共振夯實機在路基加寬及橋梁臺背回填施工中的應用

周印霄++鄭會璽

引言

路基穩定至少需要經過兩三個雨季的自然沉降才能趨于完成，沒有經過雨季自然沉降直接完成路面施工的工程，其穩定完成時間需要5～8年。目前，新建公路中出現的路面問題已經轉移到路基的穩定性上，路面沉降變形、開裂、橋頭跳車均是因為路基進一步密實和基底進一步壓縮所造成的變形而引起的。如何加強路基這一主要承重結構的施工質量成為業界重點關注的問題。因此，更為科學合理、快速便捷且高效地模擬路基沉降過程的創新理念一直是工程師們探討和研究的熱點。

傳統的路基施工壓實設備有壓路機、強力夯實機等，但其作用機理均為以重壓促使土體密實，影響深度小，且忽略了彈性土體重壓變形導致的土體隆起劈裂以及應力釋放等問題。為有效解決前述問題，催生出了一種專用設備——共振夯實機，它采用人為機械干擾的方式，能夠迅速提高基底承載力，使路基快速到達基本穩定狀態。共振夯實機根據使用場合不同分為大型共振夯實機（圖1）和小型共振夯實機（圖2）兩種。大型共振夯實機適用于新建路基、擴建路基加寬段、高填方路基、壓實度不足需做補強處理的路基、緊鄰其他構造物的地段等，小型共振夯實機適用于橋涵構造物臺背處理以及新舊路基加寬銜接處、沿河路堤等作業受限地段。目前因其優越的夯實效能，共振夯實機已成功應用于京石高速、石安高速、邢衡高速、張承高速、邢汾高速、清東陵高速等十余條高速公路中，并在國省干線公路中得到了大面積推廣及應用。

本文僅對小型共振夯實機在高速公路改擴建工程中的應用實例進行分析。

1 共振夯實機的作用機理

共振夯實機利用了彈性土體能形成共振的特性，采用機械固有頻率，達到使作用土體產生共振的條件。在土體共振的過程中，土體顆粒自動實現重新組合配位，同時瞬間再對土體施加高達1.4-1.5MPa的強大壓力，相當于每平方米施加了140-150t的壓力，遠遠超過了高填方路基路面靜載和動載的總和，超標準提高基底的承載力。 大型共振夯實機對每個擊點連續擊壓80次以上，影響深度可達4-15m；小型共振夯實機的影響深度可達1-4m。經過夯擊的路基土體承載力可提高25%-30%，有效解決了日后沉降的問題。共振夯實機采用微振幅、高頻率，對周圍環境影響很小，特別是對已建成的公路構筑物不產生任何損傷。

采用這一設備可解決因人為因素和施工設備的局限導致的路基處理作業不到位或達不到技術要求等問題，每1-2m夯實一遍就能達到增強土基的效果。究其原因，是共振夯實機的作用原理決定了其特別的功效，使土體形成共振，在土粒間摩擦角最小時瞬間施壓，達到土體的最大密度，解決土基中的空洞問題。

2 共振夯實機的基本組成

小型共振夯實機的主要組成為帶有振動錘、驅動電機及激振器的振動錘機構，在振動錘的底端增設底面均勻分布凸條的作用底板，以及牽引件、導向輪等。這些構件的組合旨在實現單點夯機時間白控、瞬間擊壓大于1.4MPa、夯頭左右橫向移動等功能，小型共振夯實機的輸入參數（表1）必須嚴格按照要求進行調整。

單點夯擊時間白控功能可使施工時每一單點的擊實強度均勻，方便過程控制；要求大于1.4MPa的擊實接地壓強是為增強路基的強度，提高土基的抗壓回彈模量，迅速提高土基的承載力，從而減輕工后進一步的壓縮沉降；要求白控功能及夯頭的左右橫向移動功能是為解決路基邊緣夯實，增強土基強度均勻等問題，達到從邊到角全方位深度強固的目的。

3 共振夯實機的適用范圍及優勢

共振夯實機不同于強力夯實機，強夯是在土體相對靜止的狀態下以其強大的動能擊打土體，土體受強大外力而壓縮變形。但在變形過程中，土體不僅向下壓縮，同時還向四周擠壓，達到一定的密度時，擊點周圍會向上隆起，產生土體劈裂；雖然直觀反映是密度增加了，但實際在很多情況下沒有起到進一步提高土體承載力的目的。強力夯實機夯實效果如圖3所示。共振夯實機作用土體時，土體共振，瞬間連續施壓，由于土體顆粒的重新組合，空隙減小，不僅擊點土體壓縮明顯，周圍土體也有明顯的下沉增密效果。共振夯實機噪聲污染小，對周圍的建筑物影響也小，是路基快速穩定、增強的可靠專用設備。

4 共振夯實機的作用特性

共振夯實機以其特有的作用機理，克服了強力夯實機的弊端和缺點，具有更強的適用性、便捷性和高效性。

（1）擴散角不同。因共振夯實機與強力夯實機沖擊力的擴散角不同，故共振夯實機對夯點周圍構造物的影響極大降低。

（2）擊實土體的方式不同。共振夯實機采用錘頭高頻夯擊底板，再由底板傳到土體中，底板始終不離開土體，在合理控制夯機參數下不會造成夯點周圍土體的過度隆起和劈裂，且能實現激振力的有效疊加和放大，夯實效果較為明顯（圖4）。強力夯實機錘底直接作用于土體，強大的沖擊瞬間作用瞬間釋放，效率低下且極易造成土體劈裂，使沖擊能大量釋放（圖5）。

5 共振夯實機的應用實例

本文以京石高速改擴建項目為例，對小型夯實機在高速公路改擴建項目中的應用作以說明。

5.1 項目背景

京港澳高速公路是國家高速公路網（7918網）中的一條線路，白北向南連接北京、石家莊、鄭州、武漢、長沙、廣州、香港、澳門8個中心城市，是中國最早規劃的高速公路之一。京石段為京港澳高速的重要組成部分，原路段為雙向四車道，一般路段路基寬27m，局部路段（約18.3km）路基寬度為26m。實施項目為原京石段的改擴建項目，其主體工程包括：將四車道改為八車道的擴建路段，共185.843km；新建八車道高速公路，共38.835km；路基全寬42m，設計車速120km·h^-1。新舊路基拼寬是該項目的施工難點和控制重點。

為保證路基拼寬施工質量，減小新舊路基不均勻沉降，京石改擴建籌建處對舊路基邊坡壓實度進行了調查，結果普遍偏低。按照設計，路基拼寬時要開挖高80cm、寬120cm的臺階，其臺階部分明顯薄弱，經專家論證，確定采用共振夯實機進行新加寬路基補強夯實的施工工藝。endprint

5.2 共振夯實機施工方法

新加寬路基鋪設土工格柵后，每填高80cm就對舊路基進行開挖臺階，臺階寬120cm，然后用重型壓路機對全寬范圍（含開挖臺階）進行補強碾壓，控制技術指標以最后兩遍沉降差不大于3mm為準。對于開挖120cm臺階部位，如含水量大于最佳含水量，須翻拌晾曬或摻加石灰粉使之達到最佳含水量時，再進行補強碾壓。補強碾壓后，采用小型共振夯實機對120cm臺階部分進行補強夯壓，需先將表面整平再壓實。

按照設計及路基拼寬施工作業要求，每80cm采用超重型壓路機進行補強碾壓后，再采用夯實機對臺階部分進行夯實，夯實補強夯點采用梅花形布置，縱橫向間距為100cm，采用間歇式作業，每個擊點作業時間為8-13s，單點夯擊80次以上。

共振夯實機施工的注意事項如下。

（1）由于過于松散的地面不便于共振夯作業，因此基底填土前要整平壓實，這是為了下一工序的共振夯增強處理作場地準備；夯實作業由外向內進行，先夯實外側，外側的側向力增大后，內側的路基土密實性增長更快。

（2）各夯點應放線定位（圖6），夯完后檢查夯坑位置，發現偏差及漏夯應及時糾正。夯實施工時應對每一夯點的單夯夯擊能量、夯擊次數和每次夯擊沉降量進行詳細記錄。

（3）基于共振夯的特性，夯點呈梅花式間接布點，間距為夯頭直徑的1-1.5倍（圖7），對夯實過的表面，應松平表層10-15cm，再重新進行路基整平碾壓工序，保證路基上部的壓實度。

5.3 測試試驗結果及分析

5.3.1 夯實效果評價

中國兵器工業北方勘察設計研究院采用面波法測試和重型動力觸探試驗對采用小型共振夯實機進行路基夯實前后的效果進行了檢測。瑞利面波測試結果表明，夯實前，O-lm深度范圍的波速為100m·s^-1，1-4m深度范圍的波速為100-150m·s^-1，4m以下的波速為150-200m·s^-1。經夯實加固后，1-4m深度范圍內的地基土剪切波速均有不同程度提高，約為150-200m·s^-1，加固效果較為明顯；0-1m及4m以下的地基土剪切波速變化不大，加固效果不明顯。重型動力觸探試驗亦得到了相近的結論，即夯實后1-4m深度范圍動探擊數均有不同程度提高，加固效果明顯。

5.3.2 夯點間距的布置

試驗表明，過小的夯距將影響相鄰夯點的加固效果，在淺層疊加形成上部密實層，影響能量向深層傳遞，且易造成上部土體向已夯成的夯坑擠壓。夯頭直徑1倍的夯點間距完成后，在30cm以下的部分，夯實的增強范圍已經相連或疊合，為此規定了夯點間距為錘頭直徑的1-1.5倍。另外，共振夯底板的特殊設計限制了作用力向周圍擴散，其擴散角小于強夯錘的擴散角，因此作業時對構筑物不產生負面影響。

5.3.3 對夯實次數的限定

試驗表明，單點作用在80-100次、用時約10-15s時，路基增強效果最佳。低于80次達不到最大壓實密度；超過100次時，周圍的土出現隆起或過高隆起，表明擊點內的土體已經劈裂。具體施工時，應依據現場土質，調整單點夯擊次數，以夯點周圍土體微微隆起為宜；并采用單點用時控制，以保證每一夯點作用力均勻，從而保持路基的整體強度均勻。施工中有的夯點淺是正常的，原因是原有土基的密度不均勻。共振夯的影響深度可達3-4m，在0.5-1.5m的位置密度增大明顯。因此，建議每1-2m進行一次共振夯增強加固。

6 結語

通過分析可以得出，共振夯實機在工程實踐中優于傳統的強夯設備，它充分利用高頻率、微振幅夯頭對彈性土體的作用，使受夯土體實現了快速、低噪、高密實顆粒重組，且在夯實過程中有效減少了土基在強夯、強振作用下產生劈裂而引發的應力釋放，能夠有效提高土體彈性模量，加速路基沉降，有效控制彎沉，是解決橋頭跳車、結構層破壞、新舊路基拼接、既有路基補強、噪音控制區路基填筑等壓實問題的高效設備，可避免結構層底部出現較大的層底拉應力和疲勞性破壞，為公路建設實現“強基薄面”提供了強有力的設備支撐。endprint