冲击碾压技术影响因素分析

杨子敬

1 概述

冲击碾压作为一种高效率、高压实能量的压实机械,20世纪80年代在国外投入生产使用以来,得到了广泛的应用[1]。这种方法是通过冲击轮在位能落差与行驶动能相结合下对工作面进行静压、搓揉、冲击,使工作面不断加固的方法,其基本原理是利用动能转化为冲击能来压实土体,其特征是将巨大的动能在很短时间内转化为冲量,进而形成瞬时作用的巨大冲击力,在土体中产生很大的剪切应力和法向应力,从而有效地克服土体的内聚力,压缩土体并排除土体中的空气和水分,达到压实土体的最终目的。我国的冲击碾压技术 1995年由南非引入,由于应用时间较短,很多施工工艺参数、检测方法以及质量控制标准存在缺陷,设计规范还不健全[2]。所以有必要对冲击碾压技术的作用原理和影响因素进行总结分析,为今后该技术的推广完善提供参考。

2 冲击碾压技术作用机理

冲击压路机是将当前振动压实高频率、低振幅改为高振幅、低频率。冲击压路机是用三边形、四边形、五边形“轮子”来产生集中的冲击能量达到压实土石填料的目的。冲击压路机可由配套的牵引机在前方牵引。

冲击压路机的基本原理是利用动能转化为冲击能来压实土体,其特征是将巨大的动能在很短时间内转化为冲量,进而形成瞬时作用的巨大冲击力,在土体中产生很大的剪切应力和法向应力,从而有效地克服土体的内聚力,压缩土体并排除土体中的空气和水分,达到压实土体的最终目的。同时在用有限元法研究冲击碾轮与土体相互作用的关系时,由于土体是非弹塑性材料,远不是理想弹性;当冲击碾轮在土体上滚动和冲击时,土体的变形较大,所以冲击碾轮与土体的相互作用不是线性关系,而是几何非线性和材料非线性关系;压实效果与打击能量有关,当打击能量大时,被压材料的应力也大,因而压实效果较好。冲击压路机以其静能量来标定,能量以千焦耳计算;总的来说,冲击压路机工作时所具有的能量由三部分组成:

其中,N1为静态能量,其大小为压实轮转动过程中质心升高所具有的势能;与多边形压实轮的质量 m、外切圆半径 R、内接圆半径 r有关:

其中,N1为能量,kJ;m为动力部件的质量,kg;g为重力常数(9.81m/s);h为轮子外半径与内半径的差值,h=R-r。

N2为压实轮平动所具有的动能;与压路机行进速度v有关:

N3为压实轮转动惯性所具有的能量;与压实轮转动惯量I和旋转角速度ω有关:

3 冲击碾压的影响因素

冲击碾压技术的影响因素主要包括:土的含水率、碾压速度、碾压遍数、碾压方式等。

3.1 土体的含水率

土体含水率对冲击效果的影响是非常显著的[5-7],这在我国多条高速公路中都得到了证明,刘若琪等人研究黄土含水率对冲击碾压效果的影响时,曾证明在含水率上下 4%的范围内能达到良好的碾压效果,超过这个范围冲压效果不明显。而且随着击实功的增加,最佳含水率降低,所以冲击碾压的最佳含水率比重型击实法实验结果要低。但是目前对于采用冲击碾压技术时土的最佳含水率如何确定尚未形成共识,也未见这方面的报道。综合分析众多的冲压工程实例,一般认为冲击碾压含水率可低于重型击实的最佳含水率 4个百分点和高于最佳含水率 2个百分点。

从已有的工程实例来看,对于不同的土质含水率的要求范围有所不同,高液限土塑性指数(一般在 25～45之间)较大,从半固态到流态之间的可塑性范围大,放宽 5个～6个百分点甚至更多是可行的,这已经在南部省份的冲击碾压工程施工中得到证实。对于西部地区某些低液限土(液限小于 30),塑性指数较小(一般为 10左右),可塑范围窄,对于水很敏感,若偏离最佳含水率 3个百分点以上则冲压效果较差。因此,从适用性来说,采用稠度指标也许可以更好地说明土的适宜含水率范围,而我国目前的规范是以含水率为控制指标[8,9],而且冲击碾压技术应用历史比较短,所以还是用含水率来表示对冲击碾压效果的影响。

3.2 碾压速度

一般来讲,碾压速度在一定范围内与碾压效果成反比关系,碾压速度过快,压实效果变差。这是因为在碾压过程中,碾轮速度过快的话,有些土体在碾轮作用下产生的变形还没有来得及转变为完全的塑性变形时应力一旦去除,这部分变形就可能恢复,使压实效果变差。但若碾压速度过慢,势必导致整个压实工作效率很低。实践证明:冲击式压路机较为适合的碾压冲击速度在10km/h～ 15km/h。

3.3 碾压遍数

在压实施工中,疏松的土体随着碾压遍数的增加,压实度会随之增加,但当压实度达到某值时,碾压遍数再增加,土体的压实度变化很小或不再变化,说明这种吨位、这种作用方式的压路机对该土体的压实效果已达到极限水平。想通过增加碾压遍数来提高压实度已是徒劳无益的了。过多的碾压遍数只能降低整个压实作用的生产率,此种情况只能更换大吨位的压路机或其他作用方式的压路机来进一步提高压实度,所以考虑压实的综合效果时,碾压遍数应有一最佳值。碾压遍数过少,土体的压实度会太低;碾压遍数过多,虽然压实度较好,但整个压实生产率降低,也是不合适的。在施工中应根据具体情况,认真考虑,冲击压路机冲碾 20遍后,均能获得较为理想的压实效果,在实际生产中采用较多的冲击数量为20遍,结果是令人满意的。

3.4 碾压方式

碾压方式主要指碾压工序的编排,它对压实效果有较明显的影响,目前我们采用的是“前轻后重,先慢后快,由弱振到强振”的原则。对于冲击碾压施工中,一般先用普通压路机快速碾压 1遍～2遍初步定型后,即可进行冲击碾压作业,冲碾完毕后用推土机等对起伏的冲击表面进行平整,再用普通压路机碾压封面。

4 结语

冲击碾压技术以其压实深度深、高效压实作业和适应各类土质等许多显著特点,在公路路基压实施工中得到广泛的应用。从本文所总结的各个方面可以看出,冲击碾压作用效果与土体含水率、碾压速度、碾压遍数、碾压方式等因素有关,为达到最佳的压实质量,应综合考虑各方面因素的影响。因此,要针对不同的工程状况采用不同的施工工艺,才能达到有效的压实效果。

[1] 张 洪,李志潭.冲击压路机的动力性能试验[J].工程机械,2002(33):31-33.

[2] 范智杰,刘 玲,孙昭元,等.高等级公路路基压实的质量控制[J].水运工程,2001(11):39-42,55.

[3] 程卫东.浅谈路基施工中压实度的影响因素[J].内蒙古公路与运输,2001(S1):63-66.

[4] 温远辉.路基压实效果的分析与探讨[J].黑龙江交通科技,2006(4):30-32.

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

[6] 洪毓康.土质学与土力学[M].北京:人民交通出版社,2000:235-243.

[7] 卢廷浩.土力学[M].南京:河海大学出版社,2003:19-26.

[8] JTG F10-2006,公路路基施工技术规范[S].

[9] JTG D30-2004,公路路基设计规范[S].