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1、冲击压实路基有效压实深度试验研究杨美群 游思权(江西公路开发总公司 江西 南昌 330006)摘要：结合对冲击压实有效深度的影响因素进行了分析，通过路基压实力学原理，建立了有效 压实深度与各因素的函数关系，并通过试验分析和验证了函数关系的准确性，求出了高速公路冲击压实时常见情况下的有效压实深度值。为以后高速公路类 似作业提供了参考。关键词：道路工程；路基；冲击压实；有效压实深度；试验研究0 前 言冲击碾压机越来越广泛地应用于路基加固，但其对路基加固的有效深度究竟为多少，各文献中说法不一，这一问题的探讨能准确地知道冲击压实施工。1 冲击压实机简介冲击压实机最早由南非研制开发，有三边和五边形两种，
2、其工作原理为其“三边形” （或“五边形” ）在牵引车的拖动行驶滚动中产生集中的冲击能量达到压实土石填料的目的 1。冲击压实机可由配套的重型工业拖车在前方牵引。以三边形压实机为例（本文中除特别指出外，均指三边形压实机） ，其作用原理见图 1：图 1 冲击压实机作用原理图实际工作中，三边形“压实轮”一角立于地面前以 12Km/h 的速度滚动冲击，三边形压实轮最小半径处冲击地面，行进中每秒约冲击地面两次，相当于低频大振幅冲击压实土体。2 有效压实深度的求取2.1 有效深度的概念冲击压实机对路基的有效深度这一问题本身概念模糊，如果对这一概念不能准确理解的话，则会产生不同的结论。在定义有效压实深度这一概
3、念前，首先要了解冲击压实机的用途，冲击压实机有两种用途：一是直接用于路基的施工，即用于冲压实松铺层，但由于冲击压实机自身轮型为凸形，直接用于压实松铺层可操作性差：此时填料松散，在冲击压实机强大的冲击力作用下，会形成很深的坑槽，造成压实机行走速度降低，同时压实机震动会非常剧烈，对机械操作手的健康不利，还易造成伤害；第二个用途是使用冲击压实机对成型路基加固，由于成型路基已达到一定程度的密实，当采用更大冲击力的设备压实，必定会对路基产生加强，但此时对路基二次加强的深度是有限的，这一深度即为有效压实深度。上述两种用途虽不同，但有效压实深度应该是相同的。由于冲击压实在高速公路建设中主要用于第二种情况，故
4、对有效压实深度应理解为：采用冲击压机加固路基时，对多少深度范围内的路基会产生加固效果。2.2 路基在被碾压过程中的受力要求出有效压实深度，首先要分析路基在被碾压过程中的受力。作用于路基的荷载，有路基的自重（即静载）和压路机的激振力（即动载） ，荷载引起路基相当深度处于应力状态。由于在施工过程中动载远大于静载，为计算方便，可以忽略静载的影响，而只考虑动载。压路机在路基内所引起的应力，按鲍斯尼斯（JBoussinesq）公式进行计算 3。图 2 路基被碾压时路基应力图当轮重作为集中荷载（按均匀荷载计算相同）时，路基应力图如图 2 所示：集中荷载 P 在深度为 h，水平距离为 r 处的竖向应力 hP
5、horh 为：h = 25123hrp（1）令 K= 代入（1）式2523hr则 h=K p（2）由于在轮迹中心以下（r=0）时，应力为最大，此时 K= =0.4775 为一常数，代入（2）3式得h=0.4775 2hp（3）2.3 影响有效压实深度的因素根据有效压实深度的概念，假设当使用振动压路机压实路基时，对应路基应力为 h2，使用冲击压实机时对应路基应力为 h1，当 h1=h2 时，冲击压实深度 h1 即为有效压实深度。由此可推断：影响有效压实深度的主要因素有以下几个方面：（1）路基成型前，使用振动压路机的最大激振力；（2）加固路基时，冲击压实机的最大激振力；（3）使用振动压路机时压实层
6、厚；目前高速公路路基施工时，根据交通部规范，土方（包括土石混填）层厚 h2=30cm，石方 h2=50cm，而对振动压路机的选择没有明确规定。2.4 有效压实深度的求取使用振动压路机时，根据（3） ，路基应力为h2=0.4775 （4）2hp式中：P2振动压路机的最大激振力h2使用振动压路机时压实层厚使用冲击压实机时，根据（3）对应路基应力为h1=0.4775 21hp（5）式中：P1-冲击压实机的最大激振力h1-有效压实深度根据 h1=h2，得：21hp（6）则21p（7）假设在路基成型前，采用 YZ20（最大激振力P2=400KN）碾压，层厚为 h2=30cm，碾压达到预定压实度后，使用
7、CYZ25 三边冲击压实机（最大激振力为P1=2500KN）加固，求此时冲击压实的有效影响（加固）深度 h1。根据（3）式，CYZ25 冲击压实机在深度 h1 处应力为：h1=K 2150hYZ20 压路机在深度 h2 处应力为：h2=K 24由于使用 YZ20 施工时层厚为 30cm，也即此时30 cm 深处应力 h2 最小，如果采用 CYZ25 冲击压实机加固（直接冲击压实松铺层时与加固一致）时，只有应力 h1h2 时才会产生加固效果，将P1=2500KN、P2=400KN、h2=30cm 代入（7）得h1 =75cm即冲击压实机对路基有效压实深度为 75cm。当前高速公路路基施工中，交通
8、部规范规定使用振动压路机时土质填料层厚为 30cm，石质填料时为50cm，高速公路路基施工中常用振动压路机有YZ12、YZ16、YZ20、YZ25 等型号，冲击压实机使用最多的是 CYZ25。按上述计算方法，现计算各种情况下采用 CYZ25 冲击压实机加固路基时的有效压实深度，见表 2-1：表 1 CYZ25 冲击机有效压实深度一览表有效压实深度(cm)压路机型号最大激振力（KN） h1：h2 土质路基 石质路基YZ12 240 3.23 97 162YZ16 320 2.80 84 140YZ20 400 2.5 75 125YZ25 500 2.24 67 112由于石质路基填料层厚大于土
9、质路基层厚，所以对石质路基冲击压实时有效压实深度要大于土质路基，即对石质路基更应该采取冲击压实加固。3 有效压实深度的验证为验证（7）式，我们组织了试验进行分析，试验路段选在景鹰高速 K148+350K148+490 段，先采用振动压路机 YZ20（最大激振力为 400KN）碾压，层厚没有根据交通部规范采用 30cm，改为 35cm，路基成型后，使用 CYZ25 三边冲击压实机（最大激振力为2500KN）冲击压实。每对路基冲击压实 10 遍，分别对深度 10 cm 、50 cm、 100cm 的压实度采用灌砂法进行检测，路段左右半幅各检测 3 处，即每层每次检测 6 个点。灌砂法检测时，检测坑
10、深度统一为 15cm，即：50cm 深处压实度检测的实际是 507.5cm 这一层的压实度，100cm 深处压实度检测的实际是 100cm7.5cm 这一层的压实度。50 cm、 100cm 深处压实度每次现场开挖后再进行检测。为保证压实度不受前几次开挖回填的影响，每次检测点保证了 2m 净距，每次检测开挖的坑，使用原开挖的材料分层回填，并用小型夯实机夯实。 整个试验过程中共检测 72 点压实度，压实度检测数据见表 2：表 2 压实度检测对比一览表冲击压实遍数深度h(cm)检测点号 0 遍 10 遍 20 遍 30 遍1 95.50 99.50 97.50 96.502 96.00 95.00
11、 95.50 97.103 96.50 97.00 96.30 96.504 97.50 - 96.80 96.105 94.60 93.60 97.50 97.506 98.50 - 96.00 97.5010平均 96.40 96.30 96.60 96.877 96.10 96.50 - 98.408 - 98.00 98.00 99.009 98.00 99.00 99.50 100.1010 97.50 95.50 99.00 99.5011 97.00 99.50 100.00 97.5012 95.50 - 99.00 100.7050平均 96.80 97.70 99.10 9
12、9.2013 96.00 100.00 97.50 98.5014 96.50 - 95.00 95.5015 98.00 95.50 97.50 96.0016 97.00 97.50 97.20 96.9017 96.50 97.20 - 96.7018 95.50 94.10 95.00 95.80100100 平均 96.58 96.86 96.44 96.57注：标准击实密度为 2.020g/cm3分别作 10cm、50cm、100cm 深度冲击遍数 n压实度K 的曲线，见图 3：94.5095.095.5096.096.5097.097.5098.098.509.09.5010.0
13、0遍 10遍 20遍 30遍 遍 数压 实 度深 度 10cm深 度 50cm深 度 10cm对 数 (深度 50cm)图 3 冲击遍数 n压实度 K 曲线图从图 3 可看出：冲击压实对表面层 10cm 深位置的加固作用不明显，对 50cm 深位置作用最明显，对 100cm 深位置的作用最不明显。对表面层 10cm 深位置的加固作用不明显，分析其原因：主要是冲击压路机冲击力大，对表面存在破坏作用，影响表层结构，压实度值提高不明显，特别是 20 遍前， 10cm 深位置压实度值反而下降；而 100cm 深位置虽有一定的变化，总体趋势稍有上升，但这种上升我们更多地应理解为试验误差造成。本次试验证明
14、 100cm 深度范围压实度得到明显提高，由于 100cm 深度处的压实度反应的是100cm7.5cm 这一层的压实度，实际是在 92.5cm 深度范围内能有效提高压实度，而根据（7）式计算此时理论有效压实深度为 87.5cm，两者非常相符，说明使用（7）式计算有效压实深度合理。另外，黑龙江高速公路建设管理局为找到冲击压实机碾压松铺层的施工方法，在黑北公路进行过两组对比试验：一组采用 CYZ25 冲击压实 90cm 厚松铺层；另一组采用 YZ20 振动压路机（最大激振力为 400KN） ，按层厚为 30cm 进行压实，共分三层。发现无论冲击压实多少遍，前者的累计沉降要小于后者三层的累计沉降，同
15、时检测前者深度 70cm-90cm 层压实度达不到要求 2，而深度 50cm-70cm 范围内压实度均能达到要求。根据对比试验中相应数据，查表 1，此时理论有效压实深度为 75cm，与对比试验数据 70cm 十分相符。以上试验和分析证明建立的函数关系（7）式可用于计算有效压实深度值。4 小结与建议1、冲击压实机对路基加固时有效压实深度可使用鲍斯尼斯（JBoussinesq）公式进行计算，且有效压实深度 h1 取决于以下几个方面：（1）铺层压实时，使用振动压路机的最大激振力P2；（2）冲击压实机的最大激振力 P1；（3）使用振动压路机时压实层厚 h2；2、有效压实深度的函数关系如下：h1= 21ph3、当振动压路机激振力越大，则冲击压实有效压实深度越小；反之，振动压路机激振力越小，则冲击压实有效压实深度越大。参考文献:1吴家祥，苏传福，冲击压实技术在路基工程中的应用研究J.安徽地质，2002，12（4） ，323-326。2张艳，李建明，刘海峰，冲击压压实机路基压实技术研究J.黑龙江交通科技，2001（6） ，16-17、21。3 方左英，路基工程M.北京：人民交通出版社，1995
