冲击碾压法在路基增强补压中的应用与参数优化

赵敏，厉广广，王宇

（1.西安工业大学建筑工程学院，陕西西安710032；2.江苏嘉隆工程建设有限公司，江苏宿迁223800）

冲击碾压法在路基增强补压中的应用与参数优化

赵敏1，厉广广1，王宇2

（1.西安工业大学建筑工程学院，陕西西安710032；2.江苏嘉隆工程建设有限公司，江苏宿迁223800）

从能量角度分析冲击能量与冲击碾压速度的关系，依托路基增强补压冲击碾压现场试验，在试验段不同分段不同埋深设置检测点，通过沉降量、含水率、压实度等指标对不同冲碾遍数和速度下路基压实效果进行评价。结果表明：土体压实效果在一定范围内随冲碾速度和遍数的增加而增强，超过这一范围则效果有所减弱，试验工况下合理的冲碾参数为以11～12 km/h的速度冲碾15～20遍，其中11 km/h+20遍、12 km/h+15遍为最优组合；对比同一断面不同检测指标，该冲碾方式下道路中心压实效果略逊于两侧，建议对道路中心适当增压1～2遍。

冲击碾压法；路基；增强补压；冲碾参数

冲击碾压技术引入我国的20余年中，在机场道路、高速公路等路基、地基工程中得到了广泛应用，并取得了显著的效果，引发了岩土工程界对冲击碾压的研究热潮［1］。张晓玉等［2］对冲击压路机的压实机理和影响因素进行了分析，通过试验研究了冲碾遍数与沉降量、压实度的关系。何永明等［3］通过现场冲压试验分析了不同冲击遍数对沉降量、弯沉值、压实度的影响，验证了冲击碾压法施工在路基工程中的可行性。廉庆国等［4］通过现场冲碾试验对德商高速公路低液限黏土地基的施工给出了合理的碾压遍数和冲碾区域的有效加固深度。周勇等［5］研究振动碾压和冲碾2种不同碾压条件下不同松铺厚度对应的路基沉降和孔隙率的关系，并给出合理的碾压方法和碾压遍数。胡昌斌等［6］通过土压力传感器对不同冲碾遍数、冲压线路、行驶速度下路基的竖向和侧向动土压力进行监测，更为直观地反映出各控制量的变化规律。陈忠清等［7］利用自行研制的冲击碾压模拟试验设备研究冲碾加固效果与冲击轮质量和牵引速度的关系，探讨了牵引速度的最佳值。

以上研究结果表明，冲击碾压法在地基和路基施工中具有良好的适用性，相对于传统的振动碾压法，其压实效率更高，影响深度更大，合理的碾压遍数能够使得压实效果事半功倍。此外，冲碾速度也是影响冲击压实效果的主要因素之一。目前的研究主要集中在冲碾遍数上，对于冲碾速度的研究相对较少。本文主要

1　能量分析

冲击轮重心位置提升产生的势能、转动产生的动能以及滚动克服土体变形所做的功共同组成了冲击压路机的动力。

假设：①地基或路基为完全弹性；②冲击压路机匀速行驶；③不考虑冲击轮转动其他能量损失［8］。在此假设下对冲碾过程从能量角度做简化分析。

当冲击轮处在最高位置时冲击势能E0最大，表示为

式中：m为冲击轮自身质量；v为水平冲击速度；h为冲击轮重心高差；W为冲击轮转动势能。

假设冲击轮重心离地距离e近似等同其回转半径R，则

式中：J0和ω0分别为冲击轮质心的转动惯量和角速度。

冲击轮重心从最高点转动到最低点的瞬间，假设势能全部转化为动能，此时，冲击能量

由此可见，冲击能量与冲碾速度的平方成正比，冲碾速度的适当增加，能够很大程度上增强冲击能量，即冲碾速度对冲击压实效果的影响较为明显。

2　试验分析

2.1试验准备

依托江苏省道改扩建工程，选取新建路段K4+ 900—K5+100为试验段，经取样送检得到该路段土体最大干密度为1.72 g/cm3，天然含水率11.5%～14.3%，最佳含水率13.5%。采用中铁20局工程机械厂生产的YCT20型冲击压路机，其冲击轮单轮宽度0.8 m，整机质量12 t，配合使用QCY360型266 kW牵引车。

2.2试验方案

沿试验段纵向每40 m布置1个检测断面。沿断面横向布置3个沉降检测点，分别位于道路中线及中线两侧8 m位置；沿断面竖向布置3个检测点，地面以下每25 cm布置1个。通过检测点对地表沉降量、压实度、土体含水率等进行检测，以反映路基压实效果。土的回填松铺厚度为60 cm。

将试验段等分5个分段，冲击压路机在各分段保持匀速行驶，速度分别为9，10，11，12，13 km/h，采用《公路冲碾应用技术指南》中A类冲碾线路，即从路基一侧向另一侧沿道路中心线由外向内对称循环冲碾，每5遍改变冲压方向，并对各检测点地表沉降量、土体压实度、含水率进行测量统计。各指标检测标准如下：冲碾最后5遍的沉降量不得大于1 cm；地基表层内30 cm土体含水率在ωop-3%～ωop+2%范围内［9］。其中，ωop为最佳含水率。碾压面下有效影响深度范围内土的压实密度≥90%。

2.3试验结果分析

对5个试验分段各检测点，每冲碾5遍检测记录1次，直至冲碾25遍，共测得沉降数据5组，土体含水率数据6组（含未冲碾），压实度18组（含未冲碾）。

2.3.1沉降量

为分析不同冲碾速度和遍数的压实效果，测得不同检测断面3个沉降检测点沉降量的平均值，见表1。相同碾压遍数不同冲碾速度下沉降增量变化情况见表2。相同冲碾速度不同冲碾遍数下沉降增量变化情况见表3。

由表1、表2、表3可知：

1）当冲碾速度为11～13 km/h，冲碾遍数为15～25遍时，其5遍沉降量差值均不超过10 mm，满足检测指标要求。建议冲碾的合理速度和遍数分别取11～13 km/h，15～25遍。

表1　不同冲碾速度和遍数实测沉降量的平均值mm

表2　相同碾压遍数不同冲碾速度下沉降增量变化情况

表3　相同冲碾速度不同冲击碾压遍数下沉降增量变化情况

2）相同冲碾遍数时，随着冲碾速度的增长，各断面检测点沉降值先增大后减小，增长速率呈增大→减小→增大的趋势。其中冲碾速度为11～12 km/h时沉降变化较小，相对稳定，则11～12 km/h为最佳冲碾速度。

3）相同冲碾速度时，随着冲碾遍数的增加，各断面检测点沉降值始终保持增长并最终趋于稳定，其增长速率逐渐减小。其中冲碾20遍左右（15～25遍），冲碾产生的沉降变化相对稳定，则20遍左右为最佳冲碾遍数。

综上所述，仅从沉降量的变化规律，可判断该路段以11～12 km/h的冲碾速度碾压20遍左右，能够取得较好的压实效果。

此外，由冲碾20遍时数据计算可得，该试验段路基松铺系数为1.21～1.25。

2.3.2含水率

对地基表层下25 cm处不同断面检测点土体进行取样，以烘干法测得不同检测点的含水率。同一断面3个检测点土体含水率平均值随冲碾速度和遍数变化情况见表4。

表4　不同冲碾速度和遍数土体含水率平均值%

由表4可见：冲碾15遍以前，含水率变化明显，负增长率较大，15遍以后含水率变化趋于稳定，即单纯增加冲碾遍数对土体含水率的改善不再明显；冲碾速度＜12 km/h时，含水率减小较快，13 km/h时减小较慢，甚至出现含水率逆增加的现象。这主要是因为冲碾速度过快，冲击能量较大，破坏土体结构，使得地下毛细水上涌，因此冲碾速度不宜过快。实践证明［2］以（97%～102%）ωop来判断冲碾含水率合理范围可行，则该路段土体压实含水率的合理取值范围为13.10%～13.77%，不难得出相对合理的冲碾参数为11～12 km/h，15～20遍。

2.3.3压实度

以同一断面同一深度3个监测点测得的压实度平均值为纵坐标，冲碾速度为横坐标，参考以上章节结论选取冲碾遍数为15，20，25计3组数据为研究对象，考虑不同深度压实度的变化，绘制土体压实度随冲碾速度变化曲线，见图1。以冲碾遍数为横坐标，以某一冲碾速度（12 km/h）为研究对象，考虑不同深度压实度的变化，绘制压实度随冲碾遍数变化曲线，见图2。

图1　不同冲碾遍数不同埋深下压实度随冲碾速度变化曲线

图2　不同埋深下压实度随冲碾遍数变化曲线

对比图1可知：在不同冲碾遍数下随冲碾速度增长路基压实度变化趋势一致，均先变大后减小。11～12 km/h对应压实度增长率较小（-2.7%～1.1%），其中冲碾15遍，压实度峰值出现在12 km/h附近，而冲碾20～25遍时，冲碾速度保持在11 km/h左右，压实度最高。在有效影响深度范围内，以11～12 km/h冲碾速度冲碾15～20遍路基压实度均保持在90%以上，符合检测标准。对于本工程，建议合理的冲碾参数选取11 km/h碾压20遍左右或12 km/h碾压15遍左右。

由图2可知，在12 km/h冲碾速度下随冲碾遍数增加，路基土体压实度先增大而后减小，冲碾15～20遍时各检测点压实度均＞90%，变化较小趋于稳定。当冲碾遍数超过20遍时，压实度明显开始减小，这是因为路基土体在不断冲碾作用下产生了疲劳现象，结构出现破坏，稳定性下降。由此可见，冲碾遍数不宜过多，对于本工程建议冲碾15～20遍为宜。

2.3.4不同检测指标

参考以上章节结论，选取冲碾速度11 km/h，冲碾20遍工况下，同一断面不同检测点检测结果做对比分析，结果见表5。其中1～3依次为道路中线左侧8 m、道路中线、右侧8 m处各指标检测点。

表5　同一断面不同检测点各指标检测值对比

由表5可见：对比不同检测点，各指标检测值变化不大，即冲碾效果均匀，方式相对合理。检测点2相对检测点1，3的沉降量和压实度略小，含水率略大。这主要与冲碾行驶线路、冲压边角的处理及碾压冲击轮错轮、重叠有关。在实际工程中有必要研究同一断面不同位置的冲碾效果，以便更好地指导冲碾。在本工程中，建议道路中线位置可在合理运行速度不变的情况下适当增加1～2遍冲碾遍数。

3　结论

研究了路基增强补压中冲碾各参数组合和冲碾效果之间的关系，得出以下结论：

1）冲击碾压法在路基增强补压中效果较为明显，能够降低土体的渗透性，增强路基密实度和稳定性，提高承载力，尤其是在高等级道路中具有良好的适用性。冲击碾压法的压实有效深度相对较大，对不同深度土体压实效果良好，能够较好地增强路基的整体性，避免路基各层发生不均匀变形，影响道路的使用寿命。

2）冲击能量与冲碾速度的平方成正比，冲碾速度对冲击压实效果较为明显。但并非冲碾速度越快越好，本工程建议合理的冲碾速度为11～12 km/h。冲碾遍数增加在一定范围内能够有效地改善压实效果，本工程建议合理的冲碾遍数为15～20遍。具体对应不同冲碾参数，可根据实际情况进行调整，如以12 km/h的冲碾速度运行，冲碾遍数宜采用15遍左右，而以11 km/h的冲碾速度运行，冲碾遍数宜采用20遍左右。

3）不同冲碾线路及错轮方式对同一断面不同位置的碾压效果不同，在本工程中道路两侧的碾压效果要略优于道路中线，因此可根据检测结果对道路中线适当增加1～2遍。

［1］陆新.冲击碾压技术在填土地基处理中的应用［J］.地下空间与工程学报，2010，6（5）：990-994.

［2］张晓玉，汤振周.冲击压路机在高速公路填方路基中的应用［J］.筑路机械与施工机械化，2011（11）：39-42.

［3］何永明，王勇，弓福.哈五公路路基冲击碾压试验分析［J］.筑路机械与施工机械化，2011（1）：43-45.

［4］廉庆国，钱红梅.德商高速公路低液限黏土地基冲击碾压现场试验研究［J］.铁道建筑，2013（10）：70-71.

［5］周勇，吴立坚，刘升传.新建高速公路高填石路基碾压试验研究［J］.公路，2010（2）：71-74.

［6］胡昌斌，袁燕.冲击碾压改建路面施工对路基动力作用的试验研究［J］.岩土力学，2011，32（3）：745-752.

［7］陈忠清，徐超，吕越.冲击碾压加固砂土模型试验研究［J］.岩土力学，2011，36（增2）：525-531.

［8］DEREK A.Impact Rolling in the Spectrum of Compaction Technique Sand Equipment［C］//Earthworks Seminar Proceedings.Adelaide：Australia Geomechanics Society，2004：1-4.

［9］交通部公路科学研究院.公路冲碾应用技术指南［M］.北京：人民交通出版社，2006.

Application and Parameter Optimization of Impact Rolling Method in Additional Compaction of Subgrade

ZHAO Min1，LI Guangguang1，WANG Yu2
（1.School of Civil&Architecture Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an Shaanxi 710032，China；2.Jiangsu Jialong Engineering Construction Co.，Ltd.，Suqian Jiangsu 223800，China）

T he relationship between impact energy and impact rolling speed in terms of energy was analyzed，the detection points were set in different depth segments of the test section based on field test of impact rolling method in additional compaction subgrade，the subgrade compaction effect with different impact rolling time and speed were evaluated by the indicators including the settlement，water content and compaction degree.T he results show that the soil compaction effect increases with the impact rolling speed and time increasing within a certain range and the effect reduces a little beyond this range，the reasonable range of impact rolling parameters is 15～20 times with the speed of 11～12 km/h under test conditions，optimal combination of which are 11 km/h+20 times and 12 km/h+15 times，and the compaction effect of road center is slightly lower than the effect of both sides in such impact rolling way compared with the different detection index of the same section，which suggested that 1～2 times should be added for impact rolling of road center.

Impact rolling method；Subgrade；Additional compaction；Impact rolling parameter

U416.1

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.25

1003-1995（2016）09-0100-04从能量的角度对冲碾速度与冲碾压实效果之间的关系进行简化分析，并以江苏一省道改扩建工程路基增强补压施工为依托，通过试验给出合理的冲碾遍数和速度，为类似工程提供参考。

（责任审编赵其文）

2016-03-06；

2016-06-23

赵敏（1970—），女，教授，硕士。