路基补强方法探讨

刘军杞;师毓;宋星亮;王彦城;苟颖

【摘 要】本文对目前我国高速公路的路基密实方法及工艺做了分析,对3种方法进行了详细说明,并探讨了对路基补强效果影响的3个参数(含水量、土的类型、压实机械及效能),最后得出在路基压实问题上要综合考虑具体工程的地质条件、道路等级标准和使用要求、现场施工条件等,最终选择适宜的经济方案的结论. 【期刊名称】《建筑机械（上半月）》 【年(卷),期】2018(000)003 【总页数】4页(P50-53)

【关键词】路基补强压实;土壤密实度;岩石填方;振动压路机参数 【作 者】刘军杞;师毓;宋星亮;王彦城;苟颖

【作者单位】云南云岭高速矿业有限公司,云南 昆明 650217;道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西 西安 710064;道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西 西安 710064;道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西 西安 710064;道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西 西安 710064 【正文语种】中 文 【中图分类】U415.6

近年来，随着我国经济的快速发展，全国范围内的高速公路建设进入了跨越式发展阶段［1］。新设备、新工艺的不断应用使得高度公路的建设工期得以大幅缩短，

路面平整度、行车舒适性也有了明显提高。但我们也注意到，现阶段的公路建设速度及规模还远不能满足我国经济发展对物流运输的需求。交通运输量以及大吨位车辆的急剧增加、复杂自然条件的影响，使得路面结构变形和损坏相当严重。此外，高速公路沿线地质复杂，不良地质、地段颇多，在不良土质上填筑路基，按传统的施工方法，路基的压实度很难达到规范要求，且工期较长。路基施工质量的优劣也是影响通车后路面质量的重要因素［2］。我国公路的发展，特别对重载高速线路，无论设计标准还是施工质量，对路基强度和沉降都提出了更高的要求，而路基的这些要求又取决于路基施工中最终达到的密实度，因此研究合理的路基施工及补强方案显得尤为重要。 1 路基材料及密实度性能

一般普通的道路按照其所处的层位和作用，主要可分为原地基、路堤（路基）、水稳层和沥青基。现阶段，我国基础设施建设还处在初级阶段，再加上沥青类路面建设需要消耗大量的原料和材料，我国的公路设计大多采用“厚基薄面”的原则［3］。这种半刚性的沥青路面结构，其强度及稳定性很大程度上依赖于路基和基层的特性。

一般来说，路基密实度的大小反映了路面承载能力的大小。路基的压实度愈小，土壤粒间的空隙就愈大，雨水越容易渗透到路基中，在路基土壤中存留的水份就越多，路基的强度也就越低［4］。另一方面在载荷的作用下，路面也会发生车辙、沉陷等变形［5］。路基的压实度越小，所产生的车辙变形就越大。虽然引起路面变形的原因很复杂，但路基压实度的不足往往是其主要原因［6］。

路基压实度的不足，将逐渐产生不同的竖向变形。路基各处的填土高度不同，在路基的固结过程中，就会出现不同的沉降［4］。填土高度大的部位沉降多，填土高度小的部位沉降少，这种不均匀沉降势必引起路基顶部和路面的凹凸不平。 而路基压实度又是保证路面的强度、稳定性、平整度和耐久性的关键。正因为路基

的压实对公路的质量如此重要，所以《公路工程技术标准》和《公路路基施工规范》新版中都对各等级公路的路基压实度做了明确规定。 2 路基补强方法及工艺

常用的路基补强方法有3种，即强夯法补强、冲击压路机压实以及自行式超重强振压路机压实。

（1）强夯法［7］：指的是为提高软弱地基的承载力，用重锤自一定高度下落，夯击土层使地基迅速固结的方法。利用起吊设备，将10～25t的重锤提升至10～25m高处使其自由下落，依靠强大的夯击能和冲击波作用夯实土层［8］。强夯法主要用于砂性土、非饱和粘性土与杂填土地基。现有经验表明：在1000～6000kN·m夯实能量下，一般可获得3～4m甚至更深的有效夯实深度。这是在重锤夯实法基础上发展起来的一种地基处理的方法，这种方法适用于大型场馆和场地地基的夯实，也可以完成大厚度填层施工。

（2）非圆式冲击法：冲击式压实机的冲击轮外型是由不规则的非圆凸轮曲线构成。在牵引车拖动冲击轮作滚动时，其重心会上下交替变化，产生的冲击波作用于地基，从而达到压实基础的目的。冲击式压路机平均工作速度为10～15km/h。压实影响深度为5m，有效压实深度1m。该方法是上世纪六七十年代由南非兰派公司提出原理设计的，主要用于填海基础压实，存放煤场防火压实，河道基础的压实。最佳碾压遍数为20～30遍。其缺点是只能在大而宽的工作面上工作；加、减速段压实效果差，盲区多；不能往返作业，须反复掉头；对涵洞、边坡及桥头影响大，涵洞、边坡及桥头附近不能施工；表面松散全是坑洞；操作环境恶劣等问题严重影响了其工作性能的发挥。

（3）强力激振法［9］：强振碾压系用大功率超重吨位超大激振力全液压自行式强振压路机对有效填层厚度的铺筑材料进行强振碾压，它不但可以高效充分的压实当前层，而且还可对深达1m的先前层进行补强，这样可以把正常碾压施工和补

强碾压施工进行合理结合，既能保证正常的施工进度，又能有效地保证路基的施工质量。强振碾压原理是由长安大学在本世纪初研发设计的，利用大功率、大扭矩动力和液压元件，驱动振动体高速转动产生离心力，发出与压实材料固有频率相同的强大的振动波，使整体材料在交变作用力下振动，材料内部颗粒间摩擦力减小，整体在自重力和动压力作用下下沉。压实影响深度为6m，有效压实深度1.2m。该工艺特点是振动力和频率可调可控，作用深度大、速度可调、可定位压实、密实度均匀、无工作盲区弱区、操作简单环境舒适，利于操作以及保证施工质量，通过实验证明对土方填方、石方填方、土石混填路段都能取得很好的压实效果，适用范围广。可广泛用于各种公路路基的压实和补强，公路大厚度稳定层的压实，机场场道基础的压实补强，水库大坝和河堤的补强压实，单价为4元/m2，经济性良好。 3 路基压实补强

路基压实补强的目的主要是提高路基的强度、水温性；降低土的渗透性和毛细作用；减少路基的塑形变形、冻膨胀量；提高冻融稳定性［7］。影响路基压实的因素主要有3个：含水量、土的类型和压实机械及效能。

在压实过程中，土壤的含水量对所能达到的密实度起着非常重大的作用，如图1所示。影响最大干密度的含水量存在一个最佳值。当土壤的含水量小于最佳含水量时，土的干密度随着含水量的增加而增大；在最佳含水量时，干密度达到最大值；含水量超过最佳含水量时，干密度随含水量的增加而减小［10］。 图1 含水量与干密度关系

土的种类不同，其最佳含水量以及最大干密度也不相同［11］，土粒间的内聚力和内摩察力也有较大差异。因此在相同压实作用功下，亚粘土及亚砂土的压实性能优于黏土，如图2所示。 图2 不同土含水量与干密度关系

不同的压实机械作业时产生不同的压实效能，土的最佳含水量随压实效能的增加而

减小，而最大干密度则随着压实效能的增大而增加。当含水量一定时，压实效能越大，干密度越高。因而，在补强碾压过程中，可以通过增大碾压设备的重量、振动参数、作业次数来提高路基压实度的效能。

各种不同的压实原理可简化成图3中的静压、冲击和振动3种作用加以说明。 图3 压实原理

土壤处于松散状态时颗粒间间隙较大、分子间相互的粘聚力较小，容易压缩，稍加外力便可让其产生一种无任何有效弹性的塑性变形。随着压实度的增加，土壤颗粒之间的间隙越来越小，相互且形成了一种具有弹性的结构。压实试验表明，土壤中压缩和剪切应力的大小决定着压实表层下面不同深度的土层压实度。

振动冲击对地面比静载荷能产生更大的作用力，从表层传至土层内的压缩或压力波也更深。振动压实工作过程中，用快速连续的冲击波作用于地面，每冲击一次对土壤产生一个压力波，对于非粘性土壤，土壤颗粒在振动波的扰动下处于完全运动状态，颗粒间的摩擦力已被消除，在运动、外力及重力的共同作用下，颗粒被挤压到土体中尽可能低的位置，土壤间的间隙被最大限度的消除。对于粘性土壤，因土壤颗粒间粘着力及内聚力的存在，土壤与振动机械间形成了一个振动--减振机构，土壤在振动作用下产生非塑性变形，在振动移除后，土壤又恢复到作用前的状态。因而，粘性土壤使用振动压实时，除了需要足够的振动冲量来使土壤间的内摩擦减小外，还需要有足够的压强来破坏土壤间的粘着力及内聚力，使之产生永久塑性变形，才能达到压实的目的。因此对于粘性土壤的压实补强，大吨位的振动羊角碾的压实效果比光轮振动压路机要好得多。

而振动压实在碾压砂或砾石的等非粘性土壤作业时，因这些材料具有较低的内聚力，材料颗粒更容易受到振动的扰动，且因颗粒之间的粘聚力较小，各颗粒间几乎是一种刚性结构，这种结构振动能量在传递过程中衰减较小，因而能对更深层的颗粒产生扰动，更容易提高深层的密实度。

4 岩石填方补强

现在穿越岩石的隧道变得越来越普遍，与此同时，岩石用作建设公路的路堤填方，正日渐增加。岩石填方最大的石头直径及其级配，取决于岩石的类型和质量以及爆破的方法。由于岩石填方中含有大量的细石屑，如果不压实就可能发生大量的沉陷。高填方中，在石块相互接触的边缘被碾碎后也会发生下沉。通过多年的试验证明，采用重型大激振力压路机压实岩石填方是最有效的压实补强方法［12］。试验表明，通过有效的压实，岩石的承载力可提高10倍以上。经过良好的压实后的高质量岩石填方承载能力数值在100～150MPa之间。采用振动压实填方岩石有使表面更平整光滑的优点，可以减少重型卡车以及在该区域内工作的其他设备的轮胎磨损。

当压实的岩石填方中细粒含量很高，或填方质量要求很高时，可以采用水冲洗和振压实联合作用，以便获得较好的压实效果。

对于风化的弱石和页岩材料必须经过有效的压实，因水分透过这种类型材料的路堤填方时，可能引起连续瓦解。因此需要的压实也包括把材料扎碎，使材料中所存在的空隙全部填充。振动羊角碾和凸块式压路机可以取得对材料的扎碎和压实的联合作用，具有特殊的适应效果，但铺层厚度有一定限制。 5 振动压路机参数对补强效果的影响

振动压路机压实效果的高低，受下列参数的影响：净重（静线载荷），振动轮数量，频率和振幅，碾压速度，振动轮与机架重量比，振动轮直径，振动轮是驱动轮还是从动轮。

在其他条件不变的情况下，净重（静线载荷）大的压路机压实效果好；采用2轮全振的压路机压实遍数能够减少。试验表明，在碾压土壤时，只有1个轮子振动的压实效果约等于2个轮子全镇的80%［13］；对于路基碾压作业，通常振动频率应选择在25～30Hz［14］；振幅主要影响压实深度，其他条件一定的前提下，

如果将振幅提高，将会获得压实效果和影响深度的显著提高，但对于岩石填方等大颗粒填方而言，还必须有大压力才能有足够的压实；压路机的速度对于土壤压实有着显著的影响，通常路基补强压实作业时，速度不应大于3km/h；机架与振动轮的重量比对压实效果有一定的影响，振动压路机在作业时，振动轮可借助机架的重量压向土壤，从而取得更有规律的振动［15］。但机架重量有一个上限，超过这个上限机架对振动会有一个很大的阻尼作用，路基补强的压路机通常情况下机架与振动轮的重量比应保持在1∶1较为合适。振动轮直径通常与静线压力有关，静线压力高，振动轮直径也必须大。振动压路机的振动轮是主动轮，比振动轮是被动轮对面层发生推料的倾向少。 6 结论

近年来，随着高端液压技术及制造水平的不断高速发展，超重吨位超大激振力全液压单钢轮自行式压路机也已研制成功，并已实现批量生产和使用。普通压路机碾压后在路基顶层和高填方路段采用超重吨位超大激振力的压路机进行补强作业，能有效的增强路基密实度，防止路基的沉降。实践证明，采用超重吨位超大激振力全液压单钢轮自行式压路机对路基进行常规碾压完全可以替代采用普通压路机碾压后再用强夯法或非圆式冲击法进行补强作业的施工工艺，施工质量及经济效益大大提高。路基补强的方法很多，为我们在路基压实问题上提供了众多方法，在进行具体的方案设计时，要对各种方案进行充分研究，然后综合考虑具体工程的地质条件、道路等级标准和使用要求、现场施工条件，选择最适宜的方案。 ［参考文献］

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