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冲击压实路基有效压实深度试验研究
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，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（J•Boussinesq）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бh为：
бh = （1）
令K= 代入（1）式
则бh=K （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）式得
бh=0.4775 （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бh2，使用冲击压实机时对应路基应力为бh1，当бh1=бh2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
бh2=0.4775 （4）
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
бh1=0.4775 （5）
式中：P1-冲击压实机的最大激振力
h1-¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬有效压实深度
根据бh1=бh2，得：
（6）
则
（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：
бh1=K
YZ20压路机在深度h2处应力为：
бh2=K
由于使用YZ20施工时层厚为30cm，也即此时30 cm深处应力бh2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бh1≥бh2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
压路机
型号 最大激振
力（KN） h1：h2 有效压实深度(cm)
土质路基 石质路基
YZ12 240 3.23 97 162
YZ16 320 2.80 84 140
YZ20 400 2.5 75 125
YZ25 500 2.24 67 112

由于石质路基填料层厚大于土质路基层厚，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+350~K148+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，检测坑深度统一为15cm，即：50cm深处压实度检测的实际是50±7.5cm这一层的压实度，100cm深处压实度检测的实际是100cm±7.5cm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
深度h(cm) 检测
点号 冲击压实遍数
0遍 10遍 20遍 30遍
10 1 95.50 99.50 97.50 96.50
2 96.00 95.00 95.50 97.10
3 96.50 97.00 96.30 96.50
4 97.50 - 96.80 96.10
5 94.60 93.60 97.50 97.50
6 98.50 - 96.00 97.50
平均 96.40 96.30 96.60 96.87
50 7 96.10 96.50 - 98.40
8 - 98.00 98.00 99.00
9 98.00 99.00 99.50 100.10
10 97.50 95.50 99.00 99.50
11 97.00 99.50 100.00 97.50
12 95.50 - 99.00 100.70
平均 96.80 97.70 99.10 99.20

100





100 13 96.00 100.00 97.50 98.50
14 96.50 - 95.00 95.50
15 98.00 95.50 97.50 96.00
16 97.00 97.50 97.20 96.90
17 96.50 97.20 - 96.70
18 95.50 94.10 95.00 95.80
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：

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100cm±7.5cm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（J•Boussinesq）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=
3、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

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