台背回填高速液压夯实机补强路基质量控制标准 朱家剑′王选仓3苟想伟2付林杰3 1.公路建设与养护技术、材料及装备交通运輸行业研发中心(甘肅路桥建设集国有限公司),甘肃兰州730030 2甘肃路桥第三公路工程有限贲任公司,甘肃兰州730030;3.长安大学,西安710064) 瘸要:基于波体特性的夯击能传递原理,研究使用高速液压夯实机对台背回填进 行补强夯实作业的最佳施工参数。依托G309线板桥乡至小园子(甘宁界)二级路 改建工程,对高速液压夯实机在台背黄土路基补强夯实中施工参数的确定进行现场 试验研究。提出了影响高速液压夯实机补强路基效果的主要因素为夯击档位、夯击 次数和夯点间距。进而根据现场试验结果,研究了不同因素对夯击效果的影响,提 出了台背回填高速液压夯实机补强路基质量控制标准,对指导台背路基工程施工具 有重要意义。 关镳词:路基工程;台背回填土压实;高速液压夯实机;施工参数 中困分类号:U416.1 Quality control standard for reinforcing subgrade of high-pressure hydraulic compaction machine with back-filling Zhu Jia-jian', Wang Xuan-cang Gou Xiang-wei, Fu Lin-jie'3 (1. Research and Development Center of Transport Industry of Technologies, Materials nd Equipments of Highway Construction and Maintenance( Gansu Road Bridge Construction Group Co, Ltd )2. Gansu Luqiao Third Highway Engineering Co, Ltd, Lanzhou 730030, China; 3. Chang an University, Xi'an 710064, China) Abstract: Based on the energy transfer principle of tamping with wave characteristics optimum construction parameters of backfill reinforcement and tamping with high-sI hydraulic tamping machine are studied. Based on the reconstruction project of Banqiao Township to Xiaoyuanzi( Ganning Boundary) second-class road on G309 line, field test was conducted to determine the construction parameters of high-speed hydraulic compactor in the reinforcement and compaction of the abutment back loess roadbed. The main factors influencing the reinforcement effect of high-speed hydraulic compactor are the ramming gear the number of ramming times and the distance between ramming points. Ba asea on the test results, the influence of different factors on the ramming effect is studied. The quality control standard of backfilling high-speed hydraulic compactor to reinforce roadbed is put forward, which is of great significance for guiding the construction of the roadbed behind the 基金项目:甘肃路桥建设集团科技项目(2017-01) (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
台背回填高速液压夯实机补强路基质量控制标准1 朱家剑 1 王选仓 3 苟想伟 2 付林杰 3 （1.公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心（甘肃路桥建设集团有限公司），甘肃 兰州 730030； 2.甘肃路桥第三公路工程有限责任公司，甘肃 兰州 730030； 3.长安大学，西安 710064） 摘 要： 基于波体特性的夯击能传递原理，研究使用高速液压夯实机对台背回填进 行补强夯实作业的最佳施工参数。依托 G309 线板桥乡至小园子（甘宁界）二级路 改建工程，对高速液压夯实机在台背黄土路基补强夯实中施工参数的确定进行现场 试验研究。提出了影响高速液压夯实机补强路基效果的主要因素为夯击档位、夯击 次数和夯点间距。进而根据现场试验结果，研究了不同因素对夯击效果的影响，提 出了台背回填高速液压夯实机补强路基质量控制标准，对指导台背路基工程施工具 有重要意义。 关键词： 路基工程；台背回填土压实；高速液压夯实机；施工参数 中图分类号：U416.1 Quality control standard for reinforcing subgrade of high-pressure hydraulic compaction machine with back-filling Zhu Jia-jian1，Wang Xuan-cang 3，Gou Xiang-wei2 , Fu Lin-jie3 (1.Research and Development Center of Transport Industry of Technologies, Materials and Equipments of Highway Construction and Maintenance(Gansu Road & Bridge Construction Group Co.,Ltd.) 2.Gansu Luqiao Third Highway Engineering Co., Ltd., Lanzhou 730030, China; 3.. Chang'an University, Xi'an 710064, China) Abstract: Based on the energy transfer principle of tamping with wave characteristics, the optimum construction parameters of backfill reinforcement and tamping with high-speed hydraulic tamping machine are studied. Based on the reconstruction project of Banqiao Township to Xiaoyuanzi (Ganning Boundary) second-class road on G309 line, field test was conducted to determine the construction parameters of high-speed hydraulic compactor in the reinforcement and compaction of the abutment back loess roadbed. The main factors influencing the reinforcement effect of high-speed hydraulic compactor are the ramming gear, the number of ramming times and the distance between ramming points. Based on the field test results, the influence of different factors on the ramming effect is studied. The quality control standard of backfilling high-speed hydraulic compactor to reinforce roadbed is put forward, which is of great significance for guiding the construction of the roadbed behind the 1基金项目：甘肃路桥建设集团科技项目（2017-01）
Key words: platform back; high speed hydraulic compactor; roadbed engineering: Construction 引言 在公路工程路基施工过程中,路基压实度是重要的质量控制指标。在桥台涵背等路基构 造物附近由于作业面狭小,不利于大吨位压路机大面积快速压实施工。于大吨位压路机相比 髙速液压夯实机具有机动灵活、压实功大、作业效率高的有点,能够很好的适应桥台涵背路 基回填施工的需求。高速液压夯实机通过液压缸驱动夯锤提上到一定高度,利用重力势能 夯击待加固土地表面的夯板,达到压实土体的目的2。与大吨位压路机作用机理不同,施工 过程中其施工参数的确定也有所不同。故其施工参数的研究多以冲击波浪理论为基础,通过 控制夯实功输出功率、夯点布局密度以及作用层厚度,达到加固土体的目的5。在高速公 路路基施工中,高速液压夯实机广泛用于桥台涵背填土、填挖结合部、高填路基、新旧路基 结合部及加宽部、鸡爪冲沟、冲压盲区等不便或不宜使用强夯的部位阿。 目前国内外进行了很多高速液压夯实机施工参数的研究。曹斌等研究了HC36高速液压 夯实机在高速公路改扩建工程新旧路基结合部的应用,得到了压实影响深度,推荐了机具参 数、夯点中心距、作用层厚度。庄仲欣进行了隧道弃渣破碎的粗粒土填筑路基时高速液压 夯加密补强施工技术参数研究。司癸卯以张承高速为依托通过现场试验研究了土石混合填 料用于桥台涵背侧向回填时,高速液压夯实机施工参数,并提出了用于不同填土路基时的实 验步骤。现阶段研究多集中在补强夯实石料或砂砾料方面,在黄土填筑路基补强夯实中的 应用研究较少。 因此,本文对高速液压夯实机在台背黄土路基补强夯实中的应用技术进行研究,主要研 究了夯击档位、夯击次数、夯点间距对补强夯实效果的影响,得出了高速液压夯实机补强夯 实台背黄土路基较为适宜的施工技术参数,以指导高速液压夯实机在黄土路基施工中的应用。 二、基于波体特性的夯击能传递原理 高速液压夯实机处理路基时,在落锤到达土体的瞬间,会引起土体剧烈振动,由于土体 可视为弹塑性材料,因此夯击能在其中的传播可看作为波在连续介质中的传播,根据夯 实机作用原理以及路基土特点,可将该波分为橫波和纵波,横波和纵波的传播速度可根据下 式确定。 A 4G (式2) (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
abutment. Key words: platform back; high speed hydraulic compactor; roadbed engineering；Construction parameters 一、引言 在公路工程路基施工过程中，路基压实度是重要的质量控制指标。在桥台涵背等路基构 造物附近由于作业面狭小，不利于大吨位压路机大面积快速压实施工。于大吨位压路机相比， 高速液压夯实机具有机动灵活、压实功大、作业效率高的有点，能够很好的适应桥台涵背路 基回填施工的需求[1]。高速液压夯实机通过液压缸驱动夯锤提上到一定高度，利用重力势能 夯击待加固土地表面的夯板，达到压实土体的目的[2]。与大吨位压路机作用机理不同，施工 过程中其施工参数的确定也有所不同。故其施工参数的研究多以冲击波浪理论为基础，通过 控制夯实功输出功率、夯点布局密度以及作用层厚度，达到加固土体的目的[3-5]。在高速公 路路基施工中，高速液压夯实机广泛用于桥台涵背填土、填挖结合部、高填路基、新旧路基 结合部及加宽部、鸡爪冲沟、冲压盲区等不便或不宜使用强夯的部位[6]。 目前国内外进行了很多高速液压夯实机施工参数的研究。曹斌等研究了HC36高速液压 夯实机在高速公路改扩建工程新旧路基结合部的应用，得到了压实影响深度，推荐了机具参 数、夯点中心距、作用层厚度[7]。庄仲欣进行了隧道弃渣破碎的粗粒土填筑路基时高速液压 夯加密补强施工技术参数研究[8]。司癸卯以张承高速为依托通过现场试验研究了土石混合填 料用于桥台涵背侧向回填时，高速液压夯实机施工参数，并提出了用于不同填土路基时的实 验步骤[9]。现阶段研究多集中在补强夯实石料或砂砾料方面，在黄土填筑路基补强夯实中的 应用研究较少。 因此，本文对高速液压夯实机在台背黄土路基补强夯实中的应用技术进行研究，主要研 究了夯击档位、夯击次数、夯点间距对补强夯实效果的影响，得出了高速液压夯实机补强夯 实台背黄土路基较为适宜的施工技术参数，以指导高速液压夯实机在黄土路基施工中的应用。 二、基于波体特性的夯击能传递原理 高速液压夯实机处理路基时，在落锤到达土体的瞬间，会引起土体剧烈振动，由于土体 可视为弹塑性材料，因此夯击能在其中的传播可看作为波在连续介质中的传播[10]，根据夯 实机作用原理以及路基土特点，可将该波分为横波和纵波，横波和纵波的传播速度可根据下 式确定。 1 12 0 (1 ) 4 m A v Gr （式1） (1 ) z E G V （式2）
式中,V、V分别为纵、横波传播速度;E、G分别为土体弹性模量和剪切模量;4为 泊松比;p为土体密度 由上式可知,影响夯实能在土中传播的主要因素有土体弹性模量、剪切模量、泊松比和 密度,根据钱家欢弹性模型,有 4G1 fn 2Vm(1-) (式3) 4=n2,/( 4G1 (式4) 式中,n、f分别为无阻尼和有阻尼时的固有频率:为落锤底面半径:m1为落锤 质量:A为振幅;V2为落锤击中土体后的土体速度 根据上式可知,当采用高速液压夯实机补强路基时,夯实机每一次的夯击能大小主要和 落锤半径、落锤重量、土体密度等因素有关,而在对同一处土体进行连续夯击时,土体的密 度又在不断变化,当土体达到足够的密实度后,夯实机产生的波在土体中的传播速度将会很 小,此时夯实效果较差:由于横波的产生,将会使得土体在橫向产生上下波动,这不利于土 体密实,尤其在夯点周围的表面土体会产生浮土现象,因此,如何控制各夯点间距,保证路 基土在整个平面内的密实度的基础上,最大限度减少夯实机对土体的横向扰动,将是实际工 程中面临的又一难题。 根据上述分析,采用高速液压夯实机补强黄土路基时,夯击档位、夯击次数和夯点间距 对夯实效果将会产生重大影响 高速液压夯实机补强夯实黄土路基现场试验研究 本文依托G309线板桥乡至小园子(甘宁界)二级路改建工程,在台背回填进行高速液 压夯实机补强夯实黄土路基现场试验,研究不同夯击档位、夯击次数和夯点间距对夯实效果 的影响。现场试验采用HC42高速液压夯实机,该夯实机为双作用液压锤,与装载机配套使 用,采用电脑控制、液压加力,冲击强度多级调控,共分3个档位,主要性能参数汇总如表1 表1HC42高速液压夯实机主要技术参 额定冲锤体夯板工作 夯击频率(次/min1) 锤体行程(m) 击能量质量直径质量压力 (KJ (t) (MPa) Ⅰ档Ⅱ档Ⅲ档档档Ⅲ档 42 0 0.20.6 l.2 (一)夯击档位对夯实效果影响 为研究不同档位对补强夯实效果的影响,控制夯点边距间隔为50cm,采用梅花状夯点 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
式中， Vp 、Vz 分别为纵、横波传播速度；E、G分别为土体弹性模量和剪切模量； 为 泊松比； 为土体密度。 由上式可知，影响夯实能在土中传播的主要因素有土体弹性模量、剪切模量、泊松比和 密度，根据钱家欢弹性模型[11]，有 0 1 1 4 2 (1 ) n d Gr f f m （式3） 1 12 0 (1 ) 4 m A v Gr （式4） 式中， n f 、 d f 分别为无阻尼和有阻尼时的固有频率； 0 r 为落锤底面半径； m1 为落锤 质量；A为振幅； 12 v 为落锤击中土体后的土体速度。 根据上式可知，当采用高速液压夯实机补强路基时，夯实机每一次的夯击能大小主要和 落锤半径、落锤重量、土体密度等因素有关，而在对同一处土体进行连续夯击时，土体的密 度又在不断变化，当土体达到足够的密实度后，夯实机产生的波在土体中的传播速度将会很 小，此时夯实效果较差；由于横波的产生，将会使得土体在横向产生上下波动，这不利于土 体密实，尤其在夯点周围的表面土体会产生浮土现象，因此，如何控制各夯点间距，保证路 基土在整个平面内的密实度的基础上，最大限度减少夯实机对土体的横向扰动，将是实际工 程中面临的又一难题。 根据上述分析，采用高速液压夯实机补强黄土路基时，夯击档位、夯击次数和夯点间距 对夯实效果将会产生重大影响。 三、高速液压夯实机补强夯实黄土路基现场试验研究 本文依托G309线板桥乡至小园子（甘宁界）二级路改建工程，在台背回填进行高速液 压夯实机补强夯实黄土路基现场试验，研究不同夯击档位、夯击次数和夯点间距对夯实效果 的影响。现场试验采用HC42高速液压夯实机，该夯实机为双作用液压锤，与装载机配套使 用，采用电脑控制、液压加力，冲击强度多级调控，共分3个档位，主要性能参数汇总如表1 所示： 表 1 HC42 高速液压夯实机主要技术参数 额定冲 击能量 （KJ） 锤体 质量 （t） 夯板 直径 （m） 工作 质量 （t） 工作 压力 （MPa） 夯击频率（次/min-1） 锤体行程（m） Ⅰ档 Ⅱ档 Ⅲ档 Ⅰ档 Ⅱ档 Ⅲ档 42 3.5 1.0 6.9 25 60 20 10 0.2 0.6 1.2 （一）夯击档位对夯实效果影响 为研究不同档位对补强夯实效果的影响，控制夯点边距间隔为50cm，采用梅花状夯点
布设形式,夯机次数为18次。每个档位选取3各个作用点,每夯击3次适用水准仪测量一次作 用点高程,作用点下沉量观测结果如下表所示 表2各档夯击不同次数时暴计下沉量(mm) 档位 点位 21 均值 21.7 均值 22.7 28.7 39.3 53 Ⅲ档 70 均值 35.0 51.7 64.7 87.3 I档 Ⅱ档 Ⅲ档 70 30 10 9 12 1821 夯击次数 图1各档夯击次教与下沉量关系曲线 从表2及图1可知:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ档夯击18遍后各点夯击效果明显不同,Ⅰ档夯沉量最小, Ⅲ档夯沉量最大;Ⅰ档条件下仅前3锤的夯击沉降量在lcm以上,超过12次之后每夯击3锤, 夯沉量增幅均在3mm以内。Ⅱ档条件下作用相同次数时,夯击沉降量有所提高,在前9次夯 击过程中,夯击沉降量増长幅度较大,之后増长速率开始减缓,最大下沉量较Ⅰ档提高57% Ⅲ档条件下每夯击3锤引起的夯沉量增幅最大,在第三次夯击时,下沉量已经达到Ⅰ档和Ⅱ 档最大沉降量,随着夯击次数的增加,压实效果有显著提升。因此对HC42液压夯实机推荐 采用Ⅲ档进行黄土路基补强夯实作业,施工效果最好。 二)夯击次数对夯实效果影响 选择Ⅲ档分别在不同点位进行6次、9次、12次、15次、18次、21次、24次的夯击试验, (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
布设形式，夯机次数为18次。每个档位选取3各个作用点，每夯击3次适用水准仪测量一次作 用点高程，作用点下沉量观测结果如下表所示： 表 2 各档夯击不同次数时累计下沉量（mm） 档位 点位 夯击次数 3 6 9 12 15 18 Ⅰ档 ① 14 18 21 24 26 27 ② 13 16 19 21 22 23 ③ 17 21 25 29 31 33 均值 14.7 18.3 21.7 24.7 26.3 27.7 Ⅱ档 ① 12 19 25 29 32 34 ② 18 25 30 35 40 44 ③ 16 24 31 34 37 40 均值 15.3 22.7 28.7 32.7 36.3 39.3 Ⅲ档 ① 36 53 66 77 87 97 ② 32 47 58 69 78 87 ③ 37 55 70 85 97 107 均值 35.0 51.7 64.7 77.0 87.3 97.0 图 1 各档夯击次数与下沉量关系曲线 从表2及图1可知：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ档夯击18遍后各点夯击效果明显不同，Ⅰ档夯沉量最小， Ⅲ档夯沉量最大；Ⅰ档条件下仅前3锤的夯击沉降量在1cm以上，超过12次之后每夯击3锤， 夯沉量增幅均在3mm以内。Ⅱ档条件下作用相同次数时，夯击沉降量有所提高，在前9次夯 击过程中，夯击沉降量增长幅度较大，之后增长速率开始减缓，最大下沉量较Ⅰ档提高57%。 Ⅲ档条件下每夯击3锤引起的夯沉量增幅最大，在第三次夯击时，下沉量已经达到Ⅰ档和Ⅱ 档最大沉降量，随着夯击次数的增加，压实效果有显著提升。因此对HC42液压夯实机推荐 采用Ⅲ档进行黄土路基补强夯实作业，施工效果最好。 （二）夯击次数对夯实效果影响 选择Ⅲ档分别在不同点位进行6次、9次、12次、15次、18次、21次、24次的夯击试验
其它试验条件同上。各点沉降观测结果见表3。 表3Ⅲ档夯击不同次数对应夯沉量(mm) 分计夯沉量 夯击次数 各点沉降均值累计夯沉量 35 35.0 24 25.7 42 16.7 95.7 16.7 40.0 20.0 102.7 12.3 40.0 21.0 16.0 114.0 13.7 18 11 36 39.3 120.3 12.0 11.0 lI 10.3 40.7 14.0 12.3 125.3 10.0 24 8 8.3 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
其它试验条件同上。各点沉降观测结果见表3。 表 3 Ⅲ档夯击不同次数对应夯沉量（mm） 夯击次数 分计夯沉量 累计夯沉量 ① ② ③ 各点沉降均值 6 3 35 34 36 35.0 60.7 6 33 24 20 25.7 9 3 37 42 49 42.7 6 33 22 24 26.3 85.7 9 16 18 16 16.7 12 3 42 42 49 44.3 95.7 6 21 19 21 20.3 9 16 16 18 16.7 12 14 13 16 14.3 15 3 42 36 42 40.0 102.7 6 20 23 17 20.0 9 17 17 16 16.7 12 13 14 14 13.7 15 12 12 13 12.3 18 3 40 41 39 40.0 114.0 6 20 21 22 21.0 9 16 17 15 16.0 12 13 15 13 13.7 15 12 13 12 12.3 18 10 11 12 11.0 21 3 42 40 36 39.3 120.3 6 20 22 18 20.0 9 14 15 15 14.7 12 12 14 13 13.0 15 11 13 12 12.0 18 10 11 12 11.0 21 10 10 11 10.3 24 3 40 42 40 40.7 125.3 6 19 21 20 20.0 9 14 15 13 14.0 12 12 12 13 12.3 15 12 11 11 11.3 18 11 9 10 10.0 21 9 9 8 8.7 24 9 8 8 8.3