沖擊碾壓技術影響因素分析

楊子敬

1 概述

沖擊碾壓作為一種高效率、高壓實能量的壓實機械,20世紀80年代在國外投入生產使用以來,得到了廣泛的應用[1]。這種方法是通過沖擊輪在位能落差與行駛動能相結合下對工作面進行靜壓、搓揉、沖擊,使工作面不斷加固的方法,其基本原理是利用動能轉化為沖擊能來壓實土體,其特征是將巨大的動能在很短時間內轉化為沖量,進而形成瞬時作用的巨大沖擊力,在土體中產生很大的剪切應力和法向應力,從而有效地克服土體的內聚力,壓縮土體并排除土體中的空氣和水分,達到壓實土體的最終目的。我國的沖擊碾壓技術 1995年由南非引入,由于應用時間較短,很多施工工藝參數、檢測方法以及質量控制標準存在缺陷,設計規范還不健全[2]。所以有必要對沖擊碾壓技術的作用原理和影響因素進行總結分析,為今后該技術的推廣完善提供參考。

2 沖擊碾壓技術作用機理

沖擊壓路機是將當前振動壓實高頻率、低振幅改為高振幅、低頻率。沖擊壓路機是用三邊形、四邊形、五邊形“輪子”來產生集中的沖擊能量達到壓實土石填料的目的。沖擊壓路機可由配套的牽引機在前方牽引。

沖擊壓路機的基本原理是利用動能轉化為沖擊能來壓實土體,其特征是將巨大的動能在很短時間內轉化為沖量,進而形成瞬時作用的巨大沖擊力,在土體中產生很大的剪切應力和法向應力,從而有效地克服土體的內聚力,壓縮土體并排除土體中的空氣和水分,達到壓實土體的最終目的。同時在用有限元法研究沖擊碾輪與土體相互作用的關系時,由于土體是非彈塑性材料,遠不是理想彈性;當沖擊碾輪在土體上滾動和沖擊時,土體的變形較大,所以沖擊碾輪與土體的相互作用不是線性關系,而是幾何非線性和材料非線性關系;壓實效果與打擊能量有關,當打擊能量大時,被壓材料的應力也大,因而壓實效果較好。沖擊壓路機以其靜能量來標定,能量以千焦耳計算;總的來說,沖擊壓路機工作時所具有的能量由三部分組成:

其中,N1為靜態能量,其大小為壓實輪轉動過程中質心升高所具有的勢能;與多邊形壓實輪的質量 m、外切圓半徑 R、內接圓半徑 r有關:

其中,N1為能量,kJ;m為動力部件的質量,kg;g為重力常數(9.81m/s);h為輪子外半徑與內半徑的差值,h=R-r。

N2為壓實輪平動所具有的動能;與壓路機行進速度v有關:

N3為壓實輪轉動慣性所具有的能量;與壓實輪轉動慣量I和旋轉角速度ω有關:

3 沖擊碾壓的影響因素

沖擊碾壓技術的影響因素主要包括:土的含水率、碾壓速度、碾壓遍數、碾壓方式等。

3.1 土體的含水率

土體含水率對沖擊效果的影響是非常顯著的[5-7],這在我國多條高速公路中都得到了證明,劉若琪等人研究黃土含水率對沖擊碾壓效果的影響時,曾證明在含水率上下 4%的范圍內能達到良好的碾壓效果,超過這個范圍沖壓效果不明顯。而且隨著擊實功的增加,最佳含水率降低,所以沖擊碾壓的最佳含水率比重型擊實法實驗結果要低。但是目前對于采用沖擊碾壓技術時土的最佳含水率如何確定尚未形成共識,也未見這方面的報道。綜合分析眾多的沖壓工程實例,一般認為沖擊碾壓含水率可低于重型擊實的最佳含水率 4個百分點和高于最佳含水率 2個百分點。

從已有的工程實例來看,對于不同的土質含水率的要求范圍有所不同,高液限土塑性指數(一般在 25～45之間)較大,從半固態到流態之間的可塑性范圍大,放寬 5個～6個百分點甚至更多是可行的,這已經在南部省份的沖擊碾壓工程施工中得到證實。對于西部地區某些低液限土(液限小于 30),塑性指數較小(一般為 10左右),可塑范圍窄,對于水很敏感,若偏離最佳含水率 3個百分點以上則沖壓效果較差。因此,從適用性來說,采用稠度指標也許可以更好地說明土的適宜含水率范圍,而我國目前的規范是以含水率為控制指標[8,9],而且沖擊碾壓技術應用歷史比較短,所以還是用含水率來表示對沖擊碾壓效果的影響。

3.2 碾壓速度

一般來講,碾壓速度在一定范圍內與碾壓效果成反比關系,碾壓速度過快,壓實效果變差。這是因為在碾壓過程中,碾輪速度過快的話,有些土體在碾輪作用下產生的變形還沒有來得及轉變為完全的塑性變形時應力一旦去除,這部分變形就可能恢復,使壓實效果變差。但若碾壓速度過慢,勢必導致整個壓實工作效率很低。實踐證明:沖擊式壓路機較為適合的碾壓沖擊速度在10km/h～ 15km/h。

3.3 碾壓遍數

在壓實施工中,疏松的土體隨著碾壓遍數的增加,壓實度會隨之增加,但當壓實度達到某值時,碾壓遍數再增加,土體的壓實度變化很小或不再變化,說明這種噸位、這種作用方式的壓路機對該土體的壓實效果已達到極限水平。想通過增加碾壓遍數來提高壓實度已是徒勞無益的了。過多的碾壓遍數只能降低整個壓實作用的生產率,此種情況只能更換大噸位的壓路機或其他作用方式的壓路機來進一步提高壓實度,所以考慮壓實的綜合效果時,碾壓遍數應有一最佳值。碾壓遍數過少,土體的壓實度會太低;碾壓遍數過多,雖然壓實度較好,但整個壓實生產率降低,也是不合適的。在施工中應根據具體情況,認真考慮,沖擊壓路機沖碾 20遍后,均能獲得較為理想的壓實效果,在實際生產中采用較多的沖擊數量為20遍,結果是令人滿意的。

3.4 碾壓方式

碾壓方式主要指碾壓工序的編排,它對壓實效果有較明顯的影響,目前我們采用的是“前輕后重,先慢后快,由弱振到強振”的原則。對于沖擊碾壓施工中,一般先用普通壓路機快速碾壓 1遍～2遍初步定型后,即可進行沖擊碾壓作業,沖碾完畢后用推土機等對起伏的沖擊表面進行平整,再用普通壓路機碾壓封面。

4 結語

沖擊碾壓技術以其壓實深度深、高效壓實作業和適應各類土質等許多顯著特點,在公路路基壓實施工中得到廣泛的應用。從本文所總結的各個方面可以看出,沖擊碾壓作用效果與土體含水率、碾壓速度、碾壓遍數、碾壓方式等因素有關,為達到最佳的壓實質量,應綜合考慮各方面因素的影響。因此,要針對不同的工程狀況采用不同的施工工藝,才能達到有效的壓實效果。

[1] 張 洪,李志潭.沖擊壓路機的動力性能試驗[J].工程機械,2002(33):31-33.

[2] 范智杰,劉 玲,孫昭元,等.高等級公路路基壓實的質量控制[J].水運工程,2001(11):39-42,55.

[3] 程衛東.淺談路基施工中壓實度的影響因素[J].內蒙古公路與運輸,2001(S1):63-66.

[4] 溫遠輝.路基壓實效果的分析與探討[J].黑龍江交通科技,2006(4):30-32.

[5] 鄧學鈞,張登良.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2000:59-61.

[6] 洪毓康.土質學與土力學[M].北京:人民交通出版社,2000:235-243.

[7] 盧廷浩.土力學[M].南京:河海大學出版社,2003:19-26.

[8] JTG F10-2006,公路路基施工技術規范[S].

[9] JTG D30-2004,公路路基設計規范[S].