冲击压实技术在铁路路基工程建设中的应用
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摘要：
本文分析冲击压实机理,表明冲击压实技术具有减少路基工后沉降、提高路基整体强度及加固软弱地基的作用。
中图分类号：F530.31 文献标识码：A 文章编号：
前言：
冲击压实技术是采用冲击压路机对地基土进行冲击碾压, 以提高地基土的密实度及强度的工程施工方法。20世纪以来, 南非国家运输和道路研究所( NITRR) 发明了可供实用的非圆滚轮压路机。1995年初, 冲击碾压技术首次用于香港新机场场道地基压实, 1999年开始在我国大陆广泛推广应用, 并实现该技术施工设备的国产化。近十多年来, 由于该技术在施工效率等方面的优势, 已广泛运用于高速公路路基工程、机场场道地基工程、铁路路基工程及码头等的建设, 并取得了显著的经济效益。
冲击压实技术的特点
碾压速度是决定压路机面积生产率的重要因素之一, 压实深度和铺层厚度也是影响压实效果和压实生产率的重要参数。通常, 振动压路机的最佳碾压速度为3 一6 k m /h, 最佳压实层厚度0. 3 一0.5 m。要提高压实效果和压实生产率, 增强土石体密实度, 减少土石体自重的压密沉降变形, 必须改进压实工艺, 更新碾压技术, 改变碾压方式, 提高碾压速度和压实铺层厚度。冲击压实技术是将当前振动压实的高频率、低振幅改为高振幅、低频率, 在压实作用中较大地增加了对土石方的压实功能。冲击压路机以非圆形轮沿地面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，向下具有地震波传播特性。以25kJ三边形双轮冲击压路机在宕渣、砂砾路基上冲击压实为例，压路机按12km/h速度冲碾30遍后，实测深度0.8m处的平均垂直动土压力为1366kPa，相当于对地面产生冲击力200t~250t，产生的冲击功能达到超重型击实功，可使地下深层土体的密实度不断累积增加，达到重型标准90%以上压实度。有些土石材料性状有效压实厚度达1.5m，比现有振动压实机械有更好的压实功效，使被冲压的土石填料更接近于弹性状态。通过在国内不同地区与不同土石填方路基的试验工程实践已经得到证实。
冲击式压实机是用三边形或五边形“ 轮子”来产生集中的冲击能量达到压实土石填料的目的。冲击压实机可由配套的重型工业拖车在前方牵引, 也可以自行。
检验碾压是冲击压实工作的一个重要内容,25 KJ 压实机的高能量给出相当于冲击力达250 t 以上的重击, 是一种极为有效的检验碾压。只要用冲击压实机碾压10 ~ 15 遍, 所有软弱的或含水量过多的地方都很容易发现, 再碾压几遍就可以补救。高能量冲击压实机在云南、北京、河北、福建、湖南等省、市有关工程的冲击压实试验及冲击碾压中应用, 初步认为对减少路基工后沉降, 提高路基整体强度及加固软弱地基较通常碾压有较大作用, 这对提高当前路基修建质量具有现实意义。
冲压技术的应用
冲击碾压技术由于其碾压效果及工作效率的优势, 已广泛运用于各种工程建设中。主要运用于公路水泥混凝土路面旧路改造压实, 高填方路基压实, 路基及桥梁连接段填方压实等工程。
我国新建铁路设计时速高, 对路基压实要求高, 因采用整体式道床，工后沉降控制严。因此, 在各条新建线路上，大量黏性土地基路堑在换填AB组填料后, 需要对不能满足承载力要求的原地基进行加固处理, 以提高地基承载力, 消除地基的工后沉降。考虑到冲击碾压技术良好的压实效果及压实效率,设计采用冲击压路机对挖方路基地段及路基填料进行碾压。为了在全路工程施工中推广冲击压实技术, 在工程试验段某工点进行冲击压实的工艺试验, 以获取施工工艺参数及经验, 指导后续施工。工艺试验过程中, 进行了大量的室内土工试验, 并测试了原地面和冲击碾压3、6、9遍后, 地基压实系数K、K 30、E vd、E v2, 通过对比分析各碾压前后各压实指标, 探讨适合该试验段的地质条件下的冲击碾压工艺控制参数及施工经验。
1. 冲击压实能够提高硬塑或可塑黏土的黏性土的K 30、E v2和E vd指标。碾压7遍后, E v2、E vd和K 30 是原地面的两倍以上。
2. 冲击压实加固处理饱和或接近饱和的黏性土的效果十分有限。冲击压实3遍后, K 30、E v2和E vd指标相比原地面略有增加, 而后随碾压遍数增加而降低。
3. 冲击压实需要的合理碾压方式。冲击碾压时, 由于冲击碾压的动力作用, 黏性土结构被破坏, 并可能出现局部液化现象。因此, 对于接近饱和的黏土地基, 需要一个合理冲击压实方式。原地基表面冲击压实前的检测指标已基本满足设计规范要求的, 冲击压实3 遍后的检测效果较好, 而随着冲击碾压遍数增加, 检测指标除压实度外全部出现下降。因此, 对于此种工况合理冲击压实为3~ 5遍。而对于冲压前路基指标较差的路段, 碾压7遍后各项检测指标随着碾压遍数的增加仍有增大趋势, 因此, 7遍尚不是其最佳冲击压实遍数。对于饱和或接近饱和的黏性土, 应采用少遍多次的压实方式, 即每次碾压2~ 4遍, 间隔6~ 7天, 待被压实土的孔隙水压力充分消散后, 进行再次碾压2~ 4遍。这相对一次性连续碾压8~ 10遍效果要好许多。
4. 冲击压实的适用范围。冲击碾压前应对场地地质条件进行复核, 以确定是否适宜进行冲击碾压施工。冲击压实对于硬或稍湿的黏性土效果较好。对于饱和或接近饱和的黏性土, 由于缺乏排水通道, 冲击压实时孔隙水压力较高需要较长时间消散, 冲击压实效果十分有限。因此, 此类土在冲击压实时最好能够铺设一层粗颗粒料垫层,既可以起置换的作用, 又起加速排水固结作用。地面以下2~ 3 m 范围内存在软土夹层时采用冲击压实容易造成软土层的触变, 严重时可能引起土体液化, 故不得采用冲击压实。
5. 不同功率的冲击压路机的有效压实深度不同, 施工时先进行试验段的施工, 以确定冲压遍数及冲压碾压施工工艺参数。冲击压路机要起到好的作用, 必须达到一定的工作速度。例如YCT25型冲击压路机速度不宜低于8 km /h。
6. 在构造物附近进行作业时, 要有足够的安全距离；冲击压路机的轮边与构造物应有1m的安全距离，桥涵构造物上填土厚度不少于2.5m。
7.冲击压实加固软弱地基。通常湿陷性黄土地基较多采取强夯法处理20KJ的三边形冲击压路机处理湿陷性黄土路基的有效影响深度为1.1米左右，25KJ为1.4米左右，差异明显；对于一般土质地基的具体数据还未有较为统一的标准，应在具体施工过程中先行铺筑试验路段实地测得，以便分析总结本项目合理可行的施工工艺、监测方法及质量控制标准。较为典型的是在宣化至大同高速公路路基底层湿陷性黄土地基采用2 5K J一T 3 冲击压实机在地表面冲碾40 遍处理，并检测地基下沉量、干密度、湿陷系数、弹性模量等指标。冲碾40 遍后在地表下1 10 cm 内土基平均压实度达到KH91 %, 即原来黄土的干密度PD= 1.35 g/cm3 提高到1.70g /cm3, 其湿陷系数由0.0438降为0.0022, 消除了湿陷性。地表下土基l m 内平均弹性模量达到8 0 MPa 以上。在路基底面下l m 内经冲碾压实, 形成连续、均匀、密实的加固硬层, 其技术指标已完全符合黄土地基加固的质量要求。
三、使用冲击碾压技术的注意事项
1.合理选用机型
目前国内生产冲击压路机有十来个厂家共20个型号，类别繁多，使用不当，很难达到预期的目的，建设单位应加强与设计单位的配合施工人员的联系，协调现场监理人员，密切注意路堤、路床的检验补压与填石、土石混填路堤的分层压实过程，对出现的问题及时解决，保证各工序的顺畅进行。经全国现有的工程实践证明，较多使用25kJ三边形双轮冲击压路机。
2.正确使用冲击碾压施工工艺
双轮冲击压路机应用按通过两次为一遍，压实宽度4m为计算单元，并按前述的施工工艺作业。单轮冲击压路机以通过一次的轮宽为压实计算单位。
3.正确理解冲击碾压有较宽的含水量范围
由于冲击压路机具有高能量的压实功能，相当于超重型击实标准的击实功，达到重型压实度的含水量仅在小于最佳含水量范围内扩大，其大于最佳含水量的范围不会扩大。因此，含水量视土的塑性指数大小，宜控制稠度不小于1.1~1.2，否则厚80cm~100cm土层冲压会形成弹簧土，无法压实。
4..当使用冲击压路机的补压振碾达标路床工程的平均沉降量小于3cm时，不宜再进行冲击碾压作业。
5.在设计中有铺设土工合成材料的路段采用冲击压路机时，土工材料会因冲压而产生波浪起伏，土工材料在路基作用主要是承受拉力，一旦出现褶皱弯曲则会导致土工材料失去作用，因此土工材料一定要在冲压工序完成之后进行。
6.加筋土挡墙路段不宜采用冲击压路机作业。
目前国内冲击压路机主要应用于高速公路土石高路堤的分层冲碾压实，路堤、路床的检验性补压，以及地基加固处理等工程效果较明显的领域。此外，冲击碾压技术在农业、水利、环境工程等方面也有广阔的应用前景。
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