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高速液压夯实机在台背回填中的应用

时间:2018-11-28 15:38:33

1、YP系列高速液压夯实机的由来与发展

以冲击压实为代表的高效路基压实技术在1995年进入中国后得到了广泛的应用,在提高普通路基填筑质量和填筑效率方面效果显著。经过郑州哈威不懈的努力,无数次研发、生产、实验、改良,引进德国哈威液压技术——YP系列高速液压夯实机应运而生,高速指该设备夯击频率高,在最大行程下的夯击频率不低于30次/分钟;夯实指该设备夯击势能大,锤体质量3~5吨,额定夯击势能36~60千焦。

哈威YP系列高速液压夯实机是机电液一体化设备,具有自动人工两种操控模式,夯实机和桩锤机两种工作形式。夯击强度、夯击能量、连击次数等主要工作参数可通过PLC大范围调整、设定,即可对硬实土体(路床等)增压补强,又可对软弱土体(基底等)剪切置换。道路施工广泛应用的是YP40YP40型高速液压夯实机。YP30型高速液压夯实机额定夯击能量36KJ,自动模式时锤体行程600mm、900mm、1200mm三档可调,夯击能量分别为18KJ、27KJ、36KJ,人工模式时可自由控制。一般建议与5t装载机配套使用。YP40型高速液压夯实机额定夯击能量42KJ,自动模式时锤体行程600mm、900mm、1200mm三档可调,夯击能量分别为21KJ、32KJ、42KJ,人工模式时可自由控制。一般建议与5t装载机配套使用。

截止目前,除港澳台特区外,全国所有省份、自治区、直辖市均已推广使用哈威YP高速液压夯实机,其应用领域已扩展至普通公路、快速路、高速公路的新建与改扩建、高铁、水利、机场、工民建地基、市政、军事设施等。

2、高速液压夯实机的工作原理与动力压实法

1)结构与工作原理

根据锤体下落方式的不同,高速液压夯实机作业方式可分为自由落锤式和强制落锤式。

 

自由落锤式(单作用):液压缸将锤体提升至指定高度后释放,锤体依靠重力作用下落;锤体落下后通过锤击打下锤体与夯板的组件,驱动预压在地面的夯板压实土体。

强制落锤(双作用)液压缸将锤体提升至设定高度后快速反向加力,锤体在重力和液压缸下推力的共同作用下加速下落;锤体落下后通过锤垫铁打下锤体与夯板的组件,驱动预压在地面的夯板压实土体。

郑州哈威工程设备有限公司YP系列高速液压夯实机全部采用强制落锤技术。

举起重块击地为夯,夯即砸,而高速液压夯实机锤体夯击的是惯性很大的下锤体与夯板的组件。由于夯板始终压在地面上,因此对地面施加的是下压力,施力机件夯板没有砸的运动特征。

可见,按机械产品的结构特征,高速液压夯实机可归类于夯实机械;按其对地面的作用形式,高速液压夯实机属动力压实机械。

  1. 压实机理

 

高速液压夯实机是一种利用机器重力和锤体变力的合力压缩土体的压实机械。高速液压夯实机对土体的压实方法称为“动力压实法”,简称“动压法”。动力指动态力,变力。

动力压实技术是区别静力(重力)压实的基础上,施加更大的动态力提高压实效果;振动压实是利用振动效应增强静力碾压的效果;冲击压实是高频率交替的夯击与变力(静力与变力的合力,仍属变力)碾压;夯实是锤体以最大速度直接击打对地面,具有冲击大﹑衰减快的典型特征。

动力压实利用变力和机器重力的合力压缩土体。动力压实与夯实均具有冲击,但前者是从静态加速,冲击力的峰值小得多且持续时间长,后者是以最大速度冲击地面,冲击力的峰值大得多且衰减快。若有夯实法(强夯)补强碾压达标桥台背或成形路基,锤体对土体的强力剪切拍破坏了土体结构;锤体正面高速压缩土体的同时,向周边高速挤土,产生强烈的剪切波,破坏力大。

动力压实技术可以实现:用于路床(96区及以上)补强时,是不在破坏原有土体结构的前提下适度提高土体的密实度和均匀度;用于路基补强(93区及填筑质量偏低的96区)时是否剪切按需;用于基底及软弱路基处理时剪切作用显著,与强夯相似。用高速液压夯实机破碎相交的既有水泥混凝土路面,拆除夯板后,锤头外伸部位(设计值130mm)可将路面砸透砸碎;装上夯板后只能分解已经活动断裂的大板块。可见,处理硬实物体时夯击与动压的效果差异显著。

 

3)技术优势

路基土体被压实的过程中抗力(承载力)不断增大,继续压缩土体必须同时具备三个条件:

足够的作用力: 考虑到力在非刚性物体内的衰减较快,单位面积的作用力(压力﹑压强)必须显著大于土体形变抗力。

足够的能量:  土体颗粒的位移及挤压变形需要消耗能量。压实设备必须在需要的时间内向受压土体释放出足够的能量(有效功),而不是压实设备具有多大能量。

足够的作用时间: 土体颗粒受力后的运动﹑力向深层的传递﹑能量的释放均需要适当的作用时间周期,抵抗土体颗粒压缩后的弹性恢复也需要时间。

压路机之所以只能用于薄层和表层压实,是因为其行走作业,没有足够的时间和能量影响深度(还有其它原因)。冲击力及能量巨大的强夯机在对比试验中为何不及YP40高速液压夯实机(详见下文),这是因为面对硬实地面(96区),强夯机重锤以最大末速度高速撞击地面,重锤落地反弹,作用力峰值衰减快﹑作用时间短,巨大的能量并未充分释放在对土体的作用上。

高速液压夯实机与强夯机的根本性区别在于重锤与土体之间设置了惯性较大的下锤体及夯板组件,将冲击能转换为压力能,接地的夯板从零开始加速,至最高点后逐渐衰减。作用力峰值小﹑作用时间长﹑能量释放充分,压实土基这种硬度不高的非刚性体时不易产生横波(水平波﹑剪切波)。因此高速液压夯实机可靠近大多公路构造物(如桥台等)压缩更厚的土体。高速液压夯实机对土体的高频率连续作用使压缩土体趋于稳定。

高速液压夯实机的结构形式和技术特征决定了该产品具有高强度压缩路基土体的功能,可大范围调整工作参数决定了该产品能够适应路基的不同部位及不同的填筑阶段的处理要求,高速液压夯实机满足上述三个必要条件,在高速公路路基补强和特殊部位处理中具有显著优势。

郑州哈威工程设备有限公司YP40高速液压夯实机的各性能参数是依据前期应用确定的,又经各地多种条件下的试验验证。标准配置的YP40高速液压夯实机既可完成对路床的补强,也能完成对软弱路基﹑基底的剪切置换,可满足公路﹑铁路路基施工各阶段不同要求。特殊需要(如提高或消除剪切效果)可略调配置,没有必要选用更大级别机型。

3、用途及应用范围

目前,国内主要使用高速液压夯实机对分层碾压达标路基进行补强,部分用于基底及软弱路基的置换处理等。以普遍使用的YP40高速液压夯实机为例,3挡6~12击对96区补强时,各地应用证明:有效压实深度2m以上,影响深度6m以上。根据国内大多省市区的验证,特别是业主﹑监理﹑施工方均认为可靠达标的优质试验段(压实度96%以上)进行的补强试验,使用YP40高速液压夯实机补强后,普遍沉降100mm以上,部分大于200mm,少量50~100mm。

另据部分省市区进行的11~16t强夯机与YP40高速液压夯实机补强效果对比试验,YP40高速液压夯实机的补强效果(沉降量﹑生产率等)显著优于对比强夯机。

基于各地应用情况及高速液压夯实机具有机动灵活﹑可大范围调整压实强度等特点,其应用范围大致可归纳为:传统压实设备难达到要求的部位及难以施工的部位﹑现行施工技术成本过高或效率过低的部位。广东一业主单位总工程师更是一针见血:中国公路哪有不合格的,这个设备就是用来解决不合格的问题。

现阶段,高速液压夯实机主要应用于桥涵背﹑新旧路结合部﹑高填方﹑填挖结合部﹑不良土填层﹑鸡爪沟等部位补强,替代强夯进行置换处理,以及人为缺陷或其它缺陷(如雨季浸水疏松等)的补救。

4 、施工技术

施工参数应通过试验段确定。一般认为,为了适当控制成本,高速液压夯实机的补强沉降量显著大于常规处理的工后沉降即可,或者预期的公路大中修前不因此出现大的病害。

 

以标准配置的YP40为例,一般采用3档(1.2m),单点6~12击,桥涵背补强时夯点相距1.5m(夯板边缘相距~0.5m),新旧路接缝处夯点相距1~1.5m。夯点直线排列可提高生产率(所谓梅花桩式排列对该机无实质意义),沉降量偏大的部位应适当补压,沉降量过大的部位应挖开重填或者视情况采用高速液压夯实机补夯措施。高填方可每填2m左右补强一遍;条件较好的低填路基完成后一次性补强。夯板边缘距桥涵正面大多0.1~0.2m(或用2档),距八字墙等~0.5m,用2档。路床表层补强后整平补压。单层或薄层石砌墙较弱,高墙的墙背不宜使用高速液压夯实机处理。

5、与常规施工技术对比

1)碾压

自古以来,碾压技术仅用于浅表处理。当今考古发现,四千年前的夏朝都城遗址为夯土,两千年前修筑的中国第一条高速公路——秦直道的填方段也为夯土,夯土具有稳定性。

振动压实本质上仍属于重力压实,又称静力压实。振动是往复运动,作用是激励土体颗粒运动,以降低压实阻力,激振力无直接压实作用。目前国内振动压路机振幅小、且采用陈旧落后的圆振动技术。圆振动就是偏心质量的圆周运动,可解析为360°中的任意方向的往复运动,激励土体颗粒乱动,并不是理想中的上下运动。分层碾压路基稳定性差是该项筑路技术的固有缺陷,仅在碾压强度上做文章是难以克服的。突击完成的路基问题会更突出。

高速液压夯实机对于分层碾压成形路基进行的高强度动力补强,是以其影响范围内的十余碾压层或更多的碾压层作为一体进行高强度整体化处理,不是置换,更不是简单压缩。应是在不破坏既有路基整体结构的前提下,进一步压缩土体的同时,消除或弱化层内均匀性差、层间结合力低等固有缺陷及人为缺陷。通过对路基的整体化处理,提高土体的密实度和均匀度,从而提高路基承载能力和稳定性。

  1. 土工格栅

高速公路加宽时,最薄弱的部位是旧路边坡。该部位也是加宽后重货车的超车道,即负荷最大的车道。据连霍高速郑州段实验,加宽路基分层碾压达标并经32t振动压路机补强,YP40高速液压夯实机3档9击后新筑路基沉降60~100mm,错台填筑的新旧路基结合部(旧路边坡处)沉降245mm。可见,结合部采用错台填筑、碾压成形技术的弊端是底部软弱。

部分加宽公路在新旧路结合部采用了土工格栅技术,延缓或弱化新旧路基差异沉降导致的错位、开裂等公路病害,近期效果较好,但并未根治该部位路基软弱问题,实际上隐患未除。

连霍高速郑州段新旧路结合部实验结果:YP40高速液压夯实机安装标配夯板(直径1m)3档9击时的影响深度5.5m,可有效解决错台填筑时底部(深层)路基软弱问题。山西、河北、河南、江西等省均在使用。

  1. 强夯

数千及上万千焦的大型强夯机在填海等类似工程中的作用是难以替代的,但不适合公路路基处理。路基处理较多使用5~16t小、中型强夯机(200~1000KJ)。

号称长安大学技术60KJ的某小型强夯机在京港澳高速河北段对比试验时,9锤打了一个590mm的小深坑,但周边400mm范围内土体隆起,最高处~200mm,破坏力大,该机影响深度仅2m多,以坑深为噱头,实则不适合成型路基的处理。

京哈高速辽宁沈铁段成形路基新旧路结合部对比试验,16t强夯机3击沉降量不足70mm,YP40高速液压夯实机3档12击沉降量~200mm以上,16t强夯机连续作业时的效果不及YP40的1/3,如果算上时间成本,16t强夯机的生产效率远不如YP40;江西昌九高速九江附近局部加宽时进行了对比试验,11t强夯机的直观效果远不及YP40高速液压夯实机

贵州三黎高速高填方30~60m,桥隧多,路基断续,原设计用强夯机,因强夯机设备大难以展开,施工方要求使用高速液压夯实机。经试验验证,YP40高速液压夯实机对软弱路基的剪切效果显著优于强夯机,适用于基底及软弱路基处理,遂全省推广。贵州已先后购置三十多台,施工方还陆续从省外调入多台,成为继广东之后用量最多的省份之一。鉴于贵州等省份的成熟经验及类似地貌,云南省略去对比试验,直接根据YP40使用效果,推广使用YP40高速液压夯实机处理高填方路基及填挖结合部、桥涵背等。

 

  1. 加载预压

完工路基进行加载预压(含真空预压)可加速工后沉降,是成熟有效的施工技术,但极其落后,可用高速液压夯实机的动力压实技术代替。

连接四川青海的兰海高速甘肃武灌段上下道分离,山高水多环保要求高,施工困难,原设计桥背工后堆土预压,分管领导强调必须执行。施工方提出:①堆土预压购土运土成本高、弃土无法处理;②堆土期阻断通道,影响工期;③静载对于数十米高的填方路基效果不大,远不如高速液压夯实机动力补强。建议借鉴南方各省施工经验,改用高速液压夯实机动力补强技术。经试验验证,外监认可,该领导亲自考察论证,桥背处理由堆土预压变更为使用YP40高速液压夯实机补强,效果显著。后在甘肃省推广,并编入施工规范,普通公路改扩建也大量应用。YP系列高速液压夯实机在甘肃省取得成功之后,西北地区的陕西、宁夏、青海地区从黄土高原到戈壁滩到海拔5000m的高海拔地区均开始普遍应用。

 

  1. 不良土处理与填料置换   

YP系列高速液压夯实机的动力压实可实现对土体的高强度、高频率的反复挤压,能量释放集中、强大,与碾压(含振动碾压)的作用机理及效果差异很大。各地应用表明,高速液压夯实机对填料类型及规格的敏感程度较低。

云南、贵州大量40~60m高填方,青海花久高速海拔~5000m路段施工条件极其艰苦,根本不可能完全换填技术标准规定的填料规格,只能采用高速液压夯实机超强度、超标准夯实。

天津地区建筑材料困乏,为控制成本,大量使用山皮土和农田土掺石灰,桥背加大石灰比例,大中桥背另加砼柱,效果不甚理想。其技术顾问认为,继续提高掺灰比例成本提高,效果不理想,提高土体压实密度才能有效提高路基强度,建议使用哈威YP高速液压夯实机补强压实。

黑龙江哈肇公路鹤岗段加宽部用不分级煤矸石回填后,直接用YP高速液压夯实机破碎压实,取得了良好的效果。

黑龙江、吉林高寒地区成功将YP高速液压夯实机用于冻土路基处理。

陕西、甘肃等省份在使用YP高速液压夯实机处理湿陷性黄土路基方面也取得了非常丰富的经验。

上海洋山港三期集装箱堆放区内径~2m的排水管两侧填砂灌水后用YP40压实(填厚3m以上),效果良好,管道内观察,击打管壁无可见变形。

 

6、检测与评判

    一般而言,材料及聚合工艺一定时,固体聚合物的强度主要取决于密度,对于公路路基,即土体压实密度,高速液压夯实机可将已经压实合格的土体机械压缩3%--10%,对土体强度的增强效果显而易见,

   上述所指物体强度在各类载荷的反复作用下能否持续稳定,一般取决于聚合材料内部颗粒的均匀度,不均匀结构对于动载荷和轻微缺陷更敏感,抗疲劳能力低,分层碾压土体内层颗粒上密下疏,层间为软硬面平行贴合,属典型的不均匀内部结构,高速液压夯实机以其影响范围内的诸碾压层为一体对土体颗粒压缩重组,在提高颗粒密度的同时弱化或消除了既有的层内及层间缺陷,路基内部结构的均匀度显著提高。

   标准配置的YP40高速液压夯实机3档9锤补强稳定合格的96区时沉降量50--100mm,无论施工是否按照标准,检测如何精确,桥涵背96区补强沉降量接近或大于150mm的部位存在质量缺陷是无异的。理由是,96区土体的抗压强度的差异不可能很大,高速液压夯实机施工参数相同(击实强度和击实功一定)时路基沉降量差异不可能如此之大。

可见,对于超常规完成的中国公路,现有公路的质量指标体系用于保证填筑质量达标,即所谓合格,高速液压夯实机用于在合格的基础上提高填筑质量及质量缺陷补救,解决怎么干能合格以及合格也未必合用的现实问题。

据各地大量实验,桥背96区补强后沉降100mm以上,超过200mm也属于常见,可是实测夯击点压实度却又不同程度下降(极个别提高),高铁路基用evd检测仪检测时指标也有下降,这是因为目前常用测试方法及仪器仅适用于薄层碾压的上半部分或表面,而高速液压夯实机将数米后的土体压缩重组后从上到下更加均匀化,虽土体密度平均值提高了,单最高点可能弱化了,压实度等指标下降不足为怪,除非基底硬实,填层较薄,采用标准砂砾,从下到上均可靠达标的低填路段,压实度才可能保持或有所上升,因此,用压实度这种局部评价指标衡量整体效果未必科学,高速液压夯实机补强后整平补压,直接检测压实度即可。

另据各地试验,高速液压夯实机补强后,采用重型触探检测时,表层强度显著提高,开挖或采用深层触探检测时,不同程度土体强度均显著提高。触探试验较接近高速液压夯实机的压实效果,砂砾填层可检测残余孔隙比。

高速液压夯实机具有提高路基质量的实际能力毋庸置疑,能否保证质量取决于它的管理者和操作者。

 

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