超厚铺层压实设备的现状与应用

刘洁+牛春亮+李朋伟+谢娟娟

0 引言

随着国家各项基础设施建设的快速发展和施工质量要求的不断提高，在道路、高铁、机场和水利建设中超厚层摊铺、压实工艺得到快速推广和应用。超厚层摊铺压实可减小结构物总层数，有效改善层间结合，增强路面结构的整体性，提高施工效率，降低施工成本[1]。

一般超厚铺层的单层厚度为450～800 mm，甚至更厚。目前应用于超厚层压实的设备以采用圆周振动、垂直振动和冲击3种压实方式的压路机为主，他们有各自的特点[2-5]。本文将分别对其进行压实原理和工程应用等方面探讨，以期为实际工程提供参考。

1 压实原理

1.1 圆周振动压路机

圆周振动压路机的激振器沿滚轮轴线布置，工作时振动轴上的偏心块绕中心轴周期性高速旋转，形成圆周方向的激振力，使被压实材料处于高频振动状态，并降低其内摩擦力；此外，在超大吨位压路机本身重力和激振力的作用下，对被压实材料施加一定的压应力和剪切应力，迫使被压实材料的颗粒重新排布、互相嵌锁，从而提高被压实材料的压实度（图1）。

振动压路机的主要工作参数是振幅和频率，振动参数的选择直接影响振动压路机整机性能和压实效果。由于被压实材料的物理特性复杂多样，使得振动参数的选取也较为复杂。振动参数选取的基本原则是：用于基层压实时，应优先保证其工作振幅，主要修正振动频率；用于路面压实时应优先保证其振动频率，主要修正工作振幅。

（1）频率。通常把“压路机-土”系统简化为具有2个自由度的振动系统。这种二自由度的数学模型基本上可真实地反映“压路机-土”系统的实际动态响应。对该数学模型进行分析，可以得到上、下车振幅随激振频率变化的曲线，如图2所示。

振动压路机在压实作业过程中，振动轮的振幅会随着频率变化而波动。为了使振动压路机上、下车的振幅保持相对稳定，应该使振动压路机的振动频率略高于二阶固有频率。但是，这种频率选择方法在起振与停振时需快速穿过共振区。

不同的被压实材料具有不同的固有频率，压路机的振动频率应依据被压实材料的类型合理选取。实践证明，常规单钢轮振动压路机在振动频率为26～33 Hz范围内工作时，土壤、石料等被压实材料均可获得较好的压实效果。

（2）振幅。振动轮对地面的作用力不同于激振力，主要由振幅产生。振幅越大，被压实材料颗粒的运动位移就越大，振动轮对地面的作用力就越强，压实能量向地面的传播越深，从而压实效果越好。相对振动频率而言，振幅的变化对压实效果影响较大，理论上，超大吨位振动压路机的振幅可取偏高值，以便适应超厚铺层压实。

1.2 垂直振动压路机

垂直振动压路机钢轮内的激振器上安装有2组同步反向高速旋转的偏心块，2组偏心块各自的离心力在垂直方向上相互叠加，在水平方向上相互抵消，由此产生了仅在垂直方向交变的合力，带动钢轮在垂直方向上振动，即对土壤产生垂直振动作用，如图3所示。

垂直振动压路机的主要工作参数与圆周振动压路机相同，一般频率取下限，振幅取上限。

1.3 冲击压路机

冲击压实是一种冲击和揉搓相结合的压实方法。工作时，多边形滚轮在牵引车的牵引下向前滚动，滚轮重心上下交替变化，依靠动能和势能的相互转换产生对地面向下的强大冲击力，具有夯实、碾压和揉搓等综合作用。与圆周振动压路机相比，冲击式压路机是将振动压实的高频率、低振幅变为高振幅、低频率，压实能量较大，增强了压实深层效果，如图4所示。

冲击压路机以静能量来标定压实能力，能量计算公式为

E=GS

式中：E为能量（kJ）；G为滚轮重力（kN）；S为滚动过程中重心的运动距离（m）。

从公式看，冲击压路机的压轮重量以及形状直接影响压实效果，其中多边形压轮内外半径差值越大，冲击能量越大，压实效果越显著。

2 不同压实设备的试验对比

2.1 圆周振动压路机与垂直振动压路机

为了对比分析圆周振动压路机与垂直振动压路机的压实效果，分别用22 t的2种压路机进行了压实对比试验（图5）。

2种压路机的振幅均为1.9 mm，频率均为28 Hz，车速均设置为3 km·h-1。土槽内砂性土壤松铺厚度为80 cm，翻松后进行整平处理，2组试验土壤含水率为12%～14%。试验时，先静压2遍，然后大振12遍。

每压2遍后在表面以及20、40、60 cm等不同深处取点测试压实度。某2组试验结果见图6、7。

由图6、7可知，与圆周振动压路机相比，垂直振动压路机对深处的压实效果更显著：在深度相同、压实遍数相同时，压实度可提高1%～2%，说明垂直振动压路机在超厚压实方面具有明显优势。

2.2 圆周振动压路机与冲击压路机

为了对比分析圆周振动压路机与冲击压路机的压实效果，在某工地进行了超厚铺层压实对比试验（图8、9）。对比试验的压实条件相同，被压实材料为黄土高原当地的黄土，含水率为10%～14%，铺层厚度为800 mm。

同等试验条件下进行的对比试验结果证明：与冲击压路机相比，大吨位圆周振动压路机在深层的压实度略低，但压实均匀性高；冲击压路机虽然压实度高，但压实不均匀，压实表面呈现波浪状，容易产生压实不够和过压实现象；冲击压路机工作时因产生冲击，操作舒适性较差。

3 超厚铺层压实设备的应用

随着基础设施建设的快速发展，各种超厚层压实设备在工程中得到广泛应用。

3.1 冲击压路机在超厚铺层中的应用

在高填方工程中，冲击压路机因其冲击能量大、深层压实效果好，较早应用于超厚铺层压实中，虽然压实深度不如强夯，但能连续滚压，压实效率较高，适应的材料种类较广，可压实铺层厚度达1 m。

某工程为新城建设项目，根据规划，需将原来的土山挖平，填到河沟中，挖方和填方压实后可作为建筑用地。工程建设采用冲击压路机进行超厚层压实，作业对象为原生黄土，铺层厚度为800 mm（图10）。

压实前，挖掘机将山上的土装入卡车，运往待填区，在待填区卸掉黄土，用推土机进行初步铺平，装载机或平地机进一步铺平。压实时，先用冲击式压路机压实30遍，保证各层压实度；再使用凸块型压路机压实2遍，消除冲击压实表面波浪，提高表层压实度和压实均匀性；最后使用光轮压路机压平1遍，提高表面平整度。工程验收结果表明：各层压实度均满足要求，但由于压实不均匀，压实度在95%～100%之间，波动较大。

3.2 圆周振动压路机在超厚铺层中的应用

随着超厚铺层施工工艺的推广，尤其是公路工程中厚铺层基层施工的广泛应用，大吨位圆周振动压路机因其良好的超厚压实性能和表面平整、均匀的特点成为厚层压实设备中的新秀。大吨位圆周振动压路机一般吨位大于30 t，甚至重达39 t，适应高铁、水利大坝和道路建设中厚铺层压实，具有压实深度大、表面均匀平整的明显优势。

某水电站建设工程地处峡谷，设计填方高达140 m，采用铺层800 mm的工艺压实，填方料为粒径不大于800 mm的碎石（图11、12）。

压实前，用自卸卡车将碎石运到填方现场，用推土机推平。压实时，先用33 t单钢轮压路机静压2遍，然后采用大振压实10遍。工程验收表明，压实度达98%以上，表面平整、均匀。

3.3 垂直振动压路机在超厚铺层中的应用

垂直振动压路机最早应用于大坝施工中压实碾压混凝土，随着垂直振动压实技术在国内的深入研究和设备性能的提升，应用范围进一步扩大，近几年已广泛应用于高铁、道路、机场和水利大坝施工中。垂直振动压路机以其独特的激振方式实现了较小吨位和较好压实质量的兼容。

某工程为乡村公路，路面宽度为7 m，基层为水泥稳定碎石混合料，设计虚铺厚度为500 mm，压实后为350 mm（图13、14）。

摊铺时，单台摊铺机摊铺宽度为7 m，铺层厚度为500 mm。压实时，先用双钢轮压路机静压2遍，再用垂直振动压路机大振压实2遍、小振2遍，最后用双钢轮压路机静压2遍。经工程验收检测，压实度约为96%，满足施工要求。

4 结语

随着中国高铁、公路、机场和水利大坝等的持续建设，出现了一批超厚铺层新工艺、新设备。压实作为保证工程质量的重要工序，正确选用合适的压实设备意义重大：不但可以保证工程质量、节约施工成本，具有很好的经济效益；而且可以实现绿色节能建设，具有良好的社会效益。

参考文献：

[1] 陈龙珠，叶贵如.基础非线性振动的实用解析分析[J].振动工程学报，1996，6（9）：292-296.

[2] 冯忠绪，张志峰，姚运仕，等.仿冲击振动压实技术[J].长安大学学报：自然科学版，2008，28（2）：97-99.

[3] 宋 皓.垂直振动压实技术及其应用[J].工程机械与维修，2010（1）：146-147.

[4] 钱承浩.振动压路机主要技术参数评价及对选型的影响[J].中国西部科技，2008，7（22）：6-7.

[5] 祁隽燕，葛恒安.振动压路机与振动压实的前沿技术[J].建筑机械， 2002（9）：35-38.