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高速液壓夯實機在臺背回填中的應用

來源：鄭州中航設備時間：2018-01-01

以沖擊壓實為代表的路基壓實技術(shù)在1995年進入中國后得到了廣泛的應用，在提高普通路基填筑質(zhì)量和填筑效率方面效果顯著。作為沖擊壓路機企業(yè)的鄭州中航在實際運用中發(fā)現(xiàn)沖擊壓路機存在作業(yè)盲區(qū)較大，對鄰近構(gòu)造物破壞力大的缺點，于是提出，需要一種能與沖擊壓路機配合使用的高強度、可貼近敏感構(gòu)造物施工的特殊部位壓實設備。
經(jīng)過鄭州中航不懈的努力，無數(shù)次研發(fā)、生產(chǎn)、實驗、改良，歷經(jīng)數(shù)年——VIP系列高速液壓夯實機應運而生，高速指該設備夯擊頻率高，在*大行程下的夯擊頻率不低于30次/分鐘；夯實指該設備夯擊勢能大，錘體質(zhì)量3~5噸，額定夯擊勢能36~60千焦。

中航VIP系列高速液壓夯實機是機電液一體化設備，具有自動人工兩種操控模式，夯實機和樁錘機兩種工作形式。夯擊強度、夯擊能量、連擊次數(shù)等主要工作參數(shù)可通過PLC大范圍調(diào)整、設定，即可對硬實土體（路床等）增壓補強，又可對軟弱土體（基底等）剪切置換。道路施工廣泛應用的是VIP36型和VIP42型高速液壓夯實機。VIP36型高速液壓夯實機額定夯擊能量36KJ，自動模式時錘體行程600mm、900mm、1200mm三檔可調(diào)，夯擊能量分別為18KJ、27KJ、36KJ，人工模式時可自由控制。一般建議與5t裝載機配套使用。VIP42型高速液壓夯實機額定夯擊能量42KJ，自動模式時錘體行程600mm、900mm、1200mm三檔可調(diào)，夯擊能量分別為21KJ、32KJ、42KJ，人工模式時可自由控制。一般建議與5t裝載機配套使用。

截止目前，除港澳臺特區(qū)外，全國所有省份、自治區(qū)、直轄市均已推廣使用中航VIP高速液壓夯實機，其應用領域已擴展至普通公路、快速路、高速公路的新建與改擴建、高鐵、水利、機場、工民建地基、市政、軍事設施等。

2、高速液壓夯實機的工作原理與動力壓實法

1）結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)錘體下落方式的不同，高速液壓夯實機作業(yè)方式可分為自由落錘式和強制落錘式。

自由落錘式（單作用）：液壓缸將錘體提升至指定高度后釋放，錘體依靠重力作用下落；錘體落下后通過錘擊打下錘體與夯板的組件，驅(qū)動預壓在地面的夯板壓實土體。

強制落錘（雙作用）液壓缸將錘體提升至設定高度后快速反向加力，錘體在重力和液壓缸下推力的共同作用下加速下落；錘體落下后通過錘墊鐵打下錘體與夯板的組件，驅(qū)動預壓在地面的夯板壓實土體。

鄭州中航工程設備有限公司VIP系列高速液壓夯實機全部采用強制落錘技術(shù)。

舉起重塊擊地為夯，夯即砸，而高速液壓夯實機錘體夯擊的是慣性很大的下錘體與夯板的組件。由于夯板始終壓在地面上，因此對地面施加的是下壓力，施力機件夯板沒有砸的運動特征。

可見，按機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，高速液壓夯實機可歸類于夯實機械；按其對地面的作用形式，高速液壓夯實機屬動力壓實機械。

壓實機理

高速液壓夯實機是一種利用機器重力和錘體變力的合力壓縮土體的壓實機械。高速液壓夯實機對土體的壓實方法稱為“動力壓實法”，簡稱“動壓法”。動力指動態(tài)力，變力。
動力壓實技術(shù)是區(qū)別靜力（重力）壓實的基礎上，施加更大的動態(tài)力提高壓實效果；振動壓實是利用振動效應增強靜力碾壓的效果；沖擊壓實是高頻率交替的夯擊與變力（靜力與變力的合力，仍屬變力）碾壓；夯實是錘體以*大速度直接擊打?qū)Φ孛?，具有沖擊大﹑衰減快的典型特征。
動力壓實利用變力和機器重力的合力壓縮土體。動力壓實與夯實均具有沖擊，但前者是從靜態(tài)加速，沖擊力的峰值小得多且持續(xù)時間長，后者是以*大速度沖擊地面，沖擊力的峰值大得多且衰減快。若有夯實法（強夯）補強碾壓達標橋臺背或成形路基，錘體對土體的強力剪切拍破壞了土體結(jié)構(gòu)；錘體正面高速壓縮土體的同時，向周邊高速擠土，產(chǎn)生強烈的剪切波，破壞力大。
動力壓實技術(shù)可以實現(xiàn)：用于路床（96區(qū)及以上）補強時，是不在破壞原有土體結(jié)構(gòu)的前提下適度提高土體的密實度和均勻度；用于路基補強（93區(qū)及填筑質(zhì)量偏低的96區(qū)）時是否剪切按需；用于基底及軟弱路基處理時剪切作用顯著，與強夯相似。用高速液壓夯實機破碎相交的既有水泥混凝土路面，拆除夯板后，錘頭外伸部位（設計值130mm）可將路面砸透砸碎；裝上夯板后只能分解已經(jīng)活動斷裂的大板塊?？梢姡幚碛矊嵨矬w時夯擊與動壓的效果差異顯著。
3）技術(shù)優(yōu)勢
路基土體被壓實的過程中抗力（承載力）不斷加大，繼續(xù)壓縮土體須同時具備三個條件：
足夠的作用力：考慮到力在非剛性物體內(nèi)的衰減較快，單位面積的作用力（壓力﹑壓強）須顯著大于土體形變抗力。
足夠的能量：土體顆粒的位移及擠壓變形需要消耗能量。壓實設備須在需要的時間內(nèi)向受壓土體釋放出足夠的能量（有效功），而不是壓實設備具有多大能量。
足夠的作用時間：土體顆粒受力后的運動﹑力向深層的傳遞﹑能量的釋放均需要適當?shù)淖饔脮r間周期，抵抗土體顆粒壓縮后的彈性恢復也需要時間。

壓路機之所以只能用于薄層和表層壓實，是因為其行走作業(yè)，沒有足夠的時間和能量影響深度（還有其它原因）。沖擊力及能量巨大的強夯機在對比試驗中為何不及VIP42高速液壓夯實機（詳見下文)，這是因為面對硬實地面（96區(qū)），強夯機重錘以*大末速度高速撞擊地面，重錘落地反彈，作用力峰值衰減快﹑作用時間短，巨大的能量并未充分釋放在對土體的作用上。
高速液壓夯實機與強夯機的根本性區(qū)別在于重錘與土體之間設置了慣性較大的下錘體及夯板組件，將沖擊能轉(zhuǎn)換為壓力能，接地的夯板從零開始加速，至*高點后逐漸衰減。作用力峰值小﹑作用時間長﹑能量釋放充分，壓實土基這種硬度不高的非剛性體時不易產(chǎn)生橫波（水平波﹑剪切波）。因此高速液壓夯實機可靠近大多公路構(gòu)造物（如橋臺等）壓縮更厚的土體。高速液壓夯實機對土體的高頻率連續(xù)作用使壓縮土體趨于穩(wěn)定。
高速液壓夯實機的結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)特征決定了該產(chǎn)品具有高強度壓縮路基土體的功能，可大范圍調(diào)整工作參數(shù)決定了該產(chǎn)品能夠適應路基的不同部位及不同的填筑階段的處理要求，高速液壓夯實機滿足上述三個必要條件，在高速公路路基補強和特殊部位處理中具有顯著優(yōu)勢。
鄭州中航工程設備有限公司VIP42高速液壓夯實機的各性能參數(shù)是依據(jù)前期應用確定的，又經(jīng)各地多種條件下的試驗驗證。標準配置的VIP42高速液壓夯實機既可完成對路床的補強，也能完成對軟弱路基﹑基底的剪切置換，可滿足公路﹑鐵路路基施工各階段不同要求。特殊需要（如提高或消除剪切效果）可略調(diào)配置，沒有必要選用更大級別機型。
3、用途及應用范圍
目前，國內(nèi)主要使用高速液壓夯實機對分層碾壓達標路基進行補強，部分用于基底及軟弱路基的置換處理等。以普遍使用的VIP42高速液壓夯實機為例，3擋6～12擊對96區(qū)補強時，各地應用證明：有效壓實深度2m以上，影響深度6m以上。根據(jù)國內(nèi)大多省市區(qū)的驗證，特別是業(yè)主﹑監(jiān)理﹑施工方均認為可靠達標的優(yōu)質(zhì)試驗段（壓實度96％以上）進行的補強試驗，使用VIP42高速液壓夯實機補強后，普遍沉降100mm以上，部分大于200mm，少量50～100mm。
另據(jù)部分省市區(qū)進行的11～16t強夯機與VIP42高速液壓夯實機補強效果對比試驗，VIP42高速液壓夯實機的補強效果（沉降量﹑生產(chǎn)率等）顯著優(yōu)于對比強夯機。
基于各地應用情況及高速液壓夯實機具有機動靈活﹑可大范圍調(diào)整壓實強度等特點，其應用范圍大致可歸納為：傳統(tǒng)壓實設備難達到要求的部位及難以施工的部位﹑現(xiàn)行施工技術(shù)成本過高或效率過低的部位。廣東一業(yè)主單位總工程師更是一針見血:中國公路哪有不合格的，這個設備就是用來解決不合格的問題。
現(xiàn)階段，高速液壓夯實機主要應用于橋涵背﹑新舊路結(jié)合部﹑高填方﹑填挖結(jié)合部﹑不良土填層﹑雞爪溝等部位補強，替代強夯進行置換處理，以及人為缺陷或其它缺陷（如雨季浸水疏松等）的補救。
4 、施工技術(shù)
施工參數(shù)應通過試驗段確定。一般認為，為了適當控制成本，高速液壓夯實機的補強沉降量顯著大于常規(guī)處理的工后沉降即可，或者預期的公路大中修前不因此出現(xiàn)大的病害。

以標準配置的VIP42為例，一般采用3檔（1.2m），單點6~12擊，橋涵背補強時夯點相距1.5m（夯板邊緣相距~0.5m），新舊路接縫處夯點相距1~1.5m。夯點直線排列可提高生產(chǎn)率（所謂梅花樁式排列對該機無實質(zhì)意義），沉降量偏大的部位應適當補壓，沉降量過大的部位應挖開重填或者視情況采用高速液壓夯實機補夯措施。高填方可每填2m左右補強一遍；條件較好的低填路基完成后一次性補強。夯板邊緣距橋涵正面大多0.1~0.2m（或用2檔），距八字墻等~0.5m，用2檔。路床表層補強后整平補壓。單層或薄層石砌墻較弱，高墻的墻背不宜使用高速液壓夯實機處理。

5、與常規(guī)施工技術(shù)對比

1）碾壓

自古以來，碾壓技術(shù)僅用于淺表處理。當今考古發(fā)現(xiàn)，四千年前的夏朝都城遺址為夯土，兩千年前修筑的中國第一條高速公路——秦直道的填方段也為夯土，夯土具有穩(wěn)定性。

振動壓實本質(zhì)上仍屬于重力壓實，又稱靜力壓實。振動是往復運動，作用是激勵土體顆粒運動，以降低壓實阻力，激振力無直接壓實作用。目前國內(nèi)振動壓路機振幅小、且采用陳舊落后的圓振動技術(shù)。圓振動就是偏心質(zhì)量的圓周運動，可解析為360°中的任意方向的往復運動，激勵土體顆粒亂動，并不是合適中的上下運動。分層碾壓路基穩(wěn)定性差是該項筑路技術(shù)的固有缺陷，僅在碾壓強度上做文章是難以克服的。突擊完成的路基問題會更突出。

高速液壓夯實機對于分層碾壓成形路基進行的高強度動力補強，是以其影響范圍內(nèi)的十余碾壓層或更多的碾壓層作為一體進行高強度整體化處理，不是置換，更不是簡單壓縮。應是在不破壞既有路基整體結(jié)構(gòu)的前提下，進一步壓縮土體的同時，消除或弱化層內(nèi)均勻性差、層間結(jié)合力低等固有缺陷及人為缺陷。通過對路基的整體化處理，提高土體的密實度和均勻度，從而提高路基承載能力和穩(wěn)定性。

土工格柵

高速公路加寬時，*薄弱的部位是舊路邊坡。該部位也是加寬后重貨車的超車道，即負荷*大的車道。據(jù)連霍高速鄭州段實驗，加寬路基分層碾壓達標并經(jīng)32t振動壓路機補強，VIP42高速液壓夯實機3檔9擊后新筑路基沉降60~100mm，錯臺填筑的新舊路基結(jié)合部（舊路邊坡處）沉降245mm。可見，結(jié)合部采用錯臺填筑、碾壓成形技術(shù)的弊端是底部軟弱。

部分加寬公路在新舊路結(jié)合部采用了土工格柵技術(shù)，延緩或弱化新舊路基差異沉降導致的錯位、開裂等公路病害，近期效果較好，但并未根治該部位路基軟弱問題，實際上隱患未除。

連霍高速鄭州段新舊路結(jié)合部實驗結(jié)果：VIP40高速液壓夯實機安裝標配夯板（直徑1m）3檔9擊時的影響深度5.5m，可有效解決錯臺填筑時底部（深層）路基軟弱問題。山西、河北、河南、江西等省均在使用。

強夯

數(shù)千及上萬千焦的大型強夯機在填海等類似工程中的作用是難以替代的，但不適合公路路基處理。路基處理較多使用5~16t小、中型強夯機（200~1000KJ）。

號稱長安大學技術(shù)60KJ的某小型強夯機在京港澳高速河北段對比試驗時，9錘打了一個590mm的小深坑，但周邊400mm范圍內(nèi)土體隆起，*高處~200mm，破壞力大，該機影響深度僅2m多，以坑深為噱頭，實則不適合成型路基的處理。

京哈高速遼寧沈鐵段成形路基新舊路結(jié)合部對比試驗，16t強夯機3擊沉降量不足70mm，VIP42高速液壓夯實機3檔12擊沉降量~200mm以上，16t強夯機連續(xù)作業(yè)時的效果不及VIP40的1/3，如果算上時間成本，16t強夯機的生產(chǎn)效率遠不如VIP42；江西昌九高速九江附近局部加寬時進行了對比試驗，11t強夯機的直觀效果遠不及VIP42高速液壓夯實機。

貴州三黎高速高填方30~60m，橋隧多，路基斷續(xù)，原設計用強夯機，因強夯機設備大難以展開，施工方要求使用高速液壓夯實機。經(jīng)試驗驗證，VIP42高速液壓夯實機對軟弱路基的剪切效果顯著優(yōu)于強夯機，適用于基底及軟弱路基處理，遂全省推廣。貴州已先后購置三十多臺，施工方還陸續(xù)從省外調(diào)入多臺，成為繼廣東之后用量*多的省份之一。鑒于貴州等省份的成熟經(jīng)驗及類似地貌，云南省略去對比試驗，直接根據(jù)VIP40使用效果，推廣使用VIP42高速液壓夯實機處理高填方路基及填挖結(jié)合部、橋涵背等。

加載預壓

完工路基進行加載預壓（含真空預壓）可加速工后沉降，是成熟有效的施工技術(shù)，但較其落后，可用高速液壓夯實機的動力壓實技術(shù)代替。

連接四川青海的蘭海高速甘肅武灌段上下道分離，山高水多環(huán)保要求高，施工困難，原設計橋背工后堆土預壓，分管領導強調(diào)須執(zhí)行。施工方提出：①堆土預壓購土運土成本高、棄土無法處理；②堆土期阻斷通道，影響工期；③靜載對于數(shù)十米高的填方路基效果不大，遠不如高速液壓夯實機動力補強。建議借鑒南方各省施工經(jīng)驗，改用高速液壓夯實機動力補強技術(shù)。經(jīng)試驗驗證，外監(jiān)認可，該領導親自考察論證，橋背處理由堆土預壓變更為使用VIP42高速液壓夯實機補強，效果顯著。后在甘肅省推廣，并編入施工規(guī)范，普通公路改擴建也大量應用。VIP系列高速液壓夯實機在甘肅省取得成功之后，西北地區(qū)的陜西、寧夏、青海地區(qū)從黃土高原到戈壁灘到海拔5000m的高海拔地區(qū)均開始普遍應用。

不良土處理與填料置換

VIP系列高速液壓夯實機的動力壓實可實現(xiàn)對土體的高強度、高頻率的反復擠壓，能量釋放集中、強大，與碾壓（含振動碾壓）的作用機理及效果差異很大。各地應用表明，高速液壓夯實機對填料類型及規(guī)格的敏感程度較低。

云南、貴州大量40~60m高填方，青?；ň酶咚俸０蝵5000m路段施工條件較其艱苦，根本不可能完全換填技術(shù)標準規(guī)定的填料規(guī)格，只能采用高速液壓夯實機超強度、超標準夯實。

天津地區(qū)建筑材料困乏，為控制成本，大量使用山皮土和農(nóng)田土摻石灰，橋背加大石灰比例，大中橋背另加砼柱，效果不甚合適。其技術(shù)顧問認為，繼續(xù)提高摻灰比例成本提高，效果不合適，提高土體壓實密度才能有效提高路基強度，建議使用中航VIP高速液壓夯實機補強壓實。

黑龍江哈肇公路鶴崗段加寬部用不分級煤矸石回填后，直接用VIP高速液壓夯實機破碎壓實，取得了良好的效果。

黑龍江、吉林高寒地區(qū)成功將VIP高速液壓夯實機用于凍土路基處理。

陜西、甘肅等省份在使用VIP高速液壓夯實機處理濕陷性黃土路基方面也取得了非常豐富的經(jīng)驗。

上海洋山港三期集裝箱堆放區(qū)內(nèi)徑~2m的排水管兩側(cè)填砂灌水后用VIP40壓實（填厚3m以上），效果良好，管道內(nèi)觀察，擊打管壁無可見變形。

6、檢測與評判

一般而言，材料及聚合工藝一定時，固體聚合物的強度主要取決于密度，對于公路路基，即土體壓實密度，高速液壓夯實機可將已經(jīng)壓實合格的土體機械壓縮3%--10%，對土體強度的增強效果顯而易見，

上述所指物體強度在各類載荷的反復作用下能否持續(xù)穩(wěn)定，一般取決于聚合材料內(nèi)部顆粒的均勻度，不均勻結(jié)構(gòu)對于動載荷和輕微缺陷更敏感，抗疲勞能力低，分層碾壓土體內(nèi)層顆粒上密下疏，層間為軟硬面平行貼合，屬典型的不均勻內(nèi)部結(jié)構(gòu)，高速液壓夯實機以其影響范圍內(nèi)的諸碾壓層為一體對土體顆粒壓縮重組，在提高顆粒密度的同時弱化或消除了既有的層內(nèi)及層間缺陷，路基內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻度顯著提高。

標準配置的VIP42高速液壓夯實機3檔9錘補強穩(wěn)定合格的96區(qū)時沉降量50--100mm，無論施工是否按照標準，檢測如何精確，橋涵背96區(qū)補強沉降量接近或大于150mm的部位存在質(zhì)量缺陷是無異的。理由是，96區(qū)土體的抗壓強度的差異不可能很大，高速液壓夯實機施工參數(shù)相同（擊實強度和擊實功一定）時路基沉降量差異不可能如此之大。

可見，對于超常規(guī)完成的中國公路，現(xiàn)有公路的質(zhì)量指標體系用于保證填筑質(zhì)量達標，即所謂合格，高速液壓夯實機用于在合格的基礎上提高填筑質(zhì)量及質(zhì)量缺陷補救，解決怎么干能合格以及合格也未必合用的現(xiàn)實問題。

據(jù)各地大量實驗，橋背96區(qū)補強后沉降100mm以上，超過200mm也屬于常見，可是實測夯擊點壓實度卻又不同程度下降（較個別提高），高鐵路基用evd檢測儀檢測時指標也有下降，這是因為目前常用測試方法及儀器僅適用于薄層碾壓的上半部分或表面，而高速液壓夯實機將數(shù)米后的土體壓縮重組后從上到下更加均勻化，雖土體密度平均值提高了，單*高點可能弱化了，壓實度等指標下降不足為怪，除非基底硬實，填層較薄，采用標準砂礫，從下到上均可靠達標的低填路段，壓實度才可能保持或有所上升，因此，用壓實度這種局部評價指標衡量整體效果未必科學，高速液壓夯實機補強后整平補壓，直接檢測壓實度即可。

另據(jù)各地試驗，高速液壓夯實機補強后，采用重型觸探檢測時，表層強度顯著提高，開挖或采用深層觸探檢測時，不同程度土體強度均顯著提高。觸探試驗較接近高速液壓夯實機的壓實效果，砂礫填層可檢測殘余孔隙比。

高速液壓夯實機具有提高路基質(zhì)量的實際能力毋庸置疑，能否保證質(zhì)量取決于它的管理者和操作者。