司癸卯，張 成，張燕飛

（長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

橋涵臺(tái)背的回填作為路基施工的一個(gè)質(zhì)量控制難點(diǎn)，一直以來(lái)都是每個(gè)項(xiàng)目建設(shè)的重點(diǎn)關(guān)注工序.在工程施工中必須高度重視橋涵臺(tái)背的回填質(zhì)量，以減少工后路基的不均勻沉降，避免路面斷裂、橋頭跳車現(xiàn)象的發(fā)生.然而橋臺(tái)涵背處往往比較狹窄，大型壓實(shí)設(shè)備運(yùn)行不便，小型壓實(shí)設(shè)備壓實(shí)能量較低，無(wú)法達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度，因此施工難度較大.快速液壓夯實(shí)機(jī)利用沖擊能產(chǎn)生強(qiáng)度極大的力流，與同功率的靜壓機(jī)械相比，其結(jié)構(gòu)更為緊湊，轉(zhuǎn)場(chǎng)更為方便，在特殊路段的地基處理中有著廣泛的用途.

本文運(yùn)用波動(dòng)力學(xué)理論對(duì)快速液壓夯實(shí)機(jī)的沖擊過(guò)程進(jìn)行了分析，得出了等波阻夯錘作用時(shí)位移函數(shù)、速度和系統(tǒng)效率的計(jì)算公式.同時(shí)在廣西六景至欽州高速橋頭路基處治施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了壓實(shí)度實(shí)驗(yàn)，對(duì)路基實(shí)際沉降量和壓實(shí)度進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析.

1 快速液壓夯實(shí)機(jī)的波動(dòng)力學(xué)分析

加固深層地基常用的方法是強(qiáng)夯法.該方法由法國(guó)工程師MENARD L于1969年首次提出，并在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用［1－3］.快速液壓夯實(shí)機(jī)夯錘在油缸的作用下，提升到設(shè)定的高度，然后在特殊的液壓系統(tǒng)作用下，以大于自由落體速度下落，夯擊底座并與底座一起對(duì)地基進(jìn)行夯實(shí).快速液壓夯實(shí)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)夯實(shí)，夯實(shí)能量和作用次數(shù)可自行設(shè)定.英國(guó)建筑研究所研究表明：快速液壓夯實(shí)機(jī)所采用的動(dòng)態(tài)夯實(shí)技術(shù)填補(bǔ)了傳統(tǒng)的表層壓實(shí)技術(shù)和強(qiáng)夯技術(shù)之間的空白.

根據(jù)文獻(xiàn)［4］可得：對(duì)于二元沖擊系統(tǒng)，無(wú)論是彈性、塑性、黏彈性或黏塑性介質(zhì)，矩形波是合理的加載波，與矩形波相對(duì)應(yīng)的等波阻夯錘是合理夯錘.基于以上結(jié)論，設(shè)計(jì)出了夯錘與底座近似為等波阻的快速液壓夯實(shí)機(jī).其工作原理圖如圖1所示.現(xiàn)做如下假設(shè)：

（1）底座可以視為彈性桿，忽略桿截面的橫向運(yùn)動(dòng)（桿中應(yīng)力波波長(zhǎng)比桿的橫向尺寸大10倍以上時(shí)，橫向運(yùn)動(dòng)是可以忽略的［5］），以保證夯錘與底座撞擊產(chǎn)生的入射波不受反射波的影響，入射波波形不變地傳播到底座與工作介質(zhì)的交界面上.

圖1 快速液壓夯實(shí)機(jī)工作原理圖Fig.1 Work principle diagram of high-speed hydraulic tamper

式中：P為沿x軸正向傳播的順波；Q為沿x軸負(fù)向傳播的逆波；Z為彈性桿的波阻，Z＝ρcA，c為縱波波速.由此可知波動(dòng)方程的通解是由兩個(gè)行波疊加而成，這兩個(gè)波均以不變的波速c沿某坐標(biāo)軸傳播，傳播方向相反［6］.

將初始條件代入方程（1）和方程（2）可得

工作介質(zhì)為黏彈性介質(zhì)，其動(dòng)態(tài)特性方程為

式中：F1為土壤受到的作用力；K為土壤的剛度；u為系統(tǒng)位移量；Jp為土壤黏性阻尼系數(shù).

由式（1）和式（4）可得二元沖擊系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為

其初始條件為t＝0，u＝0.

方程（5）為一階常系數(shù)線性微分方程，其通解為u（t）＝Ce－∫f（t）dt＋e－∫f（t）dt∫g（t）e∫f（t）dtdt，其中C為積分常數(shù)，f（t）＝K/（Jp＋Z），g（t）＝2P/（Jp＋Z）.

將式（3）和邊界條件代入方程通解得系統(tǒng)位移為

對(duì)式（6）求導(dǎo)可得底座夯擊時(shí)的速度公式為

由定義可得系統(tǒng)效率為

式中：γ為系統(tǒng)與彈性介質(zhì)的匹配系數(shù)，γ＝Z2/mK；ζ為量綱一阻尼系數(shù)，ζ＝Jp/Z.

通過(guò)運(yùn)用波動(dòng)力學(xué)理論對(duì)快速液壓夯實(shí)機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行分析，可以看出：沖擊過(guò)程的位移、速度和效率不僅與自身的參數(shù)（如夯錘高度、系統(tǒng)的加力系數(shù)等）有關(guān)，還與土壤的剛度和黏性阻尼系數(shù)密切相關(guān).因此，該動(dòng)力學(xué)模型基本反映了夯實(shí)機(jī)工作情況與機(jī)械性能及土壤參數(shù)的關(guān)系.

2 工程試驗(yàn)

為了測(cè)試快速液壓夯實(shí)機(jī)的性能，檢驗(yàn)其對(duì)土壤的壓實(shí)效果，本文進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn).本次使用的快速液壓夯實(shí)機(jī)總質(zhì)量為20t，夯錘質(zhì)量為3t，底座直徑為1 000mm，最大夯擊勢(shì)能為36kJ，最大夯擊勢(shì)能時(shí)的頻率為20次·min－1，夯擊能量有低、中、高三擋可調(diào).

2.1 施工位置

路橋過(guò)渡段是公路工程病害多發(fā)地段，而“橋頭跳車”是其直觀的表現(xiàn)形式.造成橋頭跳車的原因有很多，其中臺(tái)背填土處碾壓不到位是造成這一現(xiàn)象的重要原因之一［7］.本路段（六景K103＋095處和欽州K103＋095處）主要施工點(diǎn)為橋涵及臺(tái)背路基交接處.本次試驗(yàn)采用三擋9錘夯實(shí)法，通過(guò)對(duì)橋涵臺(tái)背路基的壓實(shí)可顯著增加其路基的壓實(shí)度，減小工后沉降，有效地降低差異沉降值，減輕橋臺(tái)背的跳車現(xiàn)象.

2.2 作業(yè)方式及作業(yè)點(diǎn)布置

施工位置為橋涵臺(tái)背路段，適合采用直線作業(yè)法，即每次單點(diǎn)作業(yè)，前進(jìn)或后退作業(yè)下一點(diǎn).因夯實(shí)施工有個(gè)縱向影響范圍，施工時(shí)適合采取間隙型：每個(gè)夯點(diǎn)邊緣間隔一定距離，呈等邊三角形布點(diǎn)，本次施工中采用各錘邊緣間距為50cm的布點(diǎn)方式（如圖2所示，其中R＝50cm）.根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，第一排施工點(diǎn)夯錘中心距離結(jié)構(gòu)物為80cm，即夯錘邊緣到結(jié)構(gòu)物距離為30 cm，可確保結(jié)構(gòu)物的安全.

圖2 快速液壓夯實(shí)機(jī)作業(yè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Operation point of high-speed hydraulic tamper

2.3 結(jié)果及分析

路基處理前后壓實(shí)測(cè)試結(jié)果見表1.路基處理前后壓實(shí)度測(cè)試曲線見圖3.六景臺(tái)背夯實(shí)后沉降量見表2.

表1 路基處理前后壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of roadbed compaction before and after processing

從現(xiàn)場(chǎng)路基處理前后壓實(shí)度測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，路基分層填筑和補(bǔ)強(qiáng)經(jīng)三擋9錘的夯實(shí)作業(yè)之后，路基的表層壓實(shí)度可達(dá)94%以上，夯實(shí)后壓實(shí)度最大提高了7.6%，最小提高1%，平均提高了3.5%，夯實(shí)后平均壓實(shí)度為98.7%，能夠滿足施工規(guī)范的要求.K103＋109.5通道六景臺(tái)處采用壓路機(jī)壓實(shí)，并驗(yàn)收合格后，再采用快速液壓夯實(shí)機(jī)補(bǔ)壓，最小沉降量為14.8cm，最大沉降量為20.2cm，平均沉降量為18.28cm，使臺(tái)背填土均勻密實(shí)，能夠減少完工后的路基沉降，增加了路基的穩(wěn)定.

圖3 路基處理前后壓實(shí)度測(cè)試曲線圖Fig.3 Graphs of roadbed compaction before and after processing

表2 六景臺(tái)背夯實(shí)后沉降量Tab.2 Settlement table of Liu Jing sets back after processing

現(xiàn)場(chǎng)施工工藝采用作業(yè)點(diǎn)圓心間隔1.5m（夯錘邊緣間隔0.5m）梅花樁布點(diǎn)方式，可以實(shí)現(xiàn)厚層整體壓實(shí)，減少或避免分層壓實(shí)技術(shù)可能導(dǎo)致的層間滑移、分離等現(xiàn)象并能較好地保證質(zhì)量，提高作業(yè)效率.

3 結(jié)語(yǔ)

（1）設(shè)計(jì)了一種沖錘與底座近似為等波阻的快速液壓夯實(shí)機(jī)，建立了動(dòng)力學(xué)模型，并運(yùn)用波動(dòng)力學(xué)理論對(duì)其夯實(shí)過(guò)程進(jìn)行了分析.在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了位移、速度和系統(tǒng)效率函數(shù)的計(jì)算公式，為深入研究快速液壓夯實(shí)機(jī)提供了理論基礎(chǔ).

（2）為了測(cè)試快速液壓夯實(shí)機(jī)的性能，本文進(jìn)行了相關(guān)工程試驗(yàn).實(shí)驗(yàn)表明，在夯錘與構(gòu)造物的安全距離不小于30cm范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)三擋9夯的作業(yè)后，路基的表層壓實(shí)度可達(dá)94%以上.經(jīng)壓路機(jī)初步壓實(shí)后，用快速液壓夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)，最小沉降量為14.8cm，最大可達(dá)20.2cm，足以說(shuō)明該夯實(shí)機(jī)可以顯著地增強(qiáng)路基壓實(shí)度，減輕橋臺(tái)跳車現(xiàn)象.

［1］MENARD L，BROISE Y.Theoretical and practical aspects of dynamic consolidation［J］.Geotechnique，1975，25（1）：3－18.

［2］于克萍，程 俠，折學(xué)森.強(qiáng)夯處理黃土路堤的模型試驗(yàn)［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，23（4）：22－24.

YU Keping，CHENG Xia，SHE Xuesen.Model test of loess embankment treated by dynamic compaction［J］.Journal of Chang’an University：Natural Science Edition，2003，23（4）：22－24.

［3］THILAKASIRI H S，GUNARATNE M，Mullins G，et al.Investigation of impact stresses induced in laboratory dynamic compaction of soft soils［J］.International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，1996，20（10）：753－767.

［4］李夕兵，劉德順，劉愛華.沖擊機(jī)械合理加載波形的研究［J］.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，29（2）：116－119.

LI Xibing，LIU Deshun，LIU Aihua.The research of reasonable load waveform to impact Mechanical［J］.Journal of Central South University，1998，29（2）：116－119.

［5］楊精通，張善元.彈性動(dòng)力學(xué)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1988.

YANG Jingtong，ZHANG Shanyuan.Elastic dynamics［M］.Beijing：China Railway Press，1998.

［6］劉德順，李夕兵，朱萍玉.沖擊機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與反演設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

LIU Deshun，LI Xibing，ZHU Pingyu.Impact mechanical system dynamics and inversion design［M］.Beijing：Science Press，2008.

［7］鄒 勁，唐海云.橋頭跳車?yán)碚摐\析及質(zhì)量控制［J］.山西科技，2005（4）：97－98.

ZOU Jin，TANG Haiyun.Analysis of bridgehead jumping theory and quality control［J］.Shanxi Science and Technology，2005（4）：97－98.