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冲击压路机在路基工程中的应用

  • 日期:2010-6-11 14:56:41  来源:中华铁道网

冲击压路机在路基工程中的应用

周强

摘  要  本文分析了冲击压路机的压实机械及其工作原理,通过在太兴铁路工程中的研究应用,阐明了这种技术在路基补强中的作用。

关键词  冲击压路机;路基工程;应用


1 概论

冲击压路机是一种新式路基压实机械,1997年5月首次在北京八达岭高速公路补强中应用,同时,国内的科研及工程机械单位也开始研制生产,并将产品投放市场,对路基压实质量的提高产生了很强的推动作用。2005年10月,二十局集团工程机械厂生产的冲击式压路机成套压实设备,首次应用于重庆遂渝无碴高速铁路试验段路基施工,取得明显效果。为了有效提高路基压实度,太原铁路局在新建太原至兴县铁路(太原至静游段)采用冲击压实机械进行路基补强,通过路基试验段施工取得试验参数,分析冲击压路机在路基补强中的作用。

2 工程简介

太兴铁路TXXS-2标段多为黄土路基,湿陷等级Ⅰ~Ⅱ级,湿陷性质分自重与非自重两种。根据设计要求,非自重湿陷性黄土路基基底处理措施为:挖方地段:基底冲击碾压20遍;填方地段:基底冲击碾压40遍。自重湿陷性黄土路基基底处理措施为:挖方地段:基底冲击碾压40遍,填方地段:基底采用重锤夯实。以黄土作为填料的路堤,每填筑1.0m追加冲击碾压20遍。本标段冲击碾压面积286639平方米。结合本标段实际情况,在大面积进行冲击碾压作业前,在娄烦车站站场填方进行试验段施工,冲击碾压选择DK78+293~DK78+430段的冲沟内进行。该段为Ⅱ级自重湿陷性黄土,填方地段基底采用重锤夯实。使用挖方土作为填料,按照设计要求黄土路基每填筑1.0m追加冲击碾压20遍。冲击碾压试验在黄土路基填筑完成1.0m后进行。

3 机械构成及压实作用原理

本标段采用的中铁第二十工程局工程机械厂生产的的YCT25(三边弧形)冲击式压路机,牵引机械选用QCY360型冲击压路机牵引机。其冲击轮宽度为2×900mm,质量为16T,最大冲击力能达到25千焦,处理深度最大为5m,动力为400马力。它是集传统的静碾压实、振动压实和打夯机压实三种功能于一身的新型压实设备。

3.1冲击压路机的主要机械构造组成

冲击式压路机主要由“拖架、摇臂、三叶凸形轮”三部分组成,在这三部份之间的相互联结中间设置了多级缓冲结构,牵引轴处采用缓冲弹簧,摇臂限位处采用缓冲橡胶块,另一端采用缓冲油缸和贮能器,冲击轮与拖架之间采用橡胶套连结,摇臂轴处设举升后,冲击轮由拖架上的四个橡胶轮支撑,作为短途转场及跨越桥涵构筑物之用。

现国内所使用的冲击压路机多以“三叶形”为主,由轮式或履带式的大马力牵引车拖动,行驶速度9~15km/h。由于冲击的能量及运行的动力均来自于牵引机械的动力输出,故牵引功率较大,在240~480马力范围内。

3.2冲击压实原理

压路机在工作中,当牵引车拖动三边弧形轮子向前滚动时,压实轮重心离地面的高度上下交替变化,产生的势能和动能集中向前、向下碾压,形成巨大的冲击波,通过三边弧形轮连续均匀的冲击地面,使土体均匀致密。在此过程中,三边压实轮每旋转一周,其重心抬高和降低三次,对地面产生夯实冲击和振动作用三次。具体冲击作用过程可分为两个阶段:

第一阶段

在牵引的作用下,压实轮依靠与地面的摩擦力沿外廓曲线向前滚动,重心处于曲线最低点时,再向前滚动,重心开始上移,牵引力带来的动能转化成压实轮的势能和动能,并且缓冲机构开始作用,使蓄能器的缓冲液压缸收缩,蓄能器蓄能,具体表现为压实轮的运动滞于机身运动。

第二阶段

当压实轮重心处于曲线最高点向前滚动时,压实轮的势能开始转化为动能,蓄能器缓冲液压缸伸张,蓄能器中的压力能释放,转化为压实轮的动能。具体表现为压实轮的运动快于机身运动,补偿前一阶段滞后的位移,而且由于压实轮的特殊结构,其重心除了具有向前的线速度外,还有一个向下的线速度,直至压实轮另一条曲线的最低点接触地面,向下的线速度达到最大,动能达到最大。当压实轮的另一条曲线与地面接触时,开始对地面产生冲击夯实作用。牵引车的工作速度越大,使在第一阶段中蓄能器的缓冲液压缸收缩越大,蓄能越多。在第二阶段中释放的能量转化为压实轮的动能越大,对地面产生冲击夯实的动能也越多,激振的效果也越好。根据经验和冲击式压路机设计行车速度要求,碾压速度以10~12km/h为宜。

对于一般路基的非饱和土,冲压轮着地时由于动能释放,在冲压轮下的局部面积(约0.60m×0.80m)产生瞬时的冲击动荷载,向下传递快速挤密深层土颗粒;同时冲击能量以震动波的形式在弹性半空间中传播,使土颗粒相互靠拢,排出孔隙中的气体与水,土颗粒重新排列而挤密压实。

由此可见,冲击压路机的压实原理可归类为轻型强夯,这种夯法结合了压路机连续工作的特点,即把强夯用夯锤一点一点上下夯击方式变连续滚动式的夯击,故有方便简单的特点及较高的工作效率。

4 冲击压路机的压实功效及经济性能

冲击压路机由于较大地增加了压实功,25KJ三叶形冲击压路机的压实功是振动压路机的10倍,所以压实影响深度及有效压实度都有成倍增加。压实影响深度是5m,有效压实厚度1.0~1.5m,可广泛应用于土石路基的填筑及补强,尤适合于补强(详见下表4-1)。

表4-1冲击压路机与强夯、普通压路机的路基适用性、经济指标的对比

项目

冲击压路机(YCT25)

强夯

普通压路机

压实原理

冲击轮滚动产生的动势能转换成冲击路基的动能,压实路基、冲压能量为25KJ。压实原理与强夯相同。有效压实深度11.50m

用具有较大势能的重锤(10008000KJ)下落转变成动能,对地基产生动荷载及震动波,挤密压实土体。有效加固深度415m

静力压路机为轮下的静压力对路基产生压应力压实土体,有效压实厚度为0.20.25m。振动压路机为振动压力波向深层传递,压实路基,有效压实深度0.3-0.5m

压实工效

工作速度1220km/h。每小时可压实面积为:20000/h。按有效压实厚度1.001.50m,压实20遍计,压实工效为:10001500m3/h

每小时的夯实面积为:1525/h。按轻型强夯加固深度4m计,压实工效为:60100m3/h

工作速度36km/h。按压实厚度0.4m,压实遍数5遍计,压实工效为:240360m³/h

对路基的适用性

适用于路基补强及土方填筑(需普通压路机预压),压实厚度对路基比较合理,施工速度快。最大压实度可超过95%,可形成一层密实硬壳。

仅能适合于路基的原始基础处理及有比较宽工作面的路基处理,施工速度很慢,加固厚度在多数情况有浪费,压实度可超过95%

适合于各种情况下的路基填筑压实,但须严格按平行作业法分层碾压。最大压实度可达95%

经济指标

施工单价6/㎡。每套机械单价80100万元。机械构造简单,维修方便。

施工单价9/㎡。每套机械单价约2040万元。起吊夯锤的起重量设备利用率较低。

施工单价约3/㎡。每台机械单价约3050万元。机械可靠性较好,维修较复杂。


通过表4-1的对比分析可看出:冲击压路机是一种比较适合于路基的高效压实机械,综合技术经济指标在土石路基上优于普通压路机。

5 在太兴铁路路基补强工程中的应用情况

为了有效提高路基压实度,确保太兴铁路的路基质量,结合施工现场实际,选择在娄烦站路基填方施做试验段,对冲击压实的规律进行了一系列的试验研究。

5.1试验段的选择及机械选型

1、根据补强施工路段的实际情况、试验任务要求并结合现场施工进展情况,将试验段选择在无埋设涵洞等构造物的地段。试验段两端留有足够的转弯减速与加速长度。试验段长度137m,全幅宽度172m。

2、 碾压参数和检测次数

冲击压实施工机械采用铁道部第二十工程局机械厂制造的YCT25型冲击压路机,自重16t。两个冲碾轮为三瓣式凹凸轮,冲击能量25KJ。牵引机械选用QCY360型冲击压路机牵引机,碾压机械行驶速度为10~12km/h。

冲碾机械行驶一圈后,根据实测轮迹分析,每个轮瓣产生的轮迹(夯坑)长a=0.7m左右,宽度b=0.8m,双轮外缘总宽2.70m。辗轮每转动一圈前进6.30m左右,产生3个a×b=70×80cm矩形轮迹(夯坑),碾压第一遍时,前后轮迹中心点纵向排距S1=3,a=2.10m,平行轮迹中心点横向行距S2=2.375,b=1.90m。第二圈右轮迹插入第一圈双轮迹之间时,则形成横向排距S1=0.95,a=0.76m,纵行距S2=1.25,b=0.875m的梅花状轮迹。在冲击碾压前原始状态下先检测一次,每冲击碾压一遍进行一次检测与观测,试验段共碾压20遍。采用多种综合手段进行试验检测,每遍检测内容为:压沉量观测、核子密度仪检测、灌砂试验。

5.2试验段检测结果述评

试验段为高填方路堤,该地段位于横向大冲沟内,冲沟底口宽92m,上口宽137m,路堤坡脚全宽172m。路基填料为挖方利用土,为第四系上更新统砂质黄土,具湿陷性。

1、不同碾压遍数的压实度随深度变化规律

碾压前(0遍)和碾压8、16、20遍时各检测点平均压实度随深度及碾压遍数变化统计结果见表5.2-1。


表5.2-1压实度与碾压遍数统计结果

指标/深度

压实度K

0

8

16

20

0.20.4

0.91

>1

>1

>1

0.40.6

0.91

0.93

0.95

0.98

0.60.8

0.92

0.92

0.93

0.97

0.81.0

0.92

0.93

0.94

0.95

检测结果表明:

(1) 冲碾前采用普通振动压路机碾压方法施工后,成型路基压实度满足规范要求的0.9压实度标准。

(2) 冲碾后在0.8m深度内,压实度随碾压遍数增加而明显增大,深度愈浅,压实度增长幅度愈大。1.0m深度处,压实度随碾压遍数增加增长不明显。碾压20遍以后,1.0m以上深度路基压实度达到0.95以上的质量标准。说明该试验段冲击碾压在1.0m加固深度内是有效。

(3) 碾压20遍后,有效加固深度范围内压实度没有明显增长,说明冲击碾压对路基补强施工采用20遍是适宜的。

2、路基压沉量随碾压遍数的变化规律


碾压前和碾压8、16、20遍时各观测点平均压沉量统计结果见表5.2-2。

表5.2-2平均压沉量观测结果

断面号

8

16

20

累计值

DK78+320

3.57

1.42

0.49

5.48

DK78+360

3.45

1.34

0.07

4.86

DK78+400

3.83

-0.61

1.76

4.98

平均值

3.62

0.72

0.77

 

累计值

3.62

4.34

5.11

 

测试结果表明:

(1) 检测段为填方路堤,已经振动压路机压实,冲击碾压后有一定的压沉量。碾压20遍后,一般最终压沉量累计达4.86~5.48cm。

(2) 随着碾压遍数的增大,压沉量有不断增大的明显规律,碾压8遍压沉量增长幅度最大,8遍后压沉量增长幅度锐减并渐趋为定值。

(3) 由于冲击碾压期间时逢降雨,路堑排水渠道积水侧渗导致DK78+400处含水量增大,在碾压16遍后即出现反复鼓胀隆起,经冲碾后局部含水量偏高区产生橡皮土。说明冲击碾压可以检验出饱水软弱路基。

3、冲击碾压前后路基的水稳定性变化

试验区原砂质黄土具湿陷性,湿陷性土层分布厚度大于2.0m,冲击碾压处理范围为1m,为评价冲碾补强路基在饱水条件下的稳定性,将采取的冲碾前和冲碾8、16、20遍后路基1.0m深度内的原状样进行室内湿陷性试验。将试样在天然湿度下逐级加压至200KPa稳定后浸水,测定其湿陷系数。

表5.2-3路堤各深度平均湿陷系数

深度(m)

0

8

16

20

0.20.4

0.013

0.011

0.006

0.004

0.40.6

0.016

0.011

0.010

0.009

0.60.8

0.021

0.018

0.016

0.011

0.81.0

0.019

0.015

0.014

0.012

试验结果表明,冲碾补强前路基土0.6m以上不具湿陷性,0.6~1.8m深度湿陷系数δs均大于0.015,具轻微湿陷性。经碾压20遍后,1.0m以上地基土的湿陷性基本消除,说明冲击碾压对1m深度范围内路基土的水稳性有明显提高。

6 结束语

冲击碾压作为路基补强的重要手段,从机械设备的选择,冲击碾压的遍数,到冲击压路机的合理走行速率,冲击碾压后的处理,后续的质量检查等环节,都必须严格按照标准操作。

通过太兴铁路路基试验段的工程实践表明,冲击碾压工艺与普通振动压实相比,可以明显提高路基的密实度,基本消除湿陷性黄土的湿陷量。在同等施工条件下,经过试验检测证实,其压实度由原来的90%~92%提高到95%~100%,湿陷系数由原来的0.013~0.021降低到0.004~0.012。通过对太兴铁路黄土路基试验段冲击碾压工作的实践,初步掌握了冲击碾压的施工经验,可为后续大面积黄土路基冲击碾压施工提供借鉴。

参考文献:  

1、 铁道部工程管理中心   《客运专线铁路地基处理技术手册》 中国铁道出版社   2009
2、 铁道部第一勘察设计院 《铁路工程地质手册》             中国铁道出版社   2010

 

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