冲击碾压加固地基机理技术分析

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摘要：本文就冲击碾压加固地基的方法进行的比较系统的阐述，从理论上分析了加固机理，通过工程实例分析了碾压加固地基的优缺点。

关键字：冲击碾压，加固，地基

冲击碾压机械

冲击碾压技术是南非人在上个世纪70～80年代首先提出来的。我国于上世纪90年代也开始使用一种冲击式非园滚轮的压路机（冲击压实机），这是一种不同于传统的静碾压实、振动压实和打夯机压实原理的新型压实设备，在机场跑道和高速公路路基施工中应用较为广泛。

冲击压实机主要由三叶（五叶）凸形轮、拖架、摇臂及附属配件组成。在轮式或履带式牵引机车快速的拖动下，凸形轮在运动的过程中局部面积上发生瞬间的竖向冲击，达到压实的效果。实际工程中冲击碾压经常采用三边形冲击压路机和五边形冲击压路机进行冲碾施工。几种常用机型的主要技术参数如表1-1所示。

表1-1 冲击压路机常用机型主要技术参数

冲击碾压技术是由曲线为边而构成的正多边形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、周期性冲击的三合一的压实方法。它利用三边形或五边形的压实轮的高振幅、低频率的冲击碾压产生的巨大冲击力将土体击实，使地表下深层土石的密实度不断增加，使其由弹塑性状态变成弹性状态，在地基中形成一定深度的连续、稳定的加强层，而且具有克服路基隐患的技术优势，是土石工程压实技术的最新发展。非圆滚轮在工作过程中所贮蓄的能量来源于以下三部分：重心位置提升所积蓄的势能；滚轮以一定速度旋转所提供的动能；滚轮静重在滚动过程中克服土体变形所作之功。显然冲击能量的大小与滚轮的质量、重心的高度、牵引的速度、非圆形轮廓的边数等参数有关。

加固机理

冲击碾压式压实机在牵引机车快速拖动下，凸轮在运动过程中局部面积上发生了瞬时的竖向振动荷载，这与强夯法一样。振动荷载向地基快速传递能量，传给地基的能量是由压缩波（即纵波）、剪切波（S波、即横波）和瑞利波（R波）联合传递的。体波（压缩波与剪切波）沿着一个半球波阵面径向地向外传播，而瑞利波则沿着一个圆柱波阵面径向地向外传播。

纵波和横波的传播速度为

上二式中，VP――纵波速度（m/s）；VS――横波速度；E――介质杨氏弹性模量（kPa）；G――介质剪切弹性模量（kPa）； ――介质泊松比； ――介质密度。

从上式可看出，纵波速度VP和横波速度VS与介质泊松比 密切相关，常见土体的泊松比见表1-2，对于砂土，＝0.22，则有

表1-2 部分土体的泊松比

冲击碾压时的冲击能作用于地基上，在地基中产生体波（纵波和横波）和面波两种，但起加固作用的主要是体波。压缩波的质点运动是属于平行波阵面方向的一种拖拉运动，这种波使孔隙水压力增大，同时还使土粒错位，土的结构发生变化，由疏松变为紧密。剪切波的质点运动会引起和波阵面方向正交的横向位移；而瑞利波的质点运动则由水平和竖向分量组成。剪切波和瑞利波的水平分量使土颗粒间受剪，导致土的密实。

基于以上分析，冲击碾压的加固作用概括为：①压实作用。②土体局部液化。③孔隙水从裂缝中排出，土体固结。④土体触变的恢复过程。

冲击碾压工程技术分析

对于土跑道和跑滑间平地区下的填筑体，采用冲击碾压进行加固处理。考虑到冲击压路机的压实厚度可达1.0～1.5m，因而冲击碾压的分层厚度规定为 1.0～1.5m左右。每个分层直接使用25KJ或32KJ的三边形冲击压路机进行冲击碾压施工，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，效率高，速度快。这种高振幅、低频率的冲击碾压产生的高达200多吨的巨大冲击力使土石混合料中的石块逐渐破碎，改善了土石混合料的级配，石块之间嵌锁密实，土石混合料的密实度和强度不断增加。填筑体承受冲击荷载所产生的沉降变形远大于填筑体自重与外荷载引起的沉降变形，使被冲碾的填筑体更接近于弹性状态，从而避免填筑体产生的差异沉降变形，提高了填筑体的稳定性。

以25kJ三边形双轮冲击压路机在矿渣、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2000~2500kN的冲击力，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，达到重型击实标准90%以上压实度。对有些土石材料的有效压实厚度达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。由于冲击压路机具有碾压速度高（12～15km/h）、碾压影响深度大（原地基的有效压实深度为1.8m，压实度影响深度达4～5 m，填方的一次碾压厚度可达0.5～1.0 m）等优点，它特别适合于大面积填方工程的压实。

对于沟壑纵横的山区，使用冲击碾压要考虑工作面。冲击压路机的行驶速度不宜过快，否则有可能使冲击轮蹦离地面，与地面接触时间变短，而不利于冲击力的传播与土体压实；但速度过慢，冲击能量会变小，压实效果也会降低。

与强夯法的的大厚度(4.0~6.0m)强夯击实相比，使用冲击压路机分层(一般一层厚1.0～1.5 m)冲击碾压土石料填方，能较好地提高高填方填筑体的整体强度与均匀性。正常情况下，地基冲碾20遍后，1.5m层厚范围内压实度均增加3～5个百分点，并形成1.0m~1.5m厚的连续、均匀、密实的加固层，从而使道面下地基的综合强度与稳定性得到全面提高。

参考文献：

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