談公路施工壓實機械碾壓效果

摘要:本文是作者近幾年在工程施工實踐中針對不同壓實機械的壓實效果、不同壓實機械組合的壓實效果以及對不同壓實材料和結構層的影響進行了一些有益的探索。

關鍵詞:公路施工；壓實機械；碾壓效果

1 壓實機理

壓實是通過施加外力使被壓實材料內的孔隙率逐漸減小，單位體積內固體顆粒數量逐漸增加，密實度不斷提高的過程。用壓實機械對路基或路面結構層材料進行壓實時，在壓實機械的短時荷載或振動荷載作用下，被壓實材料的單個固體顆粒發生位移，重新進行排列、相互靠近和小顆粒進入大顆粒的孔隙中;如果是含有粘粒的細粒土，不但有上述情形，還有粘粒形成的土團或土塊重新排列、相互靠近，甚至土團或土塊內的顆粒進行重新排列、相互靠近的情形，從而使被壓實材料得到壓實。按壓實原理可分為靜壓式、振動式和沖擊式三種類型，在公路工程施工中通常使用前兩種壓實方式。由于它們對被壓實材料施加的力不同，所以壓實過程和壓實效果也不同。

1.1 靜壓壓路機壓實原理

靜壓壓路機對壓實結構層材料進行碾壓時，具有一定質量的壓路機滾輪慢速壓過攤鋪層，用輪載靜壓力對被壓實材料的固體顆粒施加一個重復壓力，克服松散多相材料中固體顆粒間的摩阻力和粘著力，使各個顆粒或土團、土塊不斷發生位移，互相靠近，空氣不斷被擠出，密實度不斷提高。隨著碾壓遍數的增加，顆粒間孔隙逐漸變小，摩擦阻力逐漸增大，顆粒或土團、土塊位移逐漸減小，壓路機碾壓后的殘留變形也逐漸減小。當顆粒間摩擦力和粘著力的增加與壓路機對壓實材料施加的壓力相當時，再用相同的壓路機碾壓已不能使顆粒發生位移增加壓實密度。為了進一步提高壓實度，就需要增加壓路機滾輪的重量，加大靜荷載壓力，打破力的平衡，使顆粒或土團、土塊進一步發生位移、互相靠近，直到空氣從三相體中幾乎全部被擠出，被壓實材料中幾乎只剩余固體顆粒和水，接近于兩相體，壓路機碾壓后的殘留變形為零，壓實度基本達到最大值。因此，施工規程要求施工時碾壓機械先輕型后重型。近幾年來，隨著交通輛的增加、車輛噸位的增大和對壓實要求的提高，通常使用的三輪靜壓壓路機的總重量從過去的8t～12t發展到現在的18t～24t;驅動輪線荷載也從過去的600N/cm發展到現在的1200N/cm甚至更大，以滿足壓實的要求。

1.2 振動壓路機壓實原理

振動壓路機在作業時，由于振動輪的振動使其對被壓實材料作用一個往復沖擊力，振動輪對碾壓層每沖擊一次，被壓實材料中就產生一個沖擊波。同時，這個沖擊波在被壓實材料內沿著縱深方向擴散和傳播。被壓實材料的顆粒在沖擊波的作用下，由初始的靜止狀態變為運動狀態，被壓實材料顆粒之間的摩擦力也由初始的靜摩擦狀態變為動摩擦狀態，摩擦力急劇減小。由于固體顆粒在運動過程中產生慣性力，顆粒質量不同慣性力大小也不等，相鄰顆粒的質量差別越大，顆粒之間的粘結力越弱，較大質量的顆粒首先發生位移，同時又受到自重力和上層材料的壓力作用，不斷發生小顆粒進入大顆粒的孔隙中，顆粒重新排列，互相靠近，都力圖占據最低穩定位置的情況，空氣被擠出，甚至部分離的水分也被排出到碾壓層表面，直到材料被碾壓密實。

2 不同壓實機械的碾壓效果試驗觀測

從不同類型壓實機械的壓實原理可見，靜壓壓路機和振動壓路機對壓實材料分別以不同的方式作用不同的力，所以它們對同一種材料的碾壓效果不同，適宜碾壓的材料也各不相同。在相同條件下，我們分別用三輪靜壓壓路機和三輪振動壓路機對不同材料的結構層進行壓實試驗。

2.1 不同壓實機械的碾壓壓實度

為真實了解不同的壓實機械對各種材料的壓實效果，我們選取了素土填筑、3%灰土填筑及石方填筑等不同的材料作試驗段。另外，在同一試驗段上分左右兩側分別用重型振動三輪動壓路機和重型三輪靜壓壓路機同時進行碾壓，每碾壓一遍后及時檢測壓實度。

2.2 不同壓實機械的碾壓時間

在100m長的試驗路段上，三輪靜壓壓路機和三輪振動壓路機分別在左右兩側同時開始碾壓，通過幾段不同試驗路的觀測，三輪靜壓壓路機碾壓一遍平均需要20min，而三輪振動壓路機碾壓一遍平均僅需要8min。振動壓路機比靜壓壓路機碾壓速度快一倍多。

2.3 兩種壓實機械聯合作業

同時，我們也在實驗路段上進行了靜壓壓路機和振動壓路機的聯合碾壓試驗，試驗證明，兩種壓實機械聯合作業的碾壓效果更好：根據路基的施工技術規范的要求，碾壓時“先輕后重，先慢后快，先邊緣后中間”。這種合適的碾壓方式既有利于提高壓實度，又有利于提高平整度。但是，這種方式不是萬能的，遇到特殊情況，碾壓方式要隨之改變。如碾壓碎石穩定土時，由于土基中含有一定的碎石，采用高頻低輻，緊跟慢壓就比較好。碾壓過后不但密實而且平整，在有超高路段時，則宜先低后高。

3 試驗觀測結果分析

從試驗段檢測結果可以看出，靜壓壓路機和振動壓路機對各種材料和結構層的碾壓都有一定的效果，并隨著碾壓遍數的增加壓實度不斷提高，但是，壓實度達到一定程度后不再提高，甚至隨著碾壓遍數的增加反而可能會降低。對不同的材料，兩種壓實機械壓實效果各不相同，靜壓壓路機能夠適應碾壓各種材料和結構層，尤其是對細粒土和粘性土較振動壓路機碾壓效果更好，能夠達到較高的壓實度。同時由于靜壓壓路機在碾壓過程中是靠輪載靜壓力垂直向下壓實材料，擠出結構層內的空氣和水分的，作用力緩慢柔和，可以起到整平的作用，因此隨著碾壓遍數的增加和密實度的提高，結構層的平整度也不斷提高，振動壓路機比較適合碾壓粗顆粒材料，它的壓實是由于振動壓路機的振動引起材料顆粒的振動而發生位移，材料顆粒越大，因振動引起的慣性力越大，位移也越大，壓實效果越好。

但是，由于振動的激振力較大，一般在180kN～340kN左右，引起顆粒位移大，尤其是材料達到一定的密度后，顆粒因壓路機的振動發生的位移是上下振動，并帶動相鄰顆粒共同振動，隨著振動沖擊波的增強、減弱和消失，結構層表面留下有規律的波浪，并隨著碾壓遍數的增加而不斷增多，影響結構層的平整度和使用性能，使粗顆粒結構層的平整度不斷下降。而且它對細粒土的碾壓效果不好，即使增加碾壓遍數也很難達到較高的壓實度。振動壓路機最大的優點是振動輪寬，碾壓速度快、效率高，可以減少時間，加快工程進度，節約成本。

4 結束語

靜壓壓路機適宜碾壓各種材料和結構，并能達到足夠高的壓實度和平整度，但是它速度慢、效率低;振動壓路機適合碾壓粗顆粒材料，而且速度快、效率高，但是它碾壓后的平整度差，對細粒土碾壓困難。綜合兩種壓路機的優缺點組合使用，可以達到事半功倍的效果。對細粒土結構層以靜壓壓路機碾壓為主，初壓階段可以用振動壓路機配合碾壓，提高碾壓效率，后期靠靜壓壓路機進一步提高壓實度。對粗顆粒結構層以振動壓路機碾壓為主碾壓中后期要以靜壓壓路機配合碾壓，提高結構層的平整度。這樣針對不同性質的碾壓材料，采用以不同壓實機械為主的機械組合，既可以提高工作效率，又能保證施工的壓實質量，減少返工，避免工程質量事故。