冲击压实机械在路基压实中的应用

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1、 冲击压实机械及其在路基工程中的应用研究（一）文章来源： 发布日期：2003-9-18 摘要本文分析了冲击压实机的压实机械及土工原理，通过在凤嵋路工程中的研究应用，阐明了这种技术在路基补强中的作用。关键词：冲击压实机械；路基工程；应用研究 1 概论冲击压实机械是一种新式路基压实机械，1997 年 5 月首次在北京八达岭高速公路补强中应用，1997 年 7 月至 1998 年年底先后在宣大 高速公路、福泉厦高速公路、京秦高速公路、湖南湘涞高速公路等高等级公路上使用，取得了较好的工程效果。同时，国内的科研及工程 机械单位也开始研制生产，并将产品投放市场，对公路路基压实质量的提高产生了很强的推动作用

2、。为了有效提高公路路基压实度，甘肃 省交通厅工程处在凤嵋首次采用这种机械进行路基补强，并完成了 48km 的一级公路补强工作，结合施工进行试验研究。2 机械构成及压实作用原理2.1 冲击压实机的主要机械构造组成冲击式压实机主要由“拖架、摇臂、三叶凸形轮”三部分组成，在这三部份之间的相互联结中间设置了多级缓冲结构，牵引轴处采用 缓冲弹簧，摇臂限位处采用缓冲橡胶块，另一端采用缓冲油缸和贮能器，冲击轮与拖架之间采用橡胶套连结，摇臂轴处设举升后，冲击轮 由拖架上的四个橡胶轮支撑，作为短途转场及跨越桥涵构筑物之用。现国内所使用的冲击压实机多以“三叶形”为主，由轮式及履带式的大马力牵引车拖动，行驶速度 9

3、15km/hr。由于冲击的能量及运 行的动力均来自于牵引机械的动力输出，故牵引功率较大，在 240480 马力范围内。2.2 冲击压实原理冲击压实机三叶形凸轮在滚动过程中，距离轮轴中心最远点（R）着地时使得冲压轮整体重心举升（h）产生势能，加之牵引机械轮按 一定速度转动具有了瞬时动能，转化为距轮心最近处（r）着地时的动能冲击地面，达到压实路基的作用。冲击压实机的冲击能量 W 应为：w12mv2（V-冲压轮着地速度）。对于一般路基的非饱和土，冲压轮着地时由于动能释放，在冲压轮 下的局部面积（约 0.60m0.80m）产生瞬时的冲击动荷载，向下传递快速挤密深层土颗粒；同时冲击能量以震动波的形式在弹

4、性半空间中 传播，使土颗粒相互靠拢，排出孔隙中的气体与水，土颗粒重新排列而挤密压实。由此可见，冲击压实机的压实原理可归类为轻型强夯（20-50KJ），这种夯法结合了压路机连续工作的特点，即把强夯用夯锤一点一 点上下夯击方式变连续滚动式的夯击，故有方便简单的特点及较高的工作效率。冲击式压实机的压实功能以其静能量来标定： E=mgh（KJ） 式中：E为能量（KJ）； m为冲压轮及轮轴等动力部件质量（kg）； h=R-r（m）； g 为重力常数（9.81m/s2）； 凤嵋工程上采用了 20KJ（三边形）、25KJ（三边形）等 2 种压实机。表 1 2 种机械的参数型号YCT20YCT25 自重12T

5、15.6T 标定能 量20KJ25KJ工作速 度9-12km/hr10-15km/hr冲击轮 宽度2800（mm）2900（mm）外形尺 寸370027501790406429602170压实厚 度400-1000mm400-1200mm压实产 量1500m3/hr20000m2/hr牵引机 功率160KW（218 马力）176KW（240 马力）3 冲击压实机的压实功效及经济性能 冲击压实机由于较大地增加了压实功，如 25KJ 三叶形冲击压实机的压实功是振动压路机的 10 倍，所以压实影响深度及有效压实度都有 成倍增加。据其它方面资料介绍，压实影响深度是 5m，有效压实厚度 1.00-1.5

6、0m,可广泛应用于土石路基的填筑及补强，尤适合于补强 (详见下表 2)。 表 2 冲击压实机与强夯、普通压路机的路基适用性、经济指标的对比冲击压实机强夯普通压路机压实 原理冲击轮滚动产生的动势能转换成冲 击路基的动能，压实路基、冲压能 量为 20-50KJ。压实原理与强夯 相同。有效压实深度 1-1.50m。用具有较大势能的重锤(1000- 8000KJ)下落转变成动能，对 地基产生动荷载及震动波，挤 密压实土体。有效加固深度 4-15m。静力压路机为轮下的静压力对路基产 生压应力压实土体，有效压实厚度为 0.2-0.25m。振动压路机为振动压 力波向深层传递，压实路基,有效压 实深度 0.3

7、-0.5m。压实 工效工作速度 9-15km/hr。每小时可 压实面积为：20000m2/hr。按有 效压实厚度 1.00-1.50m,压实 20 遍 计,压实工效为:1000-1500m3/hr。每小时的夯实面积为:15- 25m2/hr。按轻型强夯加固 深度 4m 计，压实工效为:60- 100m3/hr。工作速度 3-6km/hr。按压实厚度 0.4m,压实遍数 5 遍计，压实工效为: 240-360m3/hr。对路 基的 适用 性适用于路基补强及土方填筑（需普 通压路机预压），压实厚度对路基 比较合理，施工速度快。最大压 实度可超过 95%，可形成一层密实 硬壳。仅能适合于路基的原始基

8、础处 理及有比较宽工作面的路基处 理，施工速度很慢,加固厚度 在多数情况有浪费,压实度可 超过 95%。适合于各种情况下的路基填筑压实， 但须严格按平行作业法分层碾压。 最大压实度可达 95%。经济 指标施工单价 6 元/m2。每套机械单价 80-100 万元。机械构造简单，维 修方便。施工单价 9 元/m2。每套机 械单价约 20-40 万元。起吊夯 锤的起重量设备利用率较低。施工单价约 3 元/m2。每台机械单 价约 30-50 万元。机械可靠性较好， 维修较复杂。通过表 2 的对比分析可看出:冲击压实机是一种比较适合于路基的高效压实机械，综合技术经济指标在高等级公路上优于普通压路 机。4

9、 在凤嵋路路基补强工程中的研究应用情况为了有效提高路基压实度,确保凤嵋路的路基质量，从 1999 年 8 月 28 日至于 12 月 2 日，结合施工选择了 4 个试验段，对冲击压实 的规律进行了一系列的试验研究，限于篇幅本文只以 C1 试验段结果为例予以介绍。4.1 试验段的选择及机械选型4.1.1 根据补强施工路段的实际情况、试验任务要求并结合现场各路段施工进展情况，将各试验段选择在无埋设涵洞等构造物的地 段。试验段两端留有足够的转弯减速与加速长度。各试验段长度 100-200m，全幅宽度 25.5m，检测段长度 50-100m，宽度 15-25m(见表 3)。 表 3 断面选择试验段 编

10、号里程桩号断面型式检测断面位置填挖高度(m)A3K1772+360-460已成型高填路堤全断面2.5-2.8A1K1772+970-K1773+070半成型高填路堤全断面2.0C1K1771+520-620挖方路基南侧扩建路基1.0C2K1767+656-766填方路基北侧老路基1.5南侧新路基1.84.1.2 碾压参数和检测次数冲击压实施工机械采用铁道部第二十工程局机械厂制造的 YCT-20 型冲击压路机，自重 12t。两个冲碾轮为三瓣式凹凸轮，冲击能 量 20KJ。经试验,轮胎式牵引对冲击能量的抵耗过大,本次试验采用的牵引设备为 375KW 履带式坦克牵引车，碾压机械行驶速度为 10- 1

11、2km/hr。冲碾机械行驶一圈后，根据实测轮迹分析，每个轮瓣产生的轮迹(夯坑)长 a=0.7m 左右，宽度 b=0.8m，双轮外缘总宽 2.70m。辗轮 每转动一圈前进 6.30m 左右，产生 3 个 ab=7080cm 矩形轮迹(夯坑)，碾压第一遍时,前后轮迹中心点纵向排距 S1=3，a=2.10m，平 行轮迹中心点横向行距 S2=2.375，b=1.90m。第二圈右轮迹插入第一圈双轮迹之间时，则形成横向排距 S1=0.95，a=0.76m，纵行距 S2=1.25，b=0.875m 的梅花状轮迹。以此计算 25.5m 宽度路段冲碾机械理论上行驶约 6.7 圈为全断面碾压一遍。实际检测与观测试

12、验以 冲碾机行驶 8 圈为一遍，在冲击碾压前原始状态下先检测一次，每 8 遍 64 圈为一组进行一次检测与观测，每个试验段共碾压 40 遍，检 测 6 次。采用多种综合手段进行试验检测,每遍检测内容为：压沉量观测钻孔取样、动力触探、标准贯入、面波、核子密度仪检测、路 基回弹模量与弯沉试验。4.2C1 试验段检测结果述评C1 试验段为挖方路堑段，该地段北半幅为原有公路，南半幅拓宽段在原农田处下挖 1.0m 左右。已成型路基土为全新统冲积黄土状 粉质粘土,含水量在 1.0m 以上变化为 11.9-14.9%,1.0m 以下为 15.3-17.4%;平均稠度为 1.31,属干燥路基,具湿陷性。为保证

13、车流畅通, 冲击碾压后检测段布置于南半幅挖方地段,检测段长 100m,宽 15.0m,在检测区共布设纵向测线 4 条,压沉量观测点 44 个。4.2.1 补强碾压前路基土的物理力学性质指标将场区内 6 个钻孔中不同深度所采取的原状样进行室内土工试验,其结果经统计整理见表 4。表 4 补强碾压前路基土的物理力学性质指标(n=6)深度H(m)含水 量w （% ）容重( (KN/ m3干容 重(d (KN/ m3饱和 度sr (%)孔隙 率n( %)孔隙 比e0压缩 系 数a1 -2压缩 模 量Es平均 稠 度0-0.311.921.719.483.428.10.4180.0526.51.550.3

14、-0.613.218.916.766.835.50.6320.0917.41.430.6-0.914.917.915.653.145.30.8300.219.41.450.9-1.217.418.215.557.942.10.7290.1610.91.131.2-1.515.517.415.159.043.00.7580.218.71.091.5-1.815.317.615.358.442.90.7560.199.31.214.2.2 不同碾压遍数的压实度随深度变化规律 碾压前(0 遍)和碾压 8、16、24、40 遍时各检测点平均干容重及压实度随深度及碾压遍数变化统计结果见表 5。 表 5

15、干容重及压实度与碾压遍数统计结果指标/深 度压实度 K/干容重(d (KN/m3)0 遍8 遍16 遍24 遍40 遍0.0-0.30.87/19.41/20.81/22.71/23.31/23.3(d 增长率7.217.020.120.10.3-0.60.90/16.70.94/17.40.98/18.10.99/18.40.99/18.4(d 增长率4.448.3810.1810.180.6-0.90.84/15.60.90/16.70.92/17.00.96/17.80.94/17.4(d 增长率7.108.9714.111.540.9-1.20.84/15.50.83/15.40.84

16、/15.50.84/15.50.84/15.51.2-1.50.82/15.10.81/15.00.82/15.20.82/15.20.82/15.21.5-1.80.83/15.30.85/15.70.83/15.30.85/15.70.84/15.6检测结果表明：(1)冲碾前采用普通碾压方法施工后，成型路基压实度较低，0-0.6m 以上 K=0.85-0.90,不能满足规范要求的压实度标准。0.60m 以 下均小于 0.84。(2)冲碾后在 0.9m 深度内，压实度随碾压遍数增加而增大，深度愈浅，压实度增长幅度愈大。0.9m 深度下，压实度随碾压遍数增 加没有明显增长。碾压 24 遍以后，0.9m 以上深度路基压实度达到 0.95 以上的质量标准。说明该试验段冲击碾压有效加固深度 0.90m， 碾压影响深度 1.05m。(3)碾压 24 遍后,有效加固深度范围内压实度没有明显增长,说明冲击碾压补强施