路基冲击碾压施工工法.docx
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路基冲击碾压施工工法
路基冲击碾压施工工法
王汝俊
核工业西南建设集团有限公司610021
1前言
冲击压路机是一种新式路基压实机械，通过冲击碾压对路基压实质量的提高产生了很强的推动作用。
路基冲击碾压施工工艺在高速公路中的运用，是高速公路压实技术的最新发展。
近年来，在高速公路施工中，为提高路基施工质量，加速路基沉降，减小路基工后沉降，一般都要求对路基进行冲击碾压。
我公司在本辽高速公路路基工程第19合同段及伊墩高速第二合同段施工中，通过施工实践、总结，对该施工工艺已经熟悉、掌握并形成了本工法。
2工法特点
2.1冲击碾压的施工速度快，效率高，冲击碾的速度一般在12—20km/h，尤其对较长、较宽的路基段落，效率更高。
2.2作用范围大，冲击碾的压实影响深度在1—1.5m，比传统的压实机械有更好的压实功效，有效解决普通压路机需要严格控制层厚的问题。
2.3工费较低，按冲击25遍计算，每平方米费用约2.5元。
2.4控制工后沉降和不均匀沉降，提高路基的整体强度，保证公路的使用质量。
3适用范围
3.1本工法适用于地基冲碾，各种填土、填石的各级公路路基分层碾压，路堤（床）补压。
3.2自行式冲击压路机单块最小冲压施工面积不宜小于1000m2,牵引式冲击压路机单块施工面积不宜小于1500m2。
较窄的工作面但设置了转弯道的最短直线距离不宜小于100m,宽度不宜小于6m。
此处所指的工作场地面积是指排除了需避让的构造物之后的能够冲压的净面积。
3.3如下情况不宜采用冲击碾压
3.3.1加筋土挡墙路段不宜采用冲击碾压；
3.3.2旧路改建中遇到的挡墙、桥梁和涵洞等的承载力不足以承受冲击碾压荷载需加固的路段；
3.3.3含水量超出范围经试验验证效果不明显的路段；
3.3.4路堤（床）增强补压试验段冲击碾压20遍后平均下沉量≤3cm的路段。
4工艺原理
冲击碾是由牵引车带动非圆形轮滚动，多边形滚轮的大小半径产生位能落差与行驶的动能相结合沿地面对土石材料进行静压、搓揉、冲击的连续冲击碾压作业，形成高振幅、低频率的冲击压实原理。
目前以25KJ三边形双轮冲击压路机使用最多，其双轮静重12t，行驶最佳速度为12km/h，对地面产生集中冲击力2000～2500KN，相当于1111～1543kPa。
这种高能量冲击力周期性连续冲击地面，产生强烈的冲击波，向下具有地震波的传播特性，产生的冲击碾压功能达到超重型击实功，可使地下深层的密实度不断累积增加，视不同土石材料性状达1.0～1.5m，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，显示出克服土石路基隐患的技术优势,是土石工程压实技术的最新发展。
三边形双轮冲击碾在工作中，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，使土体达到均匀密实。
在冲击碾压过程中，三边弧形轮每旋转一周，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。
具体冲击作用过程为：
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。
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。
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，蓄能器的缓冲液压缸收缩越大，蓄能越多，释放的能量转化为压实轮的动能也越大，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25KJ三边形双轮冲击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，排出空隙中的气体与水，土颗粒重新排列而挤压密实。
5施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程见图5.1
不合格
不合格
合格
图5.1施工工艺流程图
5.2施工方法及主要工序操作要点
5.2.1施工准备
对需要进行冲击碾压的地段，进行清理整平，以保证均匀传递较大的冲击力，使冲击碾压达到最佳效果，在无法转弯的地段还要修筑转弯道，以利冲击压路机转弯行驶。
同时，对冲击碾压机械的性能进行了解、熟悉。
然后在现场实际布置沉降观测点，可以通过白灰布点，也可以利用全站仪实际测量坐标，这样更加准确。
选定试验路段进行冲击工艺探索，确定最佳冲击碾压遍数。
5.2.2测量放样
对已整平的路基进行放样测量，测量冲压前的标高，以确定冲压后的冲压沉降量。
5.2.3试验段布置
无论是地基冲碾，还是路基分层碾压，其冲击碾压工作段的长度一般要求宽度大于24m，长度大于250m。
按照每20m设置一个检测断面。
每个沉降检测断面布置3点，分别为路基的左、中、右三点（边点距离路基边1m）。
用全站仪测量沉降观测点的坐标并记录，以便冲击完成后按照此坐标进行放样和标高测量。
在碾压过程中按照每5遍检测一次压实度及沉降，并详细记录数据，同时对检测数据进行整理分析，确定最佳碾压遍数以指导冲击碾压施工。
5.2.4其余段落施工
按照试验段确定的施工工艺进行冲击碾压，施工过程中可根据各个段落的试验检测情况对冲击遍数进行调节。
最终以试验检测数据为准来确定是否完成冲击碾压。
5.2.5具体冲碾过程
1）冲碾时压路机先从路基一侧边缘行驶，行至终点时转弯反向沿线路中心向起点行驶，行至起点再转向路基边侧行驶，牵引车行驶使压实轮的轮迹应重叠二分之一以上，以保证弧形轮中间的部分被冲碾到，就这样一环一环的进行。
当压路机轮迹到达另一侧边缘时完成冲碾一遍，如图5.2示。
由于压实轮弧形的构造特点，冲碾一遍结束时仍有部分路基未被冲碾到，此时应接着进行第二遍、第三遍……，每冲击5遍，试验检测检测沉降量、压实度、含水量、最大干密度、孔隙比等数据。
如果此时的土体含水量小于土体的最佳含水量时，则要用推土机、平地机整平，根据计算补充洒水，保证土体处于最佳含水量、地基湿润、不出现松散层、水分充分渗透后再继续冲压，进行压实度和高程检测。
2）冲击碾压10遍、15遍、20遍、25遍、30遍后分别检测一次压实度、湿密度、最大干密度、孔隙比、湿陷系数、总的沉降量等数据。
3）各种数据整理汇总后得出结论以便指导大面积施工。
4）冲碾注意事项
⑴当冲击压路机冲压若干遍后，若场地波浪起伏过大，立即停止施工，用
推土机推平整以后再继续施工。
当表层土的含水量过少，扬尘情况严重时，则停止施工，用洒水车进行喷洒后再继续施工。
压实过程中表层产生波浪形起伏后，碾压时要有意识地调整转弯半径，冲击波峰，即进行错峰压实，以做到压实质量的均匀、满压。
在每碾压五遍后要调整为反方向冲击碾压。
对于含水量较高的情况注意防止施工中出现“弹簧”现象，如果出现弹簧现象可暂停施工，待含水量降低、强度恢复后再施工或采用挖除换填方式处理。
⑵测点平面位置保持不变，在施工过程中，应保证测点位置的固定。
5.3冲击碾压遍数
5.3.1冲击碾压遍数的定义：
双轮冲击压路机的冲击轮宽度为0.9m，两轮隙宽度为1.16m，双轮外边缘的宽度为2.96m时，冲碾1次的计算碾压宽度为2m，经错一个轮宽碾压，冲碾1个来回后，计算碾压宽度4m，按此方法计算，整个场地全部压完1次算一遍。
5.3.2对于软基地段上面铺筑石碴的路基（石渣厚度一般在50～70cm左右），一般要冲击碾压一次，冲击碾压遍数为15～20遍。
5.3.3对于一般路段（路堤高度4m以下）的Ⅱ级（含Ⅱ级）以下的湿陷性黄土地基处理，要冲击碾压20～25遍。
5.3.4对于地基为路基填土高度在3～6m者，在路基填筑至路床顶20cm时进行冲击碾压一次，冲击碾压遍数为10～15遍；路基填土高度在6～10m者，在路基高度填筑到一半时冲击第一次，填筑到路床顶20cm时冲击第二次，每次冲击碾压遍数为15～20遍。
5.4劳动力组织
劳动力配备表表5.4
人员分类
人数
工作
备注
现场负责
1
负责施工现场指挥、协调
生产副经理
技术员
1
负责施工现场技术
技术主管
测量人员
3
负责施工测量
试验人员
4
负责试验检测和控制
机械司机
根据现场实际
操作冲击碾
杂工
2
协助试验挖坑
6材料与设备
6.1路基填土材料
用于路基土方填筑时，黏性土、砂砾石和土石混合填料宜采用冲击碾压，冲击碾压前要做试验段，根据实验结果确定碾压遍数和沉降量，砂性土质段不能采用冲击碾压，对掺石灰或水泥改良的路基土方，改良后不应再进行冲击碾压。
6.2机械设备
工程机械配备表表6.2
80推土机
1台
ZL50装载机
1台
PY180自行式平地机
1台
20t振动压路机
1台
25KJ冲击压路机
1台
洒水汽车
1辆
8T以上自卸车
4台
卡特320挖机
1台
试验仪器配备表表6.3
ф150灌砂筒
4套
土工标准筛
1套
精度0.1g电子天平
1台
10kg案秤
1台
全站仪
1台
50m钢尺
1个
水准仪
1台
7质量控制
7.1做好试验路
7.1.1试验路的检测项目见表7.1.1
试验路的检测项目表表7.1.1
应用范围
项目
地基与路堑冲压
土石混填、填石路堤分层冲压
路基冲击补压
层厚
必做
沉降量
必做
必做
必做
压实度
必做
必做
必做
土的物理力学参数
选做
选做
选做
贯入值（DN）
必做
选做
选做
承载力
选做
土质振动速度测量
选做
选做
7.1.2检测项目要求与频数
1）沉降量
定点沉降量检测包括冲碾前及每冲压5遍后的标高，检测样本数不少于20个，水准仪的测量精度不大于1mm。
对于地基冲碾、分层压实、路基（或路床）的补压应根据试验大纲的图示要求宜用长6cm铁钉系红布条作明确标记，准确定点。
平地机刮平对应注意保护”带有红布条铁钉的检测点,即在检测点周围20cm的地方不得扰动。
2）DN值
粒径大于5mm的含量不超过30%时可采用DCP检测，DN值的检测频率与压实度相同，测点数6个左右。
3）压实度
压实度检测的样本数不少于4个，具体的检测位置见表7.1.2
压实度检测位置表表7.1.2
项目
测点竖向位置
检测时间
地基和路堑冲压
表面下20cm、50cm、80cm、120cm
冲击前及每冲压10遍
土石混填、填石路堤分层冲压
表面下20cm、层厚的中间、层底上10cm
冲击前10遍及以后每冲压5遍
路基增强补压
表面下20cm、50cm、80cm
冲击前10遍及以后每冲压5遍
注：
本表所指的测点位置指的是灌砂或环刀的中间位置。
4）土的物理力学参数
土的物理力学参数根据土质类型与工程要求确定，其基本物理参数有：
天然含水量（%）、液塑限、天然密度（g／cm3）、粒径组成；力学参数有：
压缩系数α、压缩模量Es、粘聚力c、内摩擦角φ、湿陷系数δs。
检测项目与数量可根据工程需求确定。
5）层厚
压实层厚在60cm—l00cm之间，根据具体情况选择2-3个不同的松铺厚度试验。
7.1.3控制路基土冲压含水量，做好试验结果分析
1）对各参数试验结果的分析按试验目的进行。
各检测参数应及时进行整理分析，汇总成图表，表7.1.3是不同冲压用途的各关系曲线。
不同冲压用途所包括的关系曲线表7.1.3
用途
地基和路堑冲压
土石混填、填石路堤分层冲压
路基冲击补压
关系曲线
A、B、C、D
A、B
A、B、C
备注：
A：
冲压遍数-沉降量曲线；B：
冲击遍数-压实度曲线；
C：
冲压遍数-DN值曲线；D：
压实度-湿陷系数曲线（仅对湿陷性黄土）；
各种关系曲线示例（以湿陷性黄土为例）
（1）压实度：
图7.1.1冲击遍数-压实度曲线关系图
从图7.1.1中可以看出，冲击遍数的增加，各个层次的压实度均有明显的提高，离表层20cm处尤为突出，冲压20遍后压实度增加值达到了20个百分点以上，但当土粒密实度达到一定的上限后，即使冲击次数增加，冲击的效果也不明显。
图1中冲击第21遍至25遍虽然深度为20cm的密实度有所增加，但50、80、100cm深度的密实度从整体意义上来讲变化不大，由此说明：
冲击碾压施工工艺对地基表层以下20—100cm的密实度具有明显的改善效果，但当密实度达到一定的上限后，即使增加冲击遍数，冲击效果也不明显，从经济角度来讲，无非是增加施工成本，这是不科学的。
（2）DN值：
图7.1.2冲击遍数-DN值关系图
DN值是反映：
“每锤击一次的下沉量（单位为mm/blow）”,而下沉量越小体现的承载力越大。
将图7.1.2结合图7.1.1可以看出：
DN值较其它试验数据表现出较大的离散性，但还是能明显的表现出曲线趋势：
地表以下20cm的承载力最大，随着冲击遍数的增加，压实度增大，DN值逐渐减小，它们成反比关系，由此说明：
地基承载力随着冲击遍数的增加而递增。
（3）相对湿陷系数：
图7.1.3压实度-湿陷系数曲线关系图
通过对冲击碾压25遍后的土样进行相对下沉系数试验，试验结果表明：
采用25KJ的拖式冲击压路机对湿陷性等级在Ⅰ～Ⅱ级的黄土地基进行冲击碾压25遍后，随着冲击遍数的增加，湿陷逐步消除。
含水量大不一定是造成湿陷的主要原因，含水大的土常年被水浸泡，对水产生了一定的抵抗作用。
相对湿陷系数是检验土在水中的变形量，从图7.1.3中冲击第11遍至15遍数据可以得出，虽然冲击遍数增加，但土消除湿陷较小，原因是冲击第11遍至15遍的检测时间间隔不足半天，土中超静水压力未来得及消除，而第16遍至20遍的冲击时间间隔为5天，土中的超静水得到充分消散，故土的湿陷消除大。
（4）沉降值：
图7.1.4冲碾遍数沉降关系图
在冲击碾压25遍的过程中，对每冲碾5遍的沉降值进行观测，观测结果表明：
采用25KJ的拖式冲击压路机对湿陷性等级在Ⅰ～Ⅱ级的黄土地基进行冲碾25遍时，第1遍到5遍冲击沉降量最大且达到6.5cm，第21遍到25遍时沉降量只有2.4cm。
得出结论：
随着冲击遍数的增加，沉降量越小。
2）冲击碾压土的含水量范围要求如下：
（1）细粒土含量≥50%，wopt-4≤w≤wopt+2；
（2）细粒土含量<50%，wopt-3≤w≤wopt+2；
（3）高液限土的冲击碾压的含水量上限可放宽至28%；
（4）含水量超出此范围的可根据实际情况经试验验证后确定控制范围。
7.2做好路基压实措施
7.2.1路基填筑前按《公路土工试验规程》规定的方法进行颗粒分析、含水量与密实度、液限和塑限、有机质含量、承载比（CBR）试验和击实试验。
做好试验路段，确定压实设备类型、最佳组合方式、碾压遍数及碾压速度、每层填料的松铺厚度、填料的含水量等参数，以便大面积实施。
7.2.2填筑施工时按标准化施工工艺作业。
7.2.3填筑前，根据不同的地质情况，选择相应的设计措施进行基底处理。
按照施工规范严格施工。
并做好路基两侧的排水沟工程，防止雨季或其他地表水侵蚀路基。
7.2.4严格控制填料质量，当填料不合格时，弃掉或进行改良处理。
7.2.5填筑应从最低点起全断面水平分层填筑，采用重型压路机和凸轮式压路机分层碾压密实，严格控制填料松铺厚度和碾压遍数。
7.2.6填土路基填筑摊铺时，施工面要形成2～4%的人字形坡，防止雨后出现积水；含水量控制在最佳含水量-3%～+2%时进行碾压。
8安全措施
8.1主要安全风险分析
8.1.1冲击碾在转弯和碾压边部时，如果行走线路有偏差，有可能发生机械倾覆等危险。
8.1.2在运行过程中友可能撞到旁边的其他施工人员，造成人员伤亡事故。
8.2保证措施
8.2.1严格执行技术交底，对各种机械设备制定专门的操作规程和安全手册。
8.2.2用白灰线提前标示出冲击碾压行走范围，让司机一目了然，可有效防止机械倾覆事故发生。
8.2.3周围人员时刻注意自身安全，同时由专人机械指挥，随时提醒。
8.2.4对结构物处设立警戒安全标志，防止对结构物造成损伤。
9环保措施
9.1施工前查明冲击碾压范围内的地下管线及附近各种构筑物，并应根据构筑物的类型采取相应的保护措施如开挖隔振沟进行防震，机械改线或者拆除，确定安全距离以保护构筑物。
9.2冲击碾压施工场地的附近有构造物时，应注意观察，发现异常情况时，应立即中断施工，以避免构造物损伤。
9.3施工过程中合理安排施工时间，减少噪音与振动对环境的影响，对扬尘应洒水降尘。
10效益分析
10.1使用冲击压路机分层冲击碾压高路堤与补压振碾达标路床工程，能较好地提高路基的整体强度与均匀性，有利于避免路面的早期损坏，延长路面的良好服务水平。
10.2通过冲击压实的施工可以加速路基的下沉，减少路基的工后沉降。
10.3经冲碾的路段的密实度明显得到了提高，暴雨过后，冲碾路段与未冲碾路段比较，经冲碾的路段表面坚实，雨水难以渗入，行车不易打滑和湿陷。
冲击碾压后的路基的压实质量，能够保证，而且费用不高。
11应用实例
11.1本辽高速公路路基工程第19合同段，2005年11月～2006年7月石渣隔离层施工中，旱地填筑50cm山皮石约78000m2，水田填筑70cm山皮石约117000m2，采用冲击碾冲击20遍后施工路基填方。
路基填筑每10层冲击碾压一次，提高了路基的强度和稳定性。
11.2伊墩高速第二合同段，由于主线路线沿线土质均为低液限粉土或粘土，根据地勘报告，全线且多为Ⅰ、Ⅱ级非自重湿陷性土，为确保清除表土后的路基基底得以充分压实，消除湿陷性，均采用冲击压实。
2011年8月～9月，项目部对可以施工的路段近50000m2进行了冲击碾压，达到了设计上要求的“冲击压实最小遍数不得小于20遍，冲击压实后地基以下1m深度范围内的压实度不应低于90%，湿陷系数应小于0.015。
”的要求。
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