周印霄++鄭會(huì)璽

引言

路基穩(wěn)定至少需要經(jīng)過(guò)兩三個(gè)雨季的自然沉降才能趨于完成，沒有經(jīng)過(guò)雨季自然沉降直接完成路面施工的工程，其穩(wěn)定完成時(shí)間需要5～8年。目前，新建公路中出現(xiàn)的路面問題已經(jīng)轉(zhuǎn)移到路基的穩(wěn)定性上，路面沉降變形、開裂、橋頭跳車均是因?yàn)槁坊M(jìn)一步密實(shí)和基底進(jìn)一步壓縮所造成的變形而引起的。如何加強(qiáng)路基這一主要承重結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量成為業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的問題。因此，更為科學(xué)合理、快速便捷且高效地模擬路基沉降過(guò)程的創(chuàng)新理念一直是工程師們探討和研究的熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的路基施工壓實(shí)設(shè)備有壓路機(jī)、強(qiáng)力夯實(shí)機(jī)等，但其作用機(jī)理均為以重壓促使土體密實(shí)，影響深度小，且忽略了彈性土體重壓變形導(dǎo)致的土體隆起劈裂以及應(yīng)力釋放等問題。為有效解決前述問題，催生出了一種專用設(shè)備——共振夯實(shí)機(jī)，它采用人為機(jī)械干擾的方式，能夠迅速提高基底承載力，使路基快速到達(dá)基本穩(wěn)定狀態(tài)。共振夯實(shí)機(jī)根據(jù)使用場(chǎng)合不同分為大型共振夯實(shí)機(jī)（圖1）和小型共振夯實(shí)機(jī)（圖2）兩種。大型共振夯實(shí)機(jī)適用于新建路基、擴(kuò)建路基加寬段、高填方路基、壓實(shí)度不足需做補(bǔ)強(qiáng)處理的路基、緊鄰其他構(gòu)造物的地段等，小型共振夯實(shí)機(jī)適用于橋涵構(gòu)造物臺(tái)背處理以及新舊路基加寬銜接處、沿河路堤等作業(yè)受限地段。目前因其優(yōu)越的夯實(shí)效能，共振夯實(shí)機(jī)已成功應(yīng)用于京石高速、石安高速、邢衡高速、張承高速、邢汾高速、清東陵高速等十余條高速公路中，并在國(guó)省干線公路中得到了大面積推廣及應(yīng)用。

本文僅對(duì)小型共振夯實(shí)機(jī)在高速公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行分析。

1 共振夯實(shí)機(jī)的作用機(jī)理

共振夯實(shí)機(jī)利用了彈性土體能形成共振的特性，采用機(jī)械固有頻率，達(dá)到使作用土體產(chǎn)生共振的條件。在土體共振的過(guò)程中，土體顆粒自動(dòng)實(shí)現(xiàn)重新組合配位，同時(shí)瞬間再對(duì)土體施加高達(dá)1.4-1.5MPa的強(qiáng)大壓力，相當(dāng)于每平方米施加了140-150t的壓力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了高填方路基路面靜載和動(dòng)載的總和，超標(biāo)準(zhǔn)提高基底的承載力。 大型共振夯實(shí)機(jī)對(duì)每個(gè)擊點(diǎn)連續(xù)擊壓80次以上，影響深度可達(dá)4-15m；小型共振夯實(shí)機(jī)的影響深度可達(dá)1-4m。經(jīng)過(guò)夯擊的路基土體承載力可提高25%-30%，有效解決了日后沉降的問題。共振夯實(shí)機(jī)采用微振幅、高頻率，對(duì)周圍環(huán)境影響很小，特別是對(duì)已建成的公路構(gòu)筑物不產(chǎn)生任何損傷。

采用這一設(shè)備可解決因人為因素和施工設(shè)備的局限導(dǎo)致的路基處理作業(yè)不到位或達(dá)不到技術(shù)要求等問題，每1-2m夯實(shí)一遍就能達(dá)到增強(qiáng)土基的效果。究其原因，是共振夯實(shí)機(jī)的作用原理決定了其特別的功效，使土體形成共振，在土粒間摩擦角最小時(shí)瞬間施壓，達(dá)到土體的最大密度，解決土基中的空洞問題。

2 共振夯實(shí)機(jī)的基本組成

小型共振夯實(shí)機(jī)的主要組成為帶有振動(dòng)錘、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及激振器的振動(dòng)錘機(jī)構(gòu)，在振動(dòng)錘的底端增設(shè)底面均勻分布凸條的作用底板，以及牽引件、導(dǎo)向輪等。這些構(gòu)件的組合旨在實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)夯機(jī)時(shí)間白控、瞬間擊壓大于1.4MPa、夯頭左右橫向移動(dòng)等功能，小型共振夯實(shí)機(jī)的輸入?yún)?shù)（表1）必須嚴(yán)格按照要求進(jìn)行調(diào)整。

單點(diǎn)夯擊時(shí)間白控功能可使施工時(shí)每一單點(diǎn)的擊實(shí)強(qiáng)度均勻，方便過(guò)程控制；要求大于1.4MPa的擊實(shí)接地壓強(qiáng)是為增強(qiáng)路基的強(qiáng)度，提高土基的抗壓回彈模量，迅速提高土基的承載力，從而減輕工后進(jìn)一步的壓縮沉降；要求白控功能及夯頭的左右橫向移動(dòng)功能是為解決路基邊緣夯實(shí)，增強(qiáng)土基強(qiáng)度均勻等問題，達(dá)到從邊到角全方位深度強(qiáng)固的目的。

3 共振夯實(shí)機(jī)的適用范圍及優(yōu)勢(shì)

共振夯實(shí)機(jī)不同于強(qiáng)力夯實(shí)機(jī)，強(qiáng)夯是在土體相對(duì)靜止的狀態(tài)下以其強(qiáng)大的動(dòng)能擊打土體，土體受強(qiáng)大外力而壓縮變形。但在變形過(guò)程中，土體不僅向下壓縮，同時(shí)還向四周擠壓，達(dá)到一定的密度時(shí)，擊點(diǎn)周圍會(huì)向上隆起，產(chǎn)生土體劈裂；雖然直觀反映是密度增加了，但實(shí)際在很多情況下沒有起到進(jìn)一步提高土體承載力的目的。強(qiáng)力夯實(shí)機(jī)夯實(shí)效果如圖3所示。共振夯實(shí)機(jī)作用土體時(shí)，土體共振，瞬間連續(xù)施壓，由于土體顆粒的重新組合，空隙減小，不僅擊點(diǎn)土體壓縮明顯，周圍土體也有明顯的下沉增密效果。共振夯實(shí)機(jī)噪聲污染小，對(duì)周圍的建筑物影響也小，是路基快速穩(wěn)定、增強(qiáng)的可靠專用設(shè)備。

4 共振夯實(shí)機(jī)的作用特性

共振夯實(shí)機(jī)以其特有的作用機(jī)理，克服了強(qiáng)力夯實(shí)機(jī)的弊端和缺點(diǎn)，具有更強(qiáng)的適用性、便捷性和高效性。

（1）擴(kuò)散角不同。因共振夯實(shí)機(jī)與強(qiáng)力夯實(shí)機(jī)沖擊力的擴(kuò)散角不同，故共振夯實(shí)機(jī)對(duì)夯點(diǎn)周圍構(gòu)造物的影響極大降低。

（2）擊實(shí)土體的方式不同。共振夯實(shí)機(jī)采用錘頭高頻夯擊底板，再由底板傳到土體中，底板始終不離開土體，在合理控制夯機(jī)參數(shù)下不會(huì)造成夯點(diǎn)周圍土體的過(guò)度隆起和劈裂，且能實(shí)現(xiàn)激振力的有效疊加和放大，夯實(shí)效果較為明顯（圖4）。強(qiáng)力夯實(shí)機(jī)錘底直接作用于土體，強(qiáng)大的沖擊瞬間作用瞬間釋放，效率低下且極易造成土體劈裂，使沖擊能大量釋放（圖5）。

5 共振夯實(shí)機(jī)的應(yīng)用實(shí)例

本文以京石高速改擴(kuò)建項(xiàng)目為例，對(duì)小型夯實(shí)機(jī)在高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中的應(yīng)用作以說(shuō)明。

5.1 項(xiàng)目背景

京港澳高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)（7918網(wǎng)）中的一條線路，白北向南連接北京、石家莊、鄭州、武漢、長(zhǎng)沙、廣州、香港、澳門8個(gè)中心城市，是中國(guó)最早規(guī)劃的高速公路之一。京石段為京港澳高速的重要組成部分，原路段為雙向四車道，一般路段路基寬27m，局部路段（約18.3km）路基寬度為26m。實(shí)施項(xiàng)目為原京石段的改擴(kuò)建項(xiàng)目，其主體工程包括：將四車道改為八車道的擴(kuò)建路段，共185.843km；新建八車道高速公路，共38.835km；路基全寬42m，設(shè)計(jì)車速120km·h^-1。新舊路基拼寬是該項(xiàng)目的施工難點(diǎn)和控制重點(diǎn)。

為保證路基拼寬施工質(zhì)量，減小新舊路基不均勻沉降，京石改擴(kuò)建籌建處對(duì)舊路基邊坡壓實(shí)度進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果普遍偏低。按照設(shè)計(jì)，路基拼寬時(shí)要開挖高80cm、寬120cm的臺(tái)階，其臺(tái)階部分明顯薄弱，經(jīng)專家論證，確定采用共振夯實(shí)機(jī)進(jìn)行新加寬路基補(bǔ)強(qiáng)夯實(shí)的施工工藝。endprint

5.2 共振夯實(shí)機(jī)施工方法

新加寬路基鋪設(shè)土工格柵后，每填高80cm就對(duì)舊路基進(jìn)行開挖臺(tái)階，臺(tái)階寬120cm，然后用重型壓路機(jī)對(duì)全寬范圍（含開挖臺(tái)階）進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)碾壓，控制技術(shù)指標(biāo)以最后兩遍沉降差不大于3mm為準(zhǔn)。對(duì)于開挖120cm臺(tái)階部位，如含水量大于最佳含水量，須翻拌晾曬或摻加石灰粉使之達(dá)到最佳含水量時(shí)，再進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)碾壓。補(bǔ)強(qiáng)碾壓后，采用小型共振夯實(shí)機(jī)對(duì)120cm臺(tái)階部分進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)夯壓，需先將表面整平再壓實(shí)。

按照設(shè)計(jì)及路基拼寬施工作業(yè)要求，每80cm采用超重型壓路機(jī)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)碾壓后，再采用夯實(shí)機(jī)對(duì)臺(tái)階部分進(jìn)行夯實(shí)，夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)夯點(diǎn)采用梅花形布置，縱橫向間距為100cm，采用間歇式作業(yè)，每個(gè)擊點(diǎn)作業(yè)時(shí)間為8-13s，單點(diǎn)夯擊80次以上。

共振夯實(shí)機(jī)施工的注意事項(xiàng)如下。

（1）由于過(guò)于松散的地面不便于共振夯作業(yè)，因此基底填土前要整平壓實(shí)，這是為了下一工序的共振夯增強(qiáng)處理作場(chǎng)地準(zhǔn)備；夯實(shí)作業(yè)由外向內(nèi)進(jìn)行，先夯實(shí)外側(cè)，外側(cè)的側(cè)向力增大后，內(nèi)側(cè)的路基土密實(shí)性增長(zhǎng)更快。

（2）各夯點(diǎn)應(yīng)放線定位（圖6），夯完后檢查夯坑位置，發(fā)現(xiàn)偏差及漏夯應(yīng)及時(shí)糾正。夯實(shí)施工時(shí)應(yīng)對(duì)每一夯點(diǎn)的單夯夯擊能量、夯擊次數(shù)和每次夯擊沉降量進(jìn)行詳細(xì)記錄。

（3）基于共振夯的特性，夯點(diǎn)呈梅花式間接布點(diǎn)，間距為夯頭直徑的1-1.5倍（圖7），對(duì)夯實(shí)過(guò)的表面，應(yīng)松平表層10-15cm，再重新進(jìn)行路基整平碾壓工序，保證路基上部的壓實(shí)度。

5.3 測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.3.1 夯實(shí)效果評(píng)價(jià)

中國(guó)兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院采用面波法測(cè)試和重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)對(duì)采用小型共振夯實(shí)機(jī)進(jìn)行路基夯實(shí)前后的效果進(jìn)行了檢測(cè)。瑞利面波測(cè)試結(jié)果表明，夯實(shí)前，O-lm深度范圍的波速為100m·s^-1，1-4m深度范圍的波速為100-150m·s^-1，4m以下的波速為150-200m·s^-1。經(jīng)夯實(shí)加固后，1-4m深度范圍內(nèi)的地基土剪切波速均有不同程度提高，約為150-200m·s^-1，加固效果較為明顯；0-1m及4m以下的地基土剪切波速變化不大，加固效果不明顯。重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)亦得到了相近的結(jié)論，即夯實(shí)后1-4m深度范圍動(dòng)探擊數(shù)均有不同程度提高，加固效果明顯。

5.3.2 夯點(diǎn)間距的布置

試驗(yàn)表明，過(guò)小的夯距將影響相鄰夯點(diǎn)的加固效果，在淺層疊加形成上部密實(shí)層，影響能量向深層傳遞，且易造成上部土體向已夯成的夯坑擠壓。夯頭直徑1倍的夯點(diǎn)間距完成后，在30cm以下的部分，夯實(shí)的增強(qiáng)范圍已經(jīng)相連或疊合，為此規(guī)定了夯點(diǎn)間距為錘頭直徑的1-1.5倍。另外，共振夯底板的特殊設(shè)計(jì)限制了作用力向周圍擴(kuò)散，其擴(kuò)散角小于強(qiáng)夯錘的擴(kuò)散角，因此作業(yè)時(shí)對(duì)構(gòu)筑物不產(chǎn)生負(fù)面影響。

5.3.3 對(duì)夯實(shí)次數(shù)的限定

試驗(yàn)表明，單點(diǎn)作用在80-100次、用時(shí)約10-15s時(shí)，路基增強(qiáng)效果最佳。低于80次達(dá)不到最大壓實(shí)密度；超過(guò)100次時(shí)，周圍的土出現(xiàn)隆起或過(guò)高隆起，表明擊點(diǎn)內(nèi)的土體已經(jīng)劈裂。具體施工時(shí)，應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)，調(diào)整單點(diǎn)夯擊次數(shù)，以夯點(diǎn)周圍土體微微隆起為宜；并采用單點(diǎn)用時(shí)控制，以保證每一夯點(diǎn)作用力均勻，從而保持路基的整體強(qiáng)度均勻。施工中有的夯點(diǎn)淺是正常的，原因是原有土基的密度不均勻。共振夯的影響深度可達(dá)3-4m，在0.5-1.5m的位置密度增大明顯。因此，建議每1-2m進(jìn)行一次共振夯增強(qiáng)加固。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析可以得出，共振夯實(shí)機(jī)在工程實(shí)踐中優(yōu)于傳統(tǒng)的強(qiáng)夯設(shè)備，它充分利用高頻率、微振幅夯頭對(duì)彈性土體的作用，使受夯土體實(shí)現(xiàn)了快速、低噪、高密實(shí)顆粒重組，且在夯實(shí)過(guò)程中有效減少了土基在強(qiáng)夯、強(qiáng)振作用下產(chǎn)生劈裂而引發(fā)的應(yīng)力釋放，能夠有效提高土體彈性模量，加速路基沉降，有效控制彎沉，是解決橋頭跳車、結(jié)構(gòu)層破壞、新舊路基拼接、既有路基補(bǔ)強(qiáng)、噪音控制區(qū)路基填筑等壓實(shí)問題的高效設(shè)備，可避免結(jié)構(gòu)層底部出現(xiàn)較大的層底拉應(yīng)力和疲勞性破壞，為公路建設(shè)實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)基薄面”提供了強(qiáng)有力的設(shè)備支撐。endprint