（机械设计及理论专业论文）冲击压路机的厚铺层压实质量检测方法研究.pdf

静_ 。舡j铜；， 中文摘要 中文摘要 冲击压实技术冲压影响深度可达2 5 0c m ，能够实现厚铺层路基压实，并且在实际施 工中一般采取松铺厚度在1 0 0e m i l 5 0c m ，大大提高了施工效率。但是，目前在我国公 路路基检测标准中，对于厚铺层土质路基压实质量的检测还没有相应的方法和仪器，松 铺厚度大于4 0c m 的就要进行分层检测，丌挖很深的坑洞，对压实后的路基有相当大的 破坏性，并且需要巨大的人力物力。因此，需要寻找并开发一种科学、有效的快速、无 损检测厚铺层路基压实质量的方法。 本文通过对砂性土、湿陷性黄土等典型土质路基的现场试验数据进行整理分析，搜 集不同工况下，与路基压实质量密切相关的现场试验数据如累计沉降量、压实度、含水 量等，进行回归分析，分别建立碾压遍数与压实度关系、累计沉降量与压实度关系以及 累计沉降量、含水量与压实度关系的回归模型，最后得出一套系统的判断砂性土与湿陷 性黄土路基压实质量的经验回归公式。在现场旋工中，压实质量检测人员可以通过施工 过程中测量到的碾压遍数、累计沉降量得出路基压实度，实现深层路基压实质量快速无 损检测。本文的研究成果对基于冲击压路机压实的厚铺层路基压实质量的快速、无损检 测具有实际意义。 关键词：冲击压路机；厚铺层；压实度；回归分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei m p a c tc o m p a c t i o nt e c h n o l o g y ss t a m p i n ga f f e c td e p t hu pt ot h e2 5 0c m ， s oi tc a n c a r r y o u tt h i c kl a y e rs u b g r a d e s c o m p a c t i o n ，a n d i nt h ea c t u a l c o n s t r u c t i o ni t g e n e r a l l yu s i n gl o o s el a y i n gd e p t h10 0c m - 15 0c m ，g r e a t l y i m p r o v et h ec o n s t r u c t i o ne f f i c i e n c y h o w e v e r , c u r r e n t l yi nc h i n as u b g r a d e t e s t i n gs t a n d a r d s ，f o rt h et h i c kl a y e ro fs o i ls u b g r a d eq u a l i t y st e s t i n g ，t h e r ea r e n oa p p r o p r i a t em e a n sa n di n s t r u m e n t s ，w h e nl o o s el a y i n gd e p t ht h i c k e rt h a n4 0 c m ，p e o p l es h o u l dt a k ep l a c et h el a y e r e dd e t e c t i o na n dd e e pe x c a v a t i o nh o l l o w h o l e s ，s oi tc a nm a k ec o m p a c t e ds u b g r a d eh a sc o n s i d e r a b l ed e s t r u c t i v ea n da l s o n e e dh u g er e s o u r c e s t h e r e f o r e ，f i n d i n ga n dd e v e l o p i n gas c i e n t i f i c ，e f f e c t i v e a n dr a p i dm e t h o da b o u ta s s e s s m e n t i n gt h e q u a l i t yo ft h i c kl a y e rs u b g r a d e c o m p a c t i o ni sv e r yu r g e n t t h r o u g hs o r t i n ga n da n a l y s i so ft y p i c a ls o i ls u b g r a d ef i e l d t e s td a t a sf o r t h eg r i r i n e s sa n dt h ec o l l a p s i b l el o e s s ，t h i sp a p e rs t u d y e do nr e g r e s sa n a l y s i s a m o n gt h ec o l l e c t e df i e l d t e s td a t a sw h i c hw e r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h es u b g r a d e c o m p a c t i o n su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，s u c ha st h ea c c u m u l a t i v es e t t l e m e n t a m o u n t s 、t h ec o m p a c t n e s sa n dt h ew a t e rc o n t e n ta n ds oo n ，t h e ne s t a b l i s h e dt h e r e g r e s s i o nm o d e li nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en u m b e ro fr o l l i n ga n dt h e c o m p a c t n e s s ，b e t w e e n t h ea c c u m u l a t i v es e t t l e m e n ta n dt h e c o m p a c t n e s s ， b e t w e e nt h ew a t e rc o n t e n ta n dt h ec o m p a c t n e s s a tl a s tw ed r a was y s t e mo f e x p e r i e n c er e g r e s s i o nf o r m u l a st h a tc a nd e t e r m i nt h eq u a li t yo fs u b g r a d e c o m p a c t i o na b o u tt h eg r i a i n e s sa n dt h ec o l l a p s i b l el o e s s i nt h ea c t u a l c o n s t r u c t i o n ，q u a l i t yi n s p e c t i o n s t a f f sc a n s i m p l y t r a n s l a t et h e s u b g r a d e c o m p a c t i o nb yt h en u m b e ro fr o l l i n ga n dt h ea c c u m u l a t i v es e t t l e m e n ta m o u n t s h a v i n gb e e nm e a s u r e di nc o n s t r u c t i o n ，s oa st oa c h i e v et e s t i n gf o rt h i c kl a y e r s u b g r a d ec o m p a c t i o nq u a l i t yr a p i d l ya n dn o n d e s t r u c t i v e l y t h i sp a p e r sr e s e a r c h r e s u l t sh a v e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i n r a p i d ，n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g f o r c o m p a c t i o nq u a l i t yb a s e do nt h et h i c kl a y e rs u b g r a d eo fi m p a c tr o l l e r k e yw o r d s ：i m p a c tr o l l e r ；t h i c k n e s sp l y ；c o m p a c t n e s s ；r e g r e s s i o na n a l y s i s ； 目录 目录 第一章绪论一l 1 1 课题来源l 1 2 压实质量检测方法的研究现状及发展趋势2 1 2 1 传统压实度检测方法的研究现状2 1 2 2 压实度检测新技术的应用发展3 1 3 课题研究的内容及意义5 1 3 1 课题研究的内容5 1 3 2 课题研究的目的和意义6 第二章冲击压路机的应用发展及其工作特性7 2 1 冲击压路机的应用发展7 2 2 冲击压路机的工作原理及其性能特点9 2 2 1 冲击压路机的工作原理9 2 2 2 冲击压路机的性能特点1 0 2 2 3 冲击压路机适用范围及其施工效果1 l 2 3 本章小结1l 第三章砂性土与湿陷性黄土工程特性及分类1 3 3 1 砂性土的分类及工程特性1 3 3 1 1 砂性土的分类1 3 3 1 2 砂性土的工程特性。13 3 2 湿陷性黄土的危害、评价标准以及处理方法1 4 3 2 1 湿陷性黄土的危害及其工程特性1 4 3 2 2 湿陷性黄土评价标准15 3 2 3 湿陷性黄土处理目的与方法1 5 3 3 本章小结1 6 第四章冲击压实厚铺层压实质量快速评定方法简介17 4 1 线性回归模型1 7 4 1 1 一元线性回归模型17 4 1 2 多元线性回归模型18 4 2 回归方程样本异常值渗断18 日录 4 3 回归方程的统计检验1 9 4 3 1 回归方程的显著性检验2 0 4 3 2 回归拟合优度检验2 0 4 3 3 回归系数的显著性检验2 1 4 4m a t l a b 简介2 1 4 4 1m a t l a b 统计工具箱简介2 2 4 4 2r e g r e s s 函数应用简介2 3 4 4 本章小结2 4 第五章冲击压实厚铺层压实度回归模型建立2 5 5 1 冲击压实现场试验及其试验数据分析2 5 5 1 1 砂性土冲击压实试验及其试验数据分析2 5 5 1 2 湿陷性黄土冲击压实试验及其试验数据分析2 8 5 2 路基压实质量影响因素分析3 2 5 2 1 砂性土压实度影响因素相关系数计算3 2 5 2 2 湿陷性黄土压实度影响因素相关系数计算3 3 5 3 砂性土回归模型建立3 4 5 3 1 压实度单因素回归模型建立3 4 5 3 2 压实度两因素回归模型建立。3 7 5 4 湿陷性黄土回归模型建立4 0 5 4 1 压实度单因素回归模型建立4 0 5 4 2 压实度两因素回归模型建立4 3 5 5 碾压遍数与压实度回归模型建立4 8 5 5 1 试验数据插值处理4 8 5 5 2 砂性土回归模型建立一5 0 5 5 3 湿陷性黄土回归模型建立5 2 5 6 本章小结5 5 第六章冲击压实厚铺层压实质量快速评定结果分析5 6 6 1 压实度单因素拟合结果5 6 6 2 压实度两因素回归模型拟合结果5 7 6 2 1 压实度两因素回归模型分析结果5 7 6 2 2 压实度两因素回归模型三维拟合分析6 0 日录 6 3 压实度单因素与两因素回归模型预测精度对比6 l 6 4 压实度与碾压遍数回归模型预测结果与预测精度分析6 3 6 3 1 碾压遍数与压实度拟合结果6 3 6 3 2 压实度预测精度对比6 3 6 5 本章小结6 5 第七章结论与展望6 6 7 1 结论6 6 7 2 存在问题及相关建议6 6 参考文献6 9 致谢7 3 攻读硕士学位期间发表的论文7 5 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源 随着国民经济的迅速发展，国内公路建设己达到空前的繁荣，截至2 0 0 8 年年底， 全国公路总里程已经达到3 6 8 公旱，比2 0 0 7 年增加了1 0 7 公里，其中高速公路总早程 己达6 0 3 公里。尽管我国公路建设的发展非常的迅速，但是也导致了部分道路的质量 问题，主要原因是由于路基强度和稳定性没有达到设计要求，某些新建或者改建的公路 时不时会出现过早破坏的现象。造成这些结果的原因有很多方面，但从技术方面来说， 主要是对路基压实重视不够，公路路基压实质量达不到要求，是造成路面局部沉陷或者 过早破坏的主要原因之一i 。 面对高速发展的工程建设和严格的质量要求，工程承包商希望得到理想的压实设 备，冲击压实技术就是一种高速压实方法，适合于处理厚铺层路基压实。在国外冲击压 实技术于2 0 世纪8 0 年代开始投入生产实用，自1 9 9 5 年由南非引入我国，应用领域不 断拓宽。冲击压实技术不同于传统的压实方法，是夯实与滚动压实技术的结合，该压实 技术保持了低频率大振幅夯击，冲击波穿透力强，影响深度大，压实效果好的特点，又 吸取了滚动压实法效率高，机动性好的优点，较大地增加了对路基土石方的压实能量， 特别适合于高填土厚铺层的基层压实施工1 2 l ，因此在我国高速公路施工中应用非常广泛。 但是，目前在我国公路路基压实质量检测标准中，厚铺层土质路基压实质量的检测 还没有相应的方法和仪器，对于超过1 0 0c m 厚铺层基层压实质量的检测来说，还没有 一个相关的标准以及科学有效的方法，目前还是使用传统的方法进行压实度的检测，不 过由于铺层厚，每次都需要检测铺层的1 4 、1 2 和3 4 三层的压实度，再求出压实度的 平均值，这样才能代表整个铺层的压实度值，否则检测的数据就不够精确，不能用作最 终路基压实质量的评定标准1 3 】。由于要分层检测，所以就要丌挖很大的坑洞，对压实后 的基层破坏性很大，还要浪费较多的人力物力，这样对于工期短、质量要求较高的施工 就会很耗时耗力。 因此快速无损压实质量检测技术的丌发迫在眉睫，以便加快施工进度、提高路基压 实质量。本文依据现场施工采集到的压实质量数据，运用回归分析方法建立累计沉降量、 含水量与压实度回归经验关系式，实现路基压实质量的快速无损检测，给冲击压实技术 工艺的制定，现场压实质量检测带来一定的方便。 冲击压路机的厚铺层k 实质量榆测方法研究 1 2 压实质量检测方法的研究现状及发展趋势 1 2 1 传统压实度检测方法的研究现状 目前，国内外一直沿用的现场压实质量检测指标为压实度k ，它是现场压实层实测 干密度( 仍) 与室内击实试验测得的标准干密度( 所。) 之比值4 1 ，如式1 1 所示： 七：堡l 1 0 0 ( 1 1 ) p ( ，m a 。 式中：岛。最大干密度， g c m 3 ； k 压实度，以表示。 对于实测干密度砌，一般采用式1 2 来计算： 成：兰 ( 1 2 ) l 十w 式中：p 天然密度，g e m 3 ； w - 一含水量； 砌干密度，g c m 3 。 根据中华人民共和国行业标准公路路基施工技术规范( j t j0 3 3 9 5 ) ，土质路 基的压实度试验方法仍采用灌砂法，灌水法，环刀法等。 ( 1 ) 灌砂法 灌砂法是利用均匀颗粒的砂，根据其单位体积质量不变的原理来测量所挖坑洞的容 积。灌砂法在国内外应用比较普遍，适用于在现场测定基层( 或底基层) 、砂石路面及路 基土等各种材料压实层的密度和压实度，很多工程都把灌砂法列为现场测定密度的主要 方法。灌砂法也适用于沥青表面处理、沥青贯入式面层的密度和压实度检测，但不适用 于填石路堤等有大孔洞或大孔隙的压实度检测【5 】。 作为现场测定密度的主要方法，灌砂法的主要缺点是在测量过程中需要携带较多的 砂，而且称量次数较多，测定之i i f 需要标定砂的含水量、砂子密度、罐体积和灌砂筒锥 形体砂重这4 项内容，实际操作起来很不容易控制，经常会因为很小的疏忽导致检测结 果不精确，不能代表现场真实的压实度6 1 。因此与其他方法相比，其操作较烦琐，技术 熟练程度要求较高，测定速度较慢，试验过程复杂，并且工地试验条件较差，风雨干扰 对操作都有一些影响。 ( 2 ) 灌水法 灌水法基本上是对灌砂法取样测体的一种替代与补充，它是通过充水来测定取样挖 洞的体积，适用于现场测定料粒土和巨粒土的密度7 1 。此种方法测试的体积较为准确， 2 第一章绪论 国外已经使用聚乙烯塑料薄膜，效果较好。但目前国内还未研制出用于测试的既有流动 性又有韧性的薄膜材料。 ( 3 ) 环刀法 环刀法是我国最早使用的测定基层压实度的一种方法，国内习惯采用的坏刀容积通 常为2 0 0c m 3 ，环刀高度通常约为5c m ，其适用于细粒土及无机结合料稳定细粒土的压 实度测试【8 l 。由于环刀法具有简便、快捷的特点，所以受到广泛采用。 但是由于环刀体积比较小，致使在表面修整和土样称重过程中的微小误差，就会引 起较大的检测结果的相对误差；另外在实际施工过程中，由于碾压土层的密度一般是从 上到下逐渐减小的，所以使用环刀取土时必须恰好取在碾压层的中间，这样所得的结果 才能与灌砂法的结果大致相同【8 】，然而，这在实际检测中实现起来是比较困难的。另外 取土坑内土质变化大、土层薄，所以有时同一环刀体积内有两种土质，这样就使得标准 干容重难以掌握，在向下锤击环刀的过程中，使得压实土层受到挠动，改变了土体经过 压实后的结构，因此，它的测试准确度受诸多因素的影响，对土层的破坏性也比灌砂法 大的多。 1 2 2 压实度检测新技术的应用发展 ( 1 ) 核子湿密度仪法 核子湿密度仪主要是利用放射性元素产生的射线与土的密度和含水量之间的关系 来确定压实度，主要可分为插入式和表面式两种。这种仪器首先在美国和前苏联研制成 功，后来慢慢的被多数国家所接受。我国也在8 0 年代研制成功了利用射线测土的密度 和用中子测含水量的仪器，但并没有在我国的公路工程施工中得到广泛的应用，而以美 国c p n 公司的5 1 0 d r 型深层核子密度含水仪推广应用较为广泛，基本上代表了当前国 际先进水平1 9 。尹喜林介绍的国内研制r m t 5 1 0 z 型核子仪的性能指标已达到国外当前 同类产品的先进水平。 核子湿密度仪的特点是测量速度快、需要的人员少、可用于测量各种土( 包括冻土) 和路面材料的密度及含水量，有些进口仪器可贮存打印测试结果。但该方法价格高，还 存在放射性污染的危险，并且我国的行业标准公路路基路面现场测试规程中规定了 核子密度检测方法只适用于施工现场的快速评定，不宜用作仲裁试验或者评定验收的依 据，使核子密度仪的应用具有了一定的局限性。其还有另一缺点就是核子仪对土的均质 性、含水量等因素有很强的敏感性，因此，在检测自仃必须要做好核子仪的标定，标定不 好，误差会很大【i o l 。因此，核子密度仪检测方法在使用推广中受到不小的限制。 ( 2 ) 压实度自动检测 冲击j 卡路机的厚铺层爪实质量榆测方法研究 自动检测系统是一种连续的压实控制方法，可以实现压实度的在线实时监测。它是 通过传感器、处理器、输出设备等检测振动轮的运动来判别土壤的压实状况的。通过在 冲击压路机轮轴上适当位置装上加速度传感器，并测定冲击轮压实地面的土壤回弹加速 度来判断士基是否压实到位。并且在测定前要对不同机型( 冲击力不同) 、不同压实土 壤进行标定，并选定测试仪中专家系统的处理方式和显示方式【1 1 】。 图1 1 压买度计测量原理图 f i g 1 1c o m p a c t n e s sm e t e r m e a s u r e m e n tt h e o r y 驾驶员可以从液品显示器上随时查看土基压实情况、运行速度等数据，实现压实质 量的实时峪控，使欠压、过压问题得到很好的解决，并能保存压实数据用于数据的后期 处理。 虽然自动检测系统的在线实时监测与控制技术具有很多优点，但是在国内，无论是 承包商、客户还是工程监理部门都没有给予广泛的认可，一方面是由于没有相关的国家 或行业标准出台，另一方面从总的来看其研究还不太成熟，精度、可靠性比较低，市场 购买力也不高，并且由于这种检测方法也不考虑含水量，不能准确的给出压实度的定量 值。 ( 3 ) 碾压参数控制法 碾压参数控制也是一种比较实用的方法。通过碾压试验确定某种填石填土材料在一 定碾压机械下的碾压厚度、遍数、速度和洒水量，在施工过程中只需控制相应的碾压参 数就可以基本保证材料的压实质量。我国现行的公路工程质量检验标准便是利用这 种方法来检查石方路堤的压实度的。使用冲击碾压技术压实的厚铺层路基和石方路堤一 样不适合使用传统的压实方法，所以通过大量的碾压实验确定一定材料、一定铺层厚度、 一定冲击能量的碾压参数，来实现厚铺层压实质量的控制不失为一种好的方法。 碾压参数控制的核心是碾压试验，其步骤包括铺筑、碾压、测量压实沉降值和取样。 每一遍碾压后的沉降值是衡量压实效果的重要参考值，同样级配的材料，通过试验比较 可以推算出孔隙率的大致范围。一般情况下，两遍碾压的沉降值增加为层厚的4 5 4 第一章绪论 时表明压实基本合格【1 2 】。碾压试验中取样可以建立孔隙率与沉降、碾压遍数的关系曲线， 确定合理的碾压参数。同样的，碾压参数控制法只能作为施工现场的快速评定，不能作 为最终评定验收的依据。 ( 4 ) 快速瑞雷波法 瞬态瑞雷波测试技术是国外研究提出的一种浅层地质勘探技术，该技术利用瑞雷波 的频散特性来测试分析地下介质特性。 国内从二十世纪八十年代起就有很多学者和科研单位相继开展了瞬念瑞雷波勘探 技术的研究，取得了大量的研究成果，不同波长的瑞雷波特性反映地层垂直方向的变化， 可得到沿路基深度波速呈“z ”字形拐点分布的频散曲线图；曲线拐点对应路基的分层 填筑厚度，波速及冲压前后的波速则反映了路基压实度的变化【1 3 16 1 。杨成林1 9 9 6 年指出 利用瑞雷波测试路基的压实度主要是利用其两种特性： 分层介质中瑞雷波速度的频散特性； 瑞雷波传播速度与介质密度的相关性。 前者可根据实测频散曲线划分层位，并计算出各层的速度值； 各层的瑞雷波速度值与密度值的相关关系计算各层的压实度7 8 1 p = a 1 v 砻 p = a 2 1 ，r b 2 式中：a l 、a 2 、b l 、b 2 皆为常数； v 口、分别为纵波波速和瑞雷波波速； p 为试样密度。 后者则是用已求得的 顾汉明2 0 0 1 年在此基础上，利用瑞雷波波速与横波波速成j 下比的关系，由瑞雷波反 演现场路基压实后的横波波速，以及标准击实试验能达到的最大横波波速，最后求出路 基土的压实度【1 引。 虽然瑞雷波测试方法可以达到快速、无损等优点，但是它不能对含水量进行测试， 因此是不太完善的。 1 3 课题研究的内容及意义 1 3 1 课题研究的内容 ( 1 ) 分析现有的路基压实质量检测方法的优缺点，阐明丌发一种方便快捷，能够 对冲击压实路基深层压实质量进行大面积枪测的必要性。 ( 2 ) 搜集近年来使用冲击压路机处理的各种十质的相关实验数据，并用m a t l a b 对原始数据进行预处理以及对各影响凶素的相关系数分析，确立各个经验回归方程的回 冲击胝路机的厚铺层肤实质量检测方法研究 归因子。 ( 3 ) 通过回归分析建立级配良好的砂性土路基压实度的单因素回归模型和多因素 回归模型，实现砂性土路基压实质量的快速评定。 ( 4 ) 对于湿陷性黄土，消除湿陷性至关重要，在消除湿陷性的基础上通过回归分 析分别建立路基压实度的单因素回归模型和两因素回归模型，实现湿陷性黄土路基压实 质量的快速评定。 ( 5 ) 通过对砂性土和湿陷性黄土两种土质的研究，总结出本课题研究的不足之处 以及未来继续研究的方向，对于路基压实施工来说，施工工况复杂多变，应该通过对各 种工况的试验研究，回归出关于不同土质，不同施工工艺的经验公式，组成冲击压路机 深层压实质量控制体系是很必要的。 1 3 2 课题研究的目的和意义 由于冲击压路机冲压时产生的冲击波穿透能力非常强，影响深度可达2 5 0c m ，在实 际施工中为了保证压实质量一般采取松铺厚度1 0 0c m 1 5 0c m ，但是现有的、技术成熟 的路基压实度检测技术仅仅适用于传统的压实设备，能检测的深度在4 0c m 左右，对于 深层压实检测就需要分层检测，分别检测1 4 、1 2 、3 4 层压实度，再求出平均值才能 代表整个压实基层精确的压实度值，否则不能用作最终路基压实质量的评定标准。由于 要进行分层次的检测，就需要开挖较深的灌砂法试坑，或更大尺寸的灌水法试坑，开挖 土料多，浪费巨大的人力物力，还对压实后的路基有相当大的破坏性，这样对于工期短， 质量要求高的工程来说，受到的影响就非常大，因此开发一个适合深层检测的新技术迫 在眉睫。 鉴于上面的原因，本课题提出通过测定压实过程中的累计沉降量来判定路基的压实 质量，并通过大量的现场试验数据分别建立砂性土，湿陷性黄土路基压实度的回归模型， 以达到提高工效，减少传统灌砂法的试验抽检频率的作用，通过沉降量反映路基压实情 况，方便施工单位快速做出施工工艺和相关安排，加快施工进度。同样，建设和质监单 位也可以通过累计沉降量检测压实段的路基压实情况，对路基整体的压实质量做出快速 准确的评定，方便及时发现问题并进行处理，从而实现深层压实质量的快速评定。 6 第二章冲击肤路机的应用发展及】e t 作特性 第二章冲击压路机的应用发展及其工作特性 2 1 冲击压路机的应用发展 冲击压路机是将碾压和冲击夯实很好结合在一起的一种新型压实机具，其系列产品 是高能量、间断式冲击压实设备，主要由牵引机和压实机两部分组成，分别为动力装置 和压实冲击装置。压实轮有三边到六边形实心体或者可填充的空心体等十几种系列产 品，但目前使用最多的主要以三边和五边为主。其工作原理是在牵引机的牵引滚动过程 中，利用压实轮的自身重量碾压以及三边或五边等非圆形结构的高度落差产生的冲击 力，对地表形成揉压、碾压以及冲击相结合的综合作用力【l9 1 。由于冲击能量大，这种综 合作用力影响深度非常深，土石颗粒之间，甚至是深层土石颗粒之间的空气和水，比使 用传统的压实机械更容易被压实和排出，细颗粒也更容易填充到粗颗粒之间，使土体密 实，达到设计的压实效果【2 0 1 。 2 0 世纪中期，南非工程师提出了将压实圆形碾设计成四边形棱柱形碾的方案，该四 棱柱碾压实土壤材料时产生夯击以及碾压的双重效果，且产生的冲击力非常强大，在 1 9 5 9 年，于美国获得了专利，但并未获得实际的应用。8 0 年代，澳大利亚博能公司丌 发出了实用型的四棱柱碾的压路机产品，9 0 年代，南非蓝派公司购买了这项发明专利， 并设计生产了三边到六边各种不同类型的冲击压路机，最后以三边、五边形压路机为主， 并在国内外市场大范围的推广应用。2 0 世纪9 0 年代，中国进入基础设施加快建设的 发展时期，对新型压实设备有了积极的需求。1 9 9 5 年南非蓝派公司在结束香港机场冲击 压实施工后，为了开辟中国市场，首次将冲击压实技术以及冲击压实机械带入中国大陆 【2 2 1 。此后近十年大约有3 0 台左右牵引式冲击压路机和白行式冲击压路机在我国十几个 省市的高速公路、机场、水电站工程上使用。随后，许多国内的科研院校、生产厂家对 冲击压实机械进行了相关的研制，并对实际施工工艺方面作了有益的应用研究。表2 1 就对国内施工中常见的冲击压路机型号以及生产厂家做了相应的总结。 表2 1 国内外生产的冲击压路机 t a b 2 1 i m p a c tr o l l e r sp r o d u c e da td o m e s t i ca n do v e r s e a s 静态势冲击轮整机重 序譬型号生产j 家牵引车型号 能( k j ) 宽度( m )直径( m ) 量( t ) iy c t - 1 61 62 0 821 2 中铁2 0 局 ( 泰安) q j 3 1 0 t 型 2y c t - 2 02 02 o 82 1 2t 程机械厂 2 2 5 k w 牵l j i 乍、t 6 9 3y c t - 2 52 52 0 92 21 6型址克改进3 6 8 k w 7 冲击压路机的厚铺层压实质量榆测方法研究 静态势冲击轮整机重 序0型0 生产j 家乖0 f 乍型 能k j ) 宽度( m )直行m )量( t ) 4 y t - 1 6 1 6 2 0 8 2 1 1 2郑州郑t 机 z l q 5 0 c 型1 6 2 k w 械集团 g 0 3 1 0 型2 2 5 k w 5y t 2 02 02 0 92l i 2 g 0 2 4 0 型i 7 6 k w 6 y t - 2 52 52 0 92 31 6 6郑州字通欣 q j 3 0 6 型2 2 5 k w 7c y z 2 52 52 l2 41 5 6路特科技自 q j 3 1 0 t 型2 2 5 k e 8 5 y t - 2 0 2 02 0 9 2 3 ( 五边形) 1 6 2限公司 93 y c l 乙2 52 52 0 92 3 31 6 厦t 集团三国产k 7 0 1 拖拉机 l o 3 y c t 3 23 22 0 92 3 31 6 5明重型机器2 2 1 k w 自产h m 型 1 l4 y c t - 3 03 0l 1 3 2 2 ( 四边形) 1 2有限公司 2 9 5 k w 雍引车 1 25 y c 2 02 02 0 9 2 5 ( 五边形) 1 5 6 唐山专用汽 z l 5 0 c 型1 5 6 k w 1 3y c l ：1 21 22 0 921 1 5 车厂 山东山豫t q j 3 1 0 t 型2 2 5 k w 1 4y c l 二2 02 0i 1 62 21 4 程机械公司 1 5y c t - 3 0 s3 02 l2 3 61 6 2 泰安装载机臼产q j 3 1 0 t 型 1 6y c t - 2 5 s2 52 0 9 2 3 1 4 2 厂2 2 5 k w 1 7y c t 2 5 s 52 52 o 82 3 61 6 2 1 82 5 t 3 2 52 o 92 31 3 5 南非蓝派公a g r i c o 心轮驱动 1 91 5 t 51 52 o 9 2 1 ( 五边形) 1 2 5司2 0 0 k w 拖拉机 澳人利亚博c a s e 叫轮驱动 2 0b h 1 3 0 02 5l 1 3 2 1 ( 四边形) 1 3 8 能公司1 8 0 k w 拖拉机 注：朱标明形状的冲击轮为三边彤结构 目前冲击式压路机都是拖式结构的，国外冲击压路机牵引机采用美国c a s e ( 凯斯) 、 j o h n d e e r e ( 迪尔) 、c a t e r p i l l a r ( 卡特彼勒) 或者是意大利产纽荷兰大功率拖拉 机驱动。国内冲击压路机牵引机常用的为z l 5 0 、z l 6 0 型装载机，或者由废旧坦克改装 的牵引机，前者功率偏小，后者油耗比较高、机械故障也比较多，使用成本较蒯2 3 1 。目 前由中铁2 0 局西安工程机械有限公司自行研制出来的q c y 3 6 0 型冲击压路机专用牵引 机，采用功率( 2 6 6k w ) 增压中冷柴油发动机，液力传力，变速箱动力换挡、全液压转 向和铰接式车架等新技术，是目前国内功率在强劲、牵引力最大、与冲击压路机牵引性 8 第二章冲击k 路机的心用发腱及其- t 作特性 能匹配最好的环保型牵引设备1 2 4 1 。 图2 1 到2 3 展示了国内外常用的三边、五边形冲击压路机 图2 1 南非蓝派2 5 t 3 型三边形冲击压路机 f i g 2 1s o u t ha f r i c al a n d p a c2 5 t 3t r i l a t e r a li m p a c tr o l l e r 图2 2 郑州宇通y t - 2 5 型三边形冲击压路机 f i g 2 2z h e n g z h o uy u t o n gy t - 2 5t r i l a t e r a li m p a c tr o l l e r 图2 3 厦工三明5 y c t 2 0 五边形冲击压路机 f i g 2 3x i a m e nx g m a 5 y c t 2 0p e n t a g o ni m p a c tr o l l e r 2 2 冲击压路机的工作原理及其性能特点 2 2 1 冲击压路机的工作原理 冲击压路机主要是由牵引车和压实轮两部分组成，不同于传统的压路机，其最大的 特点是采用非圆形的冲击轮外形，为了最低的能量消耗和行驶的平稳，冲击式压路机主 要采用三边、四边、五边的f 多边形，冲击轮一般有一个或两个，作业中牵引车带动压 实轮滚动，压实轮轮廓非圆曲线对基层表面施加揉压、碾压、冲击的综合作用力，随着 压力波的传递使基层土体从表面到下部深层都得到压实【2 5 】。如下图所示，冲击式压路机 主要特征是多棱性冲击轮，其工作原理是将动力源( 牵引车或者发动机) 提供的能量转 9 冲击骶路机的厚铺层骶实质量榆测方法研究 化为冲击轮的高位势能和动能。 运行方向 图2 4 冲击式压路机工作机理示意图 f i g 2 4i m p a c tr o l l e r sw o r k i n gm e c h a n i s m 2 2 2 冲击压路机的性能特点 ( 1 ) 作用能量大。冲击压实是一个低频高幅的运动过程，压实轮就具有较大的势 能，并且牵引机以一定速度运行，压实轮就又有了较大的动能，两种能量之和产生了很 大的对路基的作用力，一般是同吨位静碾的1 0 倍，同吨位振动压路机的3 - 4 倍，最大可 达2 5 0t 左右【2 6 】。 ( 2 ) 影响深度大。冲击压路机工作时，压实轮连续冲击地而，产生强烈的冲击波， 对地表以及路基深层作用力非常强，因此比常规压实设备有更大的影响深度。垂直影响 深度可达1m 以上，水平影响可达5m 1 0m 。 ( 3 ) 铺层厚度大。由于冲击压路机作用力影响深度大，松铺厚度可达4 0c m 1 5 0 c m ，因此可在原基础上进行原土压实，而不必开挖移土，或者进行分层压实和补强压实， 加快了施工速度。 ( 4 ) 压实基础质量高。经冲击压路机压实以后的路基基础能够获得更大的沉降量， 使得工后沉降明显的减小，密实程度显著提高，从而提高基础的强度、刚度以及均匀稳 定性，延长了基础的使用寿命。 ( 5 ) 压实效率高。在相同吨位下，传统压实机械工作速度为3k m h - - 一5k m h ，而 冲击压实机械一般工作速度为1 2k m h - - 一1 5k m h 左右，压实产量比传统压实机械增加了 很多，压实效率大大的得到了提高，这样在保证工程质量的同时，也提高了工程的进度。 ( 6 ) 含水量范围要求降低。经相关检测表明冲击压路机可压实的填料含水量为最 佳含水量5 的范围，能压过干或过湿的地基。 ( 7 ) 具有路基检测性。冲击压实机械工作时，强大的冲击力作用于地面，比较容易 发现未被压实、路基下有空洞以及“橡皮”路面等情况，对基础的施工质量进行了相应 的检查控制【2 7 1 。 l o 第一二章冲击胍路机的应用发展及) e t 作特性 2 2 3 冲击压路机适用范围及其施工效果 冲击式压路机可广泛应用于基础压实和老路面破坏，对原土压实、分层压实、补强 压实、检测压实、冲击破坏均适用，它主要应用在公路、铁路、机场、水坝的土石方基 础压实；废料、粉煤灰、煤场和废物堆置地的压实；岩土块、粘土、膨胀土、湿陷性黄 土的压实；冲击碾压排水固结，加速软土地基稳定；破坏或压实旧的路面，加快旧路改 造工程进度。 经过试验及大量的检测数据表明，冲击碾压基础的效果良好，具体表现在以下几个 方面1 2 7 j ： ( 1 ) 提高了路基压实度。各种类型路基，经过冲击碾压足够遍数，在不同深度范 围内，压实度均有不同程度的提高。碾压后，压实度可达9 6 以上。 ( 2 ) 增强了路基土的水稳性。经碾压后，土工实验表明，在影响深度内湿陷性样品 检出率大幅度降低，饱和前后压缩性指标变幅减小。 ( 3 ) 提高了路基整体强度。根据土工试验结果，大部分碾压路段路基回弹模量增 大，弯沉值减小。说明冲击碾压后路基土强度及承载能力提高，弯沉变形得到改善。 ( 4 ) 减小了路基土工后沉降变形。观察碾压前后压缩模量的变化，在影响深度范 围内，压缩模量增大，压缩性降低。同时，跟踪碾压过程中的压沉量随碾压遍数增加而 增加。平均沉降量在1 0c m 以上。冲击碾压前后孔隙体积与最大干容量计算的孔隙体积 之差明显减小，路基的工后沉降变形有了改善。 ( 5 ) 查明了路基土局部软弱区。冲击碾压技术对路基土在压实作用的同时，也具 有查明原有路基饱水软弱带分布位置的检验作用，在施工过程中可随时发现，从而进行 挖换填土压实，及时处理，保证了路基压实质量及整体均匀性。 2 3 本章小结 本章主要阐述了冲击压实技术的应用、发展历史以及冲击压路机的工作原理，并简 单介绍了冲击压路机在我国公路基础建设中的应用优势，最后还特别的对冲击压路机的 适用范围及其施工效果做了详细的说明。 总结如下： 1 冲击压路机利用非圆形的冲击轮，通过牵引机的动力牵引作用，将其牵引力转化 为冲击轮的高位势能和动能，加上冲击轮自身重量，对基层表面施加揉压、碾压、冲击 的综合作用力，实现路基表层以及深层的双重密实作用。 2 冲击压实技术由于压实能量大、影响深度深、压实质量好、效率高，目前已经广 泛的应用于基础压实和对老路面的破碎。基础压实主要分为原土压实、分层压实、补强 冲击压路机的厚铺层压实质量检测方法研究 压实、检测压实等等，如对公路、铁路、机场、水坝的土石方基础压实，既保证了基层 压实质量的稳定，也加快了我国公路施工建设的速度。 1 2 第三章砂性土1 j 湿陷性黄七t 程特性及分类 第三章砂性土与湿陷性黄土工程特性及分类 3 1 砂性土的分类及工程特性 3 1 1 砂性土的分类 砂性土( s a n d ys o i l ) 指的是含砂土粒含量较多且具有一定粘性的土。砂性土颗 粒问粘聚力比较小