沖擊碾壓法的幾點思考

沈禮偉

【摘要】沖擊碾壓法作為一種高效、經濟的壓實技術，已經廣泛應用于各種路基壓實和軟基處理等領域，并不斷被應用于新的領域。軟土地基處理方法包括換填法、強夯法以及沖擊碾壓法等等，而對沖擊碾壓法的研究有很多。本文通過總結歸納對其特點以及研究現狀做了詳細分析，并在此基礎上進行了相應的思考，提出在進行地基處理時的相關見解。

【關鍵詞】沖擊碾壓法

一、沖擊碾壓法概述

沖擊碾壓是利用三邊形或五邊形重輪來產生集中沖擊能量對填筑土石方進行壓實。與傳統的振動壓路機相比，沖擊碾壓將一般碾壓機具的高頻率、低振幅振動改為低頻率、高振幅振動，壓實沖擊能量可增加10倍（以25kJ三邊形沖擊壓實機為例），在2m深度內壓實效果明顯。[1]沖擊碾壓也能有效改善淺部土層的強度和承載力特性，明顯提高淺部土層的強度指標。

二、研究現狀

沖擊壓實技術最早于上世紀50年代由Aubrey Berrange提出，經歷多年研究之后，80年代該技術趨于成熟。90年代之后該技術在全世界范圍內開始推廣，1995年由南非蘭派公司將這種壓實設備傳入我國，引起了我國科技人員的重視，道路與機場科技等人員對它經歷了從不了解到逐步推廣，直到廣泛應用的過程。日本、美國、德國等發達國家在20世紀90年代便將沖擊壓實技術廣泛地應用于機場工程、地基加固、水壩填筑、地基填筑等工程實踐中，并制定了相關的標準。

目前，沖擊壓實技術己在我國14個省、市共60多項工程中得到了應用。這些工程在專業類型方面涉及機場、道路、水壩等。機場工程包括香港新赤臘角機場、首都機場、廣州白云機場、重慶萬州機場、貴州興義機場、新疆且末機場和華北某軍用機場等；在公路方面有八達嶺高速公路、京珠高速公路、河北宣大高速公路和石黃高速公路、寧夏桃同高速公路、甘肅天蘭高速公路、青海以及新疆東部的西徨、馬平高速公路和西塔公路及平阿公路、陜西地區的西禹高速公路和陜北地區的黃延高速公路、廣東莞深高速公路、重慶渝黔高速公路、黑龍江大齊高速公路等高等級公路。[2]在工程性質方面涉及填土壓實、軟土處理、地基補強、破碎原道面等。在土質方面涉及黃土、塊片石、砂土、粘土、軟弱土等。

在黃土地區，由宣大高速公路所得施工技術參數表明，即沖擊碾壓40遍以后，土的干密度增加很少，甚至有稍許減少。不同碾壓遍數下，深度80cm以上的干密度明顯地低于上部的數值，160cm處為1.29-1.41g/cm3和天然狀態的1.29-2.34 g/cm3相差無幾；西惶公路濕陷性黃土地基沖壓處理得到參數，當沖壓遍數由10遍增加到30遍后，地表下80cm以內平均壓實度明顯提高：而80cm-120cm內平均壓實度提高較小。沖壓前后，孔隙比在80cm以內明顯降低：80cm以下無明顯變化。壓縮系數和壓縮模量的影響深度也在80cm左右。從消除濕陷性來看，80cm深范圍內的土體在處理后濕陷性基本消失，80cm之下仍有濕陷性存在。綜合各種指標即得沖擊碾壓法在西寧至惶源高速公路濕陷性黃土地基處理的有效影響深度在80cm左右，沖壓遍數以30遍為宜；馬場垣至平安高速濕陷性黃土地基沖擊碾壓處理的有效影響深度也在80cm左右，而沖壓遍數以30～40遍為宜。

三、沖擊碾壓法加固原理

土體在壓實過程中，壓實機械所產生的應力使一定深度范圍內的土體顆粒重新排列并擠密，土的密度和強度隨之提高，土體漸漸由塑性狀態變為彈塑性狀態，直到彈性狀態。土體只有在彈性狀態下才一能夠承受一定的荷載而不變形。很顯然，加大作用于土體的沖擊能量，可以增加影響深度，提高土體的密實度，從而更容易使上體達到彈性狀態。沖擊碾壓技術正是應用了這種原理。[3]

沖擊壓實機械最顯著的特點是壓實輪形狀是將傳統圓形輪改為非圓形（三邊形、四邊形或五邊形），這種輪子有一系列交替排列的凸點和沖壓面。在行進過程中，由配套的大功率牽引車帶動"凸輪"滾動前進。沖擊壓實輪的凸點交替抬升與下落。從而在行駛滾動中產生集中沖擊能量，同時輔以滾壓、揉壓的綜合作用，連續對土體產生碾壓作用而使土體達到密實。

沖擊壓實機的三葉凸形輪在輪胎式或履帶式牽引機車快速的拖動下運動，其局部面積上發生了瞬間的豎向振動荷載，振動荷載向地基快速傳遞能量，傳給地基的能量是由壓縮波（即縱波）、剪切波（s波即橫波）和瑞利波（R波）聯合傳遞的。體波（壓縮波與剪切波）沿著一個半球波陣面徑向的向外傳播，而瑞利波則沿著一個圓柱波陣面徑向地向外傳播。壓縮波的質點運動是屬于平行波陣面方向的一種拖拉運動，這種波使孔隙水壓力增大，同時還使土粒錯位，土的結構發生變化，由疏松變為緊密；剪切波的質點運動引起和波陣面方向正交的橫向位移；而瑞利波的質點運動則由水平和豎向分量組成。剪切波和瑞利波的水平分量使土顆粒間受剪，導致土的密實。[4]對于均質各向同性彈性空間表面上豎向振動的振源，三種彈性波占總輸入能量的百分比分別為：瑞利波67%，剪切波26%，壓縮被7%。瑞利波占了來自豎向振動的總輸入能量的2/3，該波隨距離的增加而衰減，但比體波慢得多，從而對位于和接近地面的地基土，瑞利波的豎向分量起到松動、降低表層土強度的作用，因此，沖擊壓實后，地基土應有強度恢復期。

四、沖擊碾壓法適用范圍

根據前人大量的試驗研究，地基1.5m深度范圍內沖壓后的波速值比沖壓前波速值有明顯提高，表明沖擊碾壓技術在1.5m深度范圍具有較好的沖壓效果，并在其下約3.0m深度范圍內對地基的壓實度均有一定的提高和影響。并且沖擊碾壓的壓實功率大大地超出常規壓實機械，壓實效果即在較大的深度范圍內整體地提高了地基的壓實度。[5]

宣大公路、西惶公路、馬平公路、西塔公路及平阿公路試驗段所展開的沖擊壓實試驗研究表明，采用沖擊壓實技術處理路段的壓實度、濕陷性、沉降量及孔隙比等指標均表明，在地基土表面1.2m以內，沖壓前后各種指標數值的變化很大，并在沖壓約30遍后，各種指標均能達到要求。而在1.3m以下，沖壓前后各種指標數值的變化很小，并且大多數不能達到要求。因而，沖擊壓實技術只適合于淺層濕陷性及濕軟性黃土地基的處理，且其有效影響深度一般不超過1.2m，沖壓遍數以30-40遍左右為宜。但濕陷性可完全消除的深度僅為80cm。為對振碾的土體進行補充沖擊壓實，定為20遍是比較合適的。補壓的影響深度亦為1.0-1.2m。

五、結論

首先，國內外對于軟土地基處理中的沖擊碾壓法研究已經很多，研究成果豐碩，然而由于各地區環境差異較大，土質條件等因素決定了沖擊碾壓法在不同地區不同的效果，需要更多的試驗更多的研究。其次，根據沖擊碾壓法原理，分析了該方法在軟土地基處理中的特點。最后根據沖擊碾壓法的原理及特點找到該方法對地址等條件的要求，確定其適用范圍。

參考文獻：

[1] 徐超，陳忠青.沖擊碾壓法處理粉土地基試驗研究[J].巖土力學，2011，32（2）：389-392.

[2] 范國兵，張震.沖擊碾壓技術在高速公路軟基處理中的應用[J]. 山西建筑，2011（06） ：120-121.

[3] 徐志開.淺談公路路基施工中的沖擊碾壓施工技術[J]. 科技信息，2011（07）：308-309.

[4] 張周奎，李光明.沖擊式壓路機在路基壓實中的應用[J].筑路機械與施工機械化，2001（6）：37-38.