共振夯實機作用機理的研究及效果分析

蘇立超

引言

目前，國內處理特殊路基時采用的沖擊壓實和強力夯實兩種方法雖有一定的優點，但也存在著難以回避的缺點。沖擊壓實以非圓形輪對土石材料進行靜壓、搓揉、沖擊的周期性連續作業，產生強烈的沖擊波，具有地震波的傳播特性，較傳統壓路機效果明顯。但沖擊壓實設備龐大，對作業面積要求較高，部分橋頭處理、狹窄路段無法使用，且夯能較小，作用面受力不均勻，加固深度及加固效果不明顯，加固遍數較多，影響施工效率，并且易引起表層推移。強力夯實法在中國已廣泛應用，但其缺點是：施工噪音大，單位面積夯擊能量小；夯擊時僅是動力壓密，存在有效區和影響區的差別，深層以下達不到壓密的效果，加固深度受到限制。對于有深層軟弱下臥層的地基，強力夯實只有增大吊車起重能力和增大吊錘重量，才可奏效，但會產生強大的地震波，影響附近構筑物的安全。同時，在瞬間擊壓下彈性土體會在卸載后恢復部分形變，釋放夯實功，夯實效果也不盡人意。此外，強力夯實的成本偏高，僅適用于特殊路基的處理，而路基承載力不足和沉降問題卻不僅僅出現在特殊路基上。

為解決上述困擾公路建設行業的重大難題，筆者所在單位結合路基土體自身特性，研發了一種新型的路基處理專用設備——共振夯實機。

共振夯實機與傳統的振動壓實、沖擊壓實和強力夯實不同，基于土體流變性，利用彈性土體的受力特性，采用高頻率、微振幅夯頭作用于彈性土體，使受夯土體在共振作用下實現快速、低噪、高密實顆粒重組，在夯實過程中有效減少了土基在強夯、強振等作用下產生劈裂所引發的應力釋放，能夠有效提高土體彈性模量，加速路基沉降穩定，有效控制彎沉，為解決基層疲勞破壞問題、建設長壽命路面或薄層路面、實現“強基薄面”提供了有力的支持。

1 共振夯實原理

共振夯實是利用工作裝置產生的高頻率、微振幅夯擊能連續垂直擊壓于作用土體，使土體在外力干擾下形成原位共振（相當于施加150t·m^-2的均布壓力），夯擊壓應力遠遠大于現行設計規范中采用的輪胎接地壓強，且在高頻擊壓過程中，夯頭始終不離開作用土體，從而實現原狀土或后填土的顆粒重組擠密，進而加倍提高路基承載力，減小路基工后沉降，有效控制彎沉，避免因路基承載功能降低、沉降變形過大使層底產生較大的拉應力而造成的結構破壞、路面開裂等病害。與傳統的強力夯實機夯錘設計不同，共振夯實機的底板經過特殊設計，限制了作用力向周圍的擴散（圖1），其擴散角小于強夯錘的擴散角（圖2），因此，作業時對構筑物不產生損壞，使其應用范圍得到了擴大。

本文以大型共振夯實機（圖3）為例，采用面波法和平板載荷試驗對共振夯實前后的路基進行檢測，將其作用效果與沖擊壓實和強力夯實作對比分析。

2 大型共振夯實機參數

大型共振夯實機采用白行式設計，配備動力系統、夯實作業系統、操作控制系統等。其中，主體結構包括機架、限位在機架上的激振裝置、受激共振體波源和定向波導裝置。激振裝置結構中包括動力源和垂直往復式運動的受迫夯錘。夯實頻率可結合實際地質情況進行調整，單個擊點連續擊壓80次以上，持續時間約lOs，施工快速。具體設計參數如表1所示。

3 與沖擊壓實、強力夯實的試驗數據對比

（1）強夯法是利用大型履帶式起重機將8-40t的重錘從6-40m高度自由落下，對路基進行強力夯實，其原理是在瞬時對地基土體施加一個巨大的沖擊能量，伴隨著沖擊能而產生的沖擊波和動應力不僅能夠改善不良土質的抗液化條件，消除不良土質的濕陷性，而且能夠降低土質的壓縮性，從而使地基土質的強度得到大幅度提高。強夯法的夯擊效果取決于地質、夯錘白重以及落距等參數。

中華人民共和國住房和城鄉建設部行業標準《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2012）中提到的強夯的有效加固深度如表2所示。

詹金林等人對高能級強夯地基的研究成果表明：單擊夯擊能在16000kN·m時，碎石土、砂土等粗粒土的有效加固深度為14.0-16.0m，粉土、粉質粘土、濕陷性黃土等細顆粒土的有效加固深度為13.0-14.0m。

強夯加固路基效果較為明顯，且夯擊能越大，加固深度影響范圍越深，在重錘落地的瞬間會產生巨大的振動和側向擊壓，給人心理造成恐慌，對附近構筑物及人居環境影響甚大，且施工成本高，對工作地點外界條件要求較為嚴格，也不是解決路基后期沉降、提高承載力的理想設備。

（2）沖擊壓實以非圓形輪對土石材料進行靜壓、搓揉、周期性沖擊的連續作業，產生強烈的沖擊波，向下以地震波特性傳播。管殿聆等人在宣（化）大（同）高速公路濕陷性黃土路段采用沖擊壓實的研究成果表明，沖擊力為2500kN、碾壓輪質量為6.6t時，沖擊影響深度僅為0.8-1.0m。趙軍麗在廊泊公路沖擊壓實試驗中，得到沖擊10遍后壓實度可提高2%-3%，其影響深度約為0.8-1.5m，在減小路基沉降、實現路基加固等方面優勢尚不突出。沖擊壓實連續、快速的低頻大振幅沖擊能量較高，壓實深度遠大于傳統的振動壓路機，但是其加固深度遠不及強夯壓實，作業能力和使用條件受工作面影響也較大。

（3）共振夯實機基于土體的彈性特征，利用共振原理使作用土體達到顆粒重組、承載力提高的目的，并加速路基沉降；共振夯實機經特殊設計，使其傳力擴散角較強夯小，對側向構筑物影響不大。中國兵器工業北方勘察設計研究院受邢臺路橋建設總公司委托，對邢衡高速任縣連接線采用大型共振夯實機的3個路段夯實前后的地基實施面波法和平板載荷法試驗，以評價共振夯實的作業效果。試驗采集了3個作業區段的數據，分別在清表、填前碾壓、成型路基進行了夯前和夯后的相關檢測。

綜合判定兩種測試結果后發現，經夯實后的地基承載力提高了50%-75%，其中，清表后的原地面承載力提高幅度最大達到145%（表3）；在夯實處理后，地表下10m深度范圍內的剪切波速度明顯高于夯實前的同層剪切波速度，地基加固效果明顯，而在10-15m（有的至18m）深度范圍內，剪切波速有所提高，夯實對地基土有影響，但加固效果不明顯（圖4）。

4 結語

試驗結果表明：采用共振夯實機較傳統的沖擊壓實和強力夯實對路基的加固效果更為明顯，能夠有效提高土體彈性模量，加速路基沉降，控制其彎沉，是解決橋頭跳車、結構層破壞、新舊路基拼接、既有路基補強、噪音控制區路基壓實等特殊路段壓實問題的高效設備。共振夯實機能解決結構層底部出現的較大層底拉應力和疲勞性破壞等問題，為誠薄面層設計、建設“強基薄面”以及降低后期運營養護費用提供了強有力的技術支撐。endprint