消除的深度仅为80cm。为对振碾的土体进行补充冲击压实，定为20遍是比较合适的。补压的影响深度亦为1.0-1.2m。

五、结论

首先，国内外对于软土地基处理中的冲击碾压法研究已经很多，研究成果丰硕，然而由于各地区环境差异较大，土质條件等因素决定了冲击碾压法在不同地区不同的效果，需要更多的试验更多的研究。其次，根据冲击碾压法原理，分析了该方法在软土地基处理中的特点。最后根据冲击碾压法的原理及特点找到该方法对地址等条件的要求，确定其适用范围。

参考文献：

[1] 徐超，陈忠青.冲击碾压法处理粉土地基试验研究[J].岩土力学，2011，32（2）：389-392.

[2] 范国兵，张震.冲击碾压技术在高速公路软基处理中的应用[J]. 山西建筑，2011（06） ：120-121.

[3] 徐志开.浅谈公路路基施工中的冲击碾压施工技术[J]. 科技信息，2011（07）：308-309.

[4] 张周奎，李光明.冲击式压路机在路基压实中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2001（6）：37-38.