冲击碾压技术在高填方路基中的应用

王旋

新疆交通建设管理局项目执行三处 新疆 乌鲁木齐 830000

1 引言

对于高填方路基工程，如果填筑体回填压实处理不到位，往往会造成路基工后沉降不均匀或沉降过大[1]。一般采用的机械碾压因其加固深度有限而仅适用于部分薄路基，振动压实因其噪声大，污染严重等问题而限制了其推广应用。冲击碾压技术作为一种新型压实施工方法，克服传统工艺的缺陷，冲击式压路机通过装载机牵引，带动一个多边形冲击轮，利用冲击轮自身重量和前进时的冲击力，对路基进行压实。其压实深度深，环境污染小，工作效率高，压实效果好，适用于多类路基冲击碾压、高填方路基分层冲压、路基补强压实等[2]。本文依托实际工程，详述冲击碾压技术工作原理、施工工艺，分析其对沉降量、压实度和含水率的影响，为往后同类型施工环境提供技术指导。

2 冲击碾压技术

2.1 冲击碾压机具

表1 各类型冲击式压路机适用条件

冲击式压路机是将冲击夯实和碾压相结合的一种新型压路机，其由冲击轮，机架和连接器械三部分组成，牵引方式有自行式和拖式。与传统压路机相比，冲击轮为多边形或圆弧以到达最低能耗及优质压实效果[3]。各类型冲击式压路机适用条件如表1所示。我国常用三边形或五边形冲击轮作为现场压实机具，为增加接触面积，部分包含块状凸条。

2.2 冲击碾压工作原理

冲击碾压是一种浅层地表层基础加固技术，由牵引机械拖动冲击轮行驶来对路基进行周期性点触碾压，具有压实功能大、压实效率高、加固深度大等特点。其碾压工作原理包括冲击原理和土体增强原理。

（1）冲击原理

与光轮压路机不同的是，拖动式冲击碾压机冲击轮主要为凸轮，由多个同向螺旋曲线状钢板焊接而成，直径1800～2000mm，质量100～120kN，见图1所示。以图1中a为例，在拖动过程中，冲击轮上单瓣凸轮m逐渐上升，重力势能增大，当m位于最高点时，即与转动轴处于竖直平面时重力势能最大，随着冲击轮向前滚动，m位置凸轮重心前移，重力势能由此转化为动能，产生了冲击力矩，当m接触到地面时冲击力矩到达最大，挤压土体从而起到冲击压实的效果[5]。

（2）土体增强原理

在冲击轮强大的冲击势能下，原本松散的土颗粒重新排列组合，土体内部的空气和水分被挤出，空隙率减小，密实度增加，土体结构内摩擦力和粘聚力增强，抗剪强度和稳定性显著提高，透水性能降低，形成一个密实整体[6]。

2.3 冲击碾压特点

冲击碾压作为一种高效提高密实度与破碎度的新技术，目前广泛应用于高填路基、土石混填路基等各种路基结构形式。其具备以下特点：

（1）冲击力大，对土体破坏效果好。以一般25KJ冲击压路机为例，其冲击力是同吨位振动压路机的5倍，是普通光轮压路机的25倍。不同形式速度下，对地面的冲击力可近似转换为1800-5000KN。

（2）影响深度广。冲击碾压采用低频高振幅技术，产生类似地震波的冲击波，冲击轮的动能与势能交替作用，使土体密实度不断提高以达到冲击碾压的效果。

（3）冲击碾压效率高，压实效果更佳。冲击压路机每小时压实的面积约为普通压路机的2倍，压实体积约为普通压路机的6倍。在冲击力作用下，路基土饱和前后压缩性指标变幅和弯沉值有效减小，回弹模量增大，使路基整体强度、弯沉变形和承载能力得到改善。

3 工程实践

3.1 工程概况

某高速公路设计路线地处丘陵地带，沟壑纵横，地形起伏较大，路基挖方300万m3，填方264万m3，路基换填和路堤填筑总高度大于5m。施工前选择K0+600～K0+900段作为冲击碾压试验段，以探寻最优的施工参数指标。该试验段为高填方路段，最大填土高度达到9.5m，平均填土高度6.8m。

3.2 施工工艺

试验采用25KJ冲击压路机，以来回错轮方式，轮迹间不重叠，行驶速度10-12km/h，以道路中线为对称轴，从路基一侧向另外一侧冲击碾压，当路基土含水率不足时，可以适当洒水以保证压实效果。冲击碾压施工工艺流程如图1所示。

图1 冲击碾压施工工序

3.3 试验段压实效果分析

为研究冲击碾压技术在试验段的压实效果，通过预埋检测点，测定高填方路基的沉降量、压实度和含水率。

（1）沉降量

基于上述施工工序，分别设置松铺厚度为60、80、100cm，检测压实0-30遍后高填方路基沉降量，结果如图2所示。

图2 高填方路基沉降量检测结果

由上图分析可知：

随着压实遍数的增大，沉降量也逐渐增大，当松铺厚度分别为60、80、100cm时，沉降量的最终值较初始值分别增加了1.16、1.14和1.12倍。随着碾压遍数的增加，土体内部的水分和空气被排出，密实度不断提升，沉降量逐渐增大。由于松铺厚度的增加致使高填方路基填料中可压缩水分和气体大幅增加，因而在相同压实遍数的情况下，当松铺厚度越大时，土体沉降量也越大。碾压前20遍时沉降量增幅明显，后10遍时增幅减小。碾压30遍较碾压20遍沉降量平均仅增加0.96cm，而碾压20遍较碾压5遍沉降量平均仅增加7.72cm。前期沉降量大幅度增加主要是由于松铺填料本身土颗粒间的空隙率较大，经冲击作用后挤压密实，后期随着压实遍数的增加，土颗粒间可压缩空间大幅减少，因而沉降量增幅逐渐变缓。

（2）压实度

当松铺厚度为80cm时，检测碾压5-30遍后的高填方路基压实度，其结果如图3所示。

图3 高填方路基压实度检测结果

由上图分析可知：

压实度随着碾压遍数的增加而增大，土体碾压30遍的压实度平均值比碾压5遍增加了11.3%。随着碾压遍数的增加，土体中毛细水上升，空气被压缩，土体趋于密实状态。压实度随深度的增加呈现先增大后减小的趋势，当深度为40cm时的压实度比深度为20cm平均高出0.33%，比深度为60cm平均高出0.65%。冲击作用由上到下逐渐减小，所以上部土层受冲击力作用明显，而超过一定深度后，由于冲击作用减弱，下层土体主要依靠上部土体的重力作用而达到密实状态，所以压实效果不如上层土体。针对此高填方路基试验段，采用冲击碾压技术可以大幅度加深路基碾压深度。当碾压30遍时，60cm的压实度较40cm仅减少了0.3%，压实度仍高达95.8%。冲击压路机采用低频高幅，产生冲击能量大，传播深度远。

（3）含水率

基于前面布置的测点，现对试验段不同碾压遍数后不同深度处含水率进行检测，结果如图4所示。

图4 高填方路基含水率检测结果

由上图分析可知，深度在0-20cm处的表层土含水率变化不明显，中下部土体含水率增幅明显，尤其在冲击碾压30遍时含水率高达27.3%，远远高出最佳含水率。这是由于此试验段土体毛细水现象明显，随着冲击碾压遍数的增加，毛细水逐渐上升，含水率增加，故施工中要注意把控碾压时间间隔。

4 结语

本文详述了冲击碾压技术在高填方路基中的应用，并以沉降量、压实度和含水率为指标评价冲击碾压技术的应用效果，研究表明：

（1）该冲击碾压技术适用于高填方路基的压实，压实深度深，压实效果优于传统压路机。

（2）经多次碾压后，压实度、沉降量变化不显著，趋于稳定，路基承载能力大大提升。

（3）采用冲击碾压技术会带来各层土体含水率增加，故实际施工中应注重把控碾压时间间隔。