共振夯实机作用机理的研究及效果分析

苏立超

引言

目前，国内处理特殊路基时采用的冲击压实和强力夯实两种方法虽有一定的优点，但也存在着难以回避的缺点。冲击压实以非圆形轮对土石材料进行静压、搓揉、冲击的周期性连续作业，产生强烈的冲击波，具有地震波的传播特性，较传统压路机效果明显。但冲击压实设备庞大，对作业面积要求较高，部分桥头处理、狭窄路段无法使用，且夯能较小，作用面受力不均匀，加固深度及加固效果不明显，加固遍数较多，影响施工效率，并且易引起表层推移。强力夯实法在中国已广泛应用，但其缺点是：施工噪音大，单位面积夯击能量小；夯击时仅是动力压密，存在有效区和影响区的差别，深层以下达不到压密的效果，加固深度受到限制。对于有深层软弱下卧层的地基，强力夯实只有增大吊车起重能力和增大吊锤重量，才可奏效，但会产生强大的地震波，影响附近构筑物的安全。同时，在瞬间击压下弹性土体会在卸载后恢复部分形变，释放夯实功，夯实效果也不尽人意。此外，强力夯实的成本偏高，仅适用于特殊路基的处理，而路基承载力不足和沉降问题却不仅仅出现在特殊路基上。

为解决上述困扰公路建设行业的重大难题，笔者所在单位结合路基土体自身特性，研发了一种新型的路基处理专用设备——共振夯实机。

共振夯实机与传统的振动压实、冲击压实和强力夯实不同，基于土体流变性，利用弹性土体的受力特性，采用高频率、微振幅夯头作用于弹性土体，使受夯土体在共振作用下实现快速、低噪、高密实颗粒重组，在夯实过程中有效减少了土基在强夯、强振等作用下产生劈裂所引发的应力释放，能够有效提高土体弹性模量，加速路基沉降稳定，有效控制弯沉，为解决基层疲劳破坏问题、建设长寿命路面或薄层路面、实现“强基薄面”提供了有力的支持。

1 共振夯实原理

共振夯实是利用工作装置产生的高频率、微振幅夯击能连续垂直击压于作用土体，使土体在外力干扰下形成原位共振（相当于施加150t·m^-2的均布压力），夯击压应力远远大于现行设计规范中采用的轮胎接地压强，且在高频击压过程中，夯头始终不离开作用土体，从而实现原状土或后填土的颗粒重组挤密，进而加倍提高路基承载力，减小路基工后沉降，有效控制弯沉，避免因路基承载功能降低、沉降变形过大使层底产生较大的拉应力而造成的结构破坏、路面开裂等病害。与传统的强力夯实机夯锤设计不同，共振夯实机的底板经过特殊设计，限制了作用力向周围的扩散（图1），其扩散角小于强夯锤的扩散角（图2），因此，作业时对构筑物不产生损坏，使其应用范围得到了扩大。

本文以大型共振夯实机（图3）为例，采用面波法和平板载荷试验对共振夯实前后的路基进行检测，将其作用效果与冲击压实和强力夯实作对比分析。

2 大型共振夯实机参数

大型共振夯实机采用白行式设计，配备动力系统、夯实作业系统、操作控制系统等。其中，主体结构包括机架、限位在机架上的激振装置、受激共振体波源和定向波导装置。激振装置结构中包括动力源和垂直往复式运动的受迫夯锤。夯实频率可结合实际地质情况进行调整，单个击点连续击压80次以上，持续时间约lOs，施工快速。具体设计参数如表1所示。

3 与冲击压实、强力夯实的试验数据对比

（1）强夯法是利用大型履带式起重机将8-40t的重锤从6-40m高度自由落下，对路基进行强力夯实，其原理是在瞬时对地基土体施加一个巨大的冲击能量，伴随着冲击能而产生的冲击波和动应力不仅能够改善不良土质的抗液化条件，消除不良土质的湿陷性，而且能够降低土质的压缩性，从而使地基土质的强度得到大幅度提高。强夯法的夯击效果取决于地质、夯锤白重以及落距等参数。

中华人民共和国住房和城乡建设部行业标准《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）中提到的强夯的有效加固深度如表2所示。

詹金林等人对高能级强夯地基的研究成果表明：单击夯击能在16000kN·m时，碎石土、砂土等粗粒土的有效加固深度为14.0-16.0m，粉土、粉质粘土、湿陷性黄土等细颗粒土的有效加固深度为13.0-14.0m。

强夯加固路基效果较为明显，且夯击能越大，加固深度影响范围越深，在重锤落地的瞬间会产生巨大的振动和侧向击压，给人心理造成恐慌，对附近构筑物及人居环境影响甚大，且施工成本高，对工作地点外界条件要求较为严格，也不是解决路基后期沉降、提高承载力的理想设备。

（2）冲击压实以非圆形轮对土石材料进行静压、搓揉、周期性冲击的连续作业，产生强烈的冲击波，向下以地震波特性传播。管殿聆等人在宣（化）大（同）高速公路湿陷性黄土路段采用冲击压实的研究成果表明，冲击力为2500kN、碾压轮质量为6.6t时，冲击影响深度仅为0.8-1.0m。赵军丽在廊泊公路冲击压实试验中，得到冲击10遍后压实度可提高2%-3%，其影响深度约为0.8-1.5m，在减小路基沉降、实现路基加固等方面优势尚不突出。冲击压实连续、快速的低频大振幅冲击能量较高，压实深度远大于传统的振动压路机，但是其加固深度远不及强夯压实，作业能力和使用条件受工作面影响也较大。

（3）共振夯实机基于土体的弹性特征，利用共振原理使作用土体达到颗粒重组、承载力提高的目的，并加速路基沉降；共振夯实机经特殊设计，使其传力扩散角较强夯小，对侧向构筑物影响不大。中国兵器工业北方勘察设计研究院受邢台路桥建设总公司委托，对邢衡高速任县连接线采用大型共振夯实机的3个路段夯实前后的地基实施面波法和平板载荷法试验，以评价共振夯实的作业效果。试验采集了3个作业区段的数据，分别在清表、填前碾压、成型路基进行了夯前和夯后的相关检测。

综合判定两种测试结果后发现，经夯实后的地基承载力提高了50%-75%，其中，清表后的原地面承载力提高幅度最大达到145%（表3）；在夯实处理后，地表下10m深度范围内的剪切波速度明显高于夯实前的同层剪切波速度，地基加固效果明显，而在10-15m（有的至18m）深度范围内，剪切波速有所提高，夯实对地基土有影响，但加固效果不明显（图4）。

4 结语

试验结果表明：采用共振夯实机较传统的冲击压实和强力夯实对路基的加固效果更为明显，能够有效提高土体弹性模量，加速路基沉降，控制其弯沉，是解决桥头跳车、结构层破坏、新旧路基拼接、既有路基补强、噪音控制区路基压实等特殊路段压实问题的高效设备。共振夯实机能解决结构层底部出现的较大层底拉应力和疲劳性破坏等问题，为诚薄面层设计、建设“强基薄面”以及降低后期运营养护费用提供了强有力的技术支撑。endprint