基于正交试验法的路基冲击碾压施工参数优化

赵敏　厉广广　吴晨梦

摘要：利用正交试验设计法研究道路路基松铺厚度、冲击碾压遍数和间歇时间对冲击压实效果的影响，从而对路基冲击碾压施工参数进行优化。结果表明：路基松铺厚度以80～100 cm为宜；超孔隙水压力消散与冲压间歇时间呈正相关；冲压间歇时间和碾压遍数动态影响着冲压效果，建议冲压施工参数为连续冲压20遍或间歇18 h冲压15遍。

关键词：冲击碾压；参数优化；正交试验法；压实效果

中图分类号：U416.1文献标志码：B

Abstract： Orthogonal test was applied to study the impact of loose laying thickness， times of compaction and interval on the effect of impact compaction of subgrade， based on which parameters optimization was conducted. The results show that the loose laying thickness of subgrade should be 80100 cm； dissipation of excess pore water pressure is positively correlated with the interval of impact compaction. Twenty times of continuous impact compact or fifteen times of intermittent compaction within 18 hours is suggested.

Key words： impact compaction； parameter optimization； orthogonal test； compaction effect

0引言

自1995年国内开始引入并研制冲击压路机以来，中国迅速成为世界冲击压路机使用最多的国家，冲击碾压技术得到迅速发展，在公路、水利电力、机场建设等方面取得了丰硕成果

[15]。目前，对于冲击碾压技术的研究普遍从冲击压路机的工作原理出发，对冲击力、冲击能量以及有效加固深度等方面进行理论推导和计算，得到相应公式，运用在具体工程中[68]；通过模型箱试验、现场试验等方式对冲击碾压技术在路基、土基工程中的可行性及影响因素进行分析，并对施工参数进行合理优化[

9]；对比冲击碾压法与其他压实法（强夯法、振动法），并进行试验，研究不同压实方法在不同工程中的应用特性[10]。本文以江苏某机场跑道工程为依托，利用正交试验法对影响冲击碾压压实效果的不同因素进行试验研究，对冲击碾压施工参数进行优化。

1试验准备

依托工程地处黄泛冲积平原地区，地形平坦开阔，场区多为晚更新世地层，飞行区跑道长2 400 m、宽45 m，两侧道肩各宽1.5 m。将试验路划分为4段，每段长100 m，松铺厚度分别为60、80、100、120 cm，各断面沿道路中线及左右两侧分别为10、20 m，路基表层位置布设5个沉降观测点，路基底层以下20、50、80 cm处分别布设压实度检测点共15个。采用CYZ25型冲击碾压机施工，其功率为380 kW，势能为25 kJ，压实轮重156 t。

2方案设计

正交试验法在具有多因素多水平优化特征的试验中有广泛的适用性，是一种常用的科学试验方法。基于正交试验设计的思想，结合传统的简单比较法，将本文研究的不同影响因素的水平数设计为松铺厚度4个、冲压间歇时间（超孔隙水压力消散率）6个、冲压遍数5个。试验方案如下。

（1）在一定冲压遍数、间歇时间和不同松铺厚度时，研究路基的冲压效果，得出合理的松铺厚度范围。

（2）合理的松铺厚度且冲压遍数一定时，研究超静孔隙水压力消散率与冲压间歇时间的关系。

（3）研究合理松铺厚度与不同间歇时间、冲压遍数的最优组合。

3结果分析

3.1松铺厚度

由于工程状况、施工机械、冲压方式及路线等不同，相关规范对冲击碾压施工参数并未作出具体要求，参考规范给定范围以及相关研究成果，选取冲压速度为10～12 km·h-1，连续冲压20遍，研究不同松铺厚度路基沉降和土体压实度的变化规律，计算不同取样点各参数均值，结果见表1。

由表1可知，不同松铺厚度路基沉降在冲压20遍后基本稳定，松铺系数为1.24～1.45。当松铺厚度为60 cm时，松铺系数相对较大，压实度较低，不能满足工程需要。由于冲击能量较大，土体中自由水毛细现象明显，出现部分冲散、翻浆现象，因此当松铺厚度不大于60 cm时，不建议采用冲击碾压进行压实。当松铺厚度为120 cm时，路面平整度一般，部分试验段冲碾过程中出现跳车现象，综合经济因素认为，当松铺厚度不小于120 cm时工程实践意义不大。当松铺厚度分别为80、100 cm时，各检测点沉降值、压实度标准差较小，即变化较小，相对稳定，且冲压效果相对良好，不难得出该工况下合理松铺厚度为80～100 cm。

3.2超孔隙水压力消散

选取松铺厚度为90 cm，试验段道路中线两侧15 m、埋深为2～8 m处埋设孔隙水压力计，在冲压前、第一个冲压5遍结束后以及下一轮冲压开始前进行检测，各孔压计值分别为α、β、γ，间歇时间水平为6n（n=0、1、2、3、4、5）。类比能量消散率，定义超静孔隙水压力随冲压间歇时间变化的速度梯度为超孔隙水压力消散率λ，则

λ=γ-ββ-α×100%（1）

以间歇18 h为例，计算得到不同埋深、不同间歇时间超静孔隙水压力消散率的变化曲线，如图1所示。超静孔隙水压力消散率具有一定的时空效应，消散率随间歇时间增长而变大，间歇18 h各层消散率均大于70%，间歇30 h各层消散率均达到100%。

3.3间歇时间和冲压遍数

将70%以上的超静孔隙水压力消散率作为继续冲碾的控制标准，选取松铺厚度为90 cm连续冲压、间歇18 h（消散率大于70%）及30 h（消散率大于100%）的情况作为研究对象，从各检测点的平均沉降量（图2）和压实度（图3）2个指标研究不同超静孔隙水压力消散率和冲压遍数之间的关系。

由图2、3可以看出：沉降量随冲压遍数的增大而变大，冲压15遍前沉降量增速较大，15遍以后增速变缓；冲压15、20、25遍时，沉降量增长率分别约为15%、5%、1%，且5遍冲压沉降累计增量不超过10 mm，符合规范要求；冲压25遍沉降增长率较小，考虑工程效率，建议该工况下合理的冲压遍数为15～20遍。沉降量随冲压间歇时间增长而变大，冲压15遍时，间歇30 h较0、18 h沉降量分别提高了38%、54%。

不同间歇时间的冲压压实度随冲压遍数增大先增大后减小，不同间歇时间下压实度峰值略有不同，稳定在15～20遍，不同埋深压实度值均保持在90%以上，且间歇时间越长压实度越高。间歇时间0 h连续冲压压实度变化峰值出现在第20遍，而间歇时间分别为18、30 h的冲压压实度变化峰值出现在第15遍左右。考虑工程工期及具体压实度要求，应选择适当的间歇时间。本工程选择间歇时间为18 h即可满足工程需要，在该工况下冲压的合理施工参数优化组合为：连续冲压20遍或间歇时间为18 h冲压15遍。

此外，对比不同松铺厚度上中下层土体压实度不难发现，中层压实度相对较大，底层最小，这主要与冲击碾压加固原理和冲击波的传递规律有关，即路基表层土相对松散，冲击能量向下传递至中层最大，至底层时消减。

4结语

通过正交试验法，综合考虑松铺厚度、间歇时间、冲压遍数对路基冲击碾压效果的影响，不难得出以下结论。

（1）使用冲击碾压技术碾压路基时，松铺厚度过小容易出现冲散、翻浆现象，过大则造价高，无应用价值，一般认为合理的冲击碾压松铺厚度为80～100 cm。

（2）超静孔隙水压力消散率具有一定的时空效应，埋深越大，消散越慢，消散率随冲压间歇时间增长而增大。间歇时间为18 h左右，消散率达70%以上；间歇时间为30 h时，各层超静孔隙水压力消散率均达到100%。

（3）冲击碾压压实效果与冲压遍数和间歇时间有关。冲压效果在一定范围内随冲压遍数增加而提高，建议合理的冲压遍数为15～20遍。间歇时间的增加能够明显改善冲压效果，但是综合考虑工期等因素，并保证路基压实度满足要求下，可以“超静孔隙水压力消散率不小于70%”作为判断开始下一轮冲压的标准。对于本文依托工程，相对合理的冲压施工参数为：松铺厚度90 cm，连续冲压20遍或间歇18 h（超静孔隙水压力消散70%以上）冲压15遍。

参考文献：

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[责任编辑：高甜]