快速液压夯实机在地基处理中的应用分析-.pdf

第 U 卷第 2期 2 0 1 3年 4月 中国工程机械学报 C H I N E S E J O U R NA L O F C O N S T R UC T I O N MA C HI N E R Y V0 1 ． 1 1 No． 2 Ap t ．2 0 1 3 快速液压夯 实机在地基 处理 中的应用分析 司癸 卯，张燕飞，张 成 长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 摘要当今对特殊地基和狭小面积路基处理中， 路基的整体压实达不到规定 的压实度， 基于此开发出一种适合 此类型路基压实的设备． 即通过该设备对地基的加固原理、 夯实效果以及对 比传统强夯理论分析， 得出该夯实机 能满足此类地基处理要求． 试验说明该快速液压夯实机在此类地基处理中效果良好． 关键词 液压夯实机 ； 地基处理；压实度 中图分类号T U 6 6 2 文献标志码 A 文章编号1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 3 0 2 0 1 7 5 0 4 Ap p l i c a b l e a na l y s i s 0 n hi g h s p e e d h y d r a ul i c c o m p a c t o r s ‘f ● l ● ● ● ■ duri ng t 0Undat l 0n t r eat m e nt s i G u i - ma o ，Z t I AN G Y a n - f e i ，Z H A NG C h e n g Ke y L a b o r a t o r y f o r Hi g h wa y Co ns t r u c tio n Te c h n i q u e a n d E q u i p me n t o f Mi n i s t r y o f Ed u c at i o n， Ch a n g’a n Un i v e r s i t y， Xi ’ a n 71 0 0 6 4， Ch i n a Ab s t r a c t Du r i n g t h e t r e a t me n t o f t h e s p e c i a l f o u n d a t i o n a n d n a r r o w a r e a r o a d b e d ， t h e e n t i r e r o a d b e d c o mp a c t n e s s c a n n o t me e t t h e c o mp a c t i o n d e ma n d s O t h a t a s p e c i f i c t y p e o f c o mp a c t o r s i s d e v e l o p e d ． I n p a r t i c u l a r ， t h r o u g h t h e r e i n f o r c e me n t p r i n c i p l e a n a l y s i s a n d c o mp a c t i o n e f f e c t a n a l y s i s a n d c o mp a r i s o n wi t h t h e t r a d i t i o n a l d y n a mi c c o mp a c t i o n t h e o r y， i t i s p r o v e n t h a t t h e d e v e l o p e d c o mp a c t o r can s a t i s f y t h e r e q u i r e me n t s wi t h g o o d e ffe c t s 。 Ke y wo r d s h y d r a u l i c c o mp a c tor； f o u n d a t i o n t r e a t me n t ；c o mp a c t i o n 现今路基工程施工 中， 对于一些特殊地基 比 如桥台背、 涵侧回填 、 半填半挖、 局部高填方及狭小 面积 的回填 处理， 往往会 出现一些难 以解决 的问 题 ， 特别是桥 台背处 的地基压实[ 1 ] ， “ 桥头跳 车” 就是路桥过渡段压实度不够的直接表现． 目前， 由于此类地基压实区域狭窄且填土形状 不规则， 大吨位的振动压路机和冲击夯无法进人该 区域， 传统强夯对要压实区域周边地基影响太大， 使得此类地基的整体压实度难以得到保证E ． 基于 此 ， 本文提出了一种类似强夯工作原理 的快速液压 夯实机 ， 首次尝试用现有强夯理论建立快速液压夯 实机的夯实效果评析标准， 并通过现场地基压实检 测， 初步总结该设备在特殊地形路基工程中的压实 特点及技术效果 ． 1 夯 实机工作原理 快速液压夯实机的工作原理是 在电控系统控 制下用液压缸将夯锤体提升至一定 高度 可根据所 需夯实量选择合适的挡位 ， 通过电磁换向阀使液 压系统换向， 夯锤体在重力作用下 必要时也可以 添加一液压蓄能器共同作用使夯锤体加速 自由下 落， 夯击在带有缓 冲垫 的接地底座上 ， 再通过 接地 底座间接夯击地面 ， 通过装载机 5 ～9 t 夯锤 可用 于履带式挖掘机 工作装置的牵引， 可以做到机动、 灵活、 快速地对不同作业位置进行准确、 有效的夯 实 ． 如图 1所示 ． 作者简介 司癸卯 1 9 6 3 一 ， 男 ， 副教授 ， 工学博士． E - ma i l s ma r t c h d ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 6 中国工程机械学报 第 1 1卷 图 1 快速液压夯实机工作原理 Fi g． 1 C wo r k i ng f o r l m C 2 深度影 响分析 快 速 液 压 夯 实 机 Hi g h - s p e e d Hy d r a u l i c C o mp a c t o r 类似于传统强夯机械， 近似于小能量强 夯法 ， 也是一项 动力固结 加 固技术E 4 ] ， 所 以现有 的 一 些强夯理论也可以应用在液压夯实机上[ 5] ． 使用 强夯的 目的， 在于改 良地基， 对于不 同的土质 ， 又有 不同的改良目的． 譬如对湿陷性黄土地基， 主要是 用强夯破坏黄土 的大孔结构 ， 将 土压 密， 消除土体 的湿陷性 ； 对饱和砂土地基， 主要是改善土体 的相 对密度 ， 提高土体 的抗液化能力 ； 对于一般 的软弱 的黏土地基， 则主要是提高土的强度， 减少变形． 强 夯效果 ， 主要是垂直方 向为主 ， 而人们最关心 的也 是夯后的有效影响深度和在此厚度 内土性 的改善 程度 ． 强夯后对土体 的影 响深度 ， 可参照路 易梅纳 Me n a r d 公式E 6 l Z J o J ／ 1 式 中 Z为地基 土加 固有效 深度 ， m； Q 为夯 锤重 力 ， k N, H 为落距 ， r r 1 ． 由式 1 可以得出快速液压夯实机 夯锤重 3 ～ 9 t ， 行程范围 0 ． 6 ～1 ． 5 m 的有效夯实深度为 1 ． 0 - ． 3 ． 7 IT I ． 根据英 国一家建筑研究所 B R E 的研 究证明， 快速液压夯实机所采用的动态夯实技术填 补了传统表层夯实， 如碾压、 振动压实和传统强夯 技术之间的空 白． I B的测定数据表 明 快速液 压 夯实机的正常夯实深度可达 4 m， 可能影响深度达 1 0 m． 夯实深度是传统碾压技术的十几倍， 为冲击 式碾压技 术 的三 四倍 ， 特别 适合快速处理 深度 为 1 ～1 0 m的地 基 ． 具体 各 种夯 实 方式 的影 响深 度i s ] n 图 2所示 ， 此结论进一步验证梅纳影响深度 公式 的理论的可行性 ． 图2 各种夯实机械作业深度影响范围 Fi g ． 2 De p t ho fc o mp a c t i o no fd i ffe r e n td y n a mi c c o mp a c t i o n me t ho d s 3 环境影 响分析 传统强夯是一种冲击型能源， 当重锤夯击地基 时 ， 产生强大的冲击 波 包括体波 和面波 ， 从夯击 点沿着地表向四周传播开来． 由于阻尼作用， 一般 在很短时间 约 0 ． 4 ～1 ． 0 s 内即消失， 其主频约为 1 0 - - 2 3 H z ， 比一般的建 构 筑物的固有频率高， 但 是由于是连续夯击， 相邻两击时间间隔 2 ～3 min ， 一 次造成的地面振动比较强大 ， 对附近建 构 筑物 和工作、 生产 、 生活都会带来有害影响． 图 3是软地 基强夯的振动实测 曲线[ 8 ] ． 图 3 径 向水平加速度 a与距离 r的关系 Fi g． 3 Re l a t i o ns hi p b e t we e n r a d i a l a c c e l e r a t i o n a a n d d i s t a n c e r 通过图 3可 以看出 ， 在距夯点 2 5 m 处地面最 大振动加速度 径向 相当于 0 ． 1 g g为重力加速 度 ， 小于控制加速度容许值[ ] 0 ． 1 ～0 ． 1 5 g ， 换言之 ， 根据地质条件不 同， 强夯振动影 响区域也 不尽相同， 但是安全距离不能小于 1 5 2 5 m， 所 以 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 司癸卯， 等 快速液压夯实机在地基处理中的应用分析 在处理桥台跳车、 涵侧 回填之类 的地基时就不能应 用 ， 而快速液压夯实机 既保证不损 害建 构 筑物 ， 又满足地基处理的密实度要求 ． 由于夯锤对地 面的 作用是通过静压在地面上带缓冲垫 的接地装置实 施 的， 并通过设计出一种特殊 的接地装置 ， 进一步 减少冲击夯实时对附近建 构 筑物的影响， 使得夯 锤作用力峰值更小 ， 作用更柔和 ， 不 易剪 切填层流 线 ， 贯穿能力强而均匀 ， 所 以可 以在较大的深度范 围内获得均匀的密实度而不破坏附近建筑物． 具体 如图 4所示． 图 4 快 速液压夯 实机对周边地基 的影 响 Fi g ． 4 Hi g h - s p e e d h y d r a u l i c c o mp a c t o r i mp a c t o n t h e p e r i p h e r a l f o u n da t i o n 由图4中数据计算可以得出， 通过设计的专利 底座， 不仅增加了路基单位面积所受的冲击力， 更 重要的是减小了冲击力的扩散角， 使得夯锤处于高 挡位时冲击影响的有效半径仅为 0 ． 5 m， 在 中低挡 位 的冲击影响半径可减小到 0 ． 3 m， 因此应用于路 基构造物附近作业 ， 可以有效地避免过大的冲击． 4 试验及应用技术效果分析 在长安大学动力学实验室大 型土槽 内进行分 层试验 ， 试验 用 土采 用具 有 良好 级 配 的砂 土 ， 按 G B 4 4 7 8 8 4 振动压实机性能试验方法 试验规程 要求， 采用标准重型击实法测定土的含水量与干密 度 的关 系， 求出最大干密度为 1 ． 9 2 5 g c m～， 最佳 含水量为 1 3 ％． 选取 4 m4 m、 深 1 ． 5 m的长方体 坑槽 ， 沿深度 6等分 ， 每层 间隔 1 m均布 9个测点， 采用强挡作业 ， 测定不同实验条件下各层位 的压实 度， 以便分析土体压实度随夯击次数及土体厚度的 变化规律 见表 1 ． 表 1 不同含水量条件下各层位的压实度 Ta b． 1 De g r e e o f c o mp a t i o n o f t he l a y e r s i n t he d i f f e r e nt mo i s t u r e c o nt e n t c o n d i t i o n s 试验结果表 明， 当铺层厚度 1 ． 5 m， 夯击 2 4次 时， 面层 的压实度 为 9 5 ％， 1 m 深 度 内压实 度 达 9 0 ％以上 ； 当铺层厚度为 0 ． 5 m， 夯击 1 8次时 ， 面层 压实度为 9 7 ％， 满足实 际压实施工要求． 随夯击次 数的增加， 各层土壤压实度相应提高[ 9 - 1 0 ] ， 同时对 每一工况而言 ， 前 4层土壤的压实度 比较接近 ， 说 明夯实机有效深度可达 1 。 0 ～1 ． 5 m， 进一步验证梅 、 纳公式 能应用 在 快速 液压 夯 实机 的压 实度 深度 计算． 5 结语 1 理论分析和试验及现场效果分析 ， 快速液 压夯实机作为一种新型的高效夯实机械 ， 具有夯实 能量高 、 影响深度远 、 机动灵活的特点 ， 对于条件受 限制的作业现场具有很好的通过性和适应性 ． 2 在铁路路基、 堤坝护坡加 固及防渗漏处 理 ， 油库、 机场 、 港 口等大 型基 础设施 地基夯实 ， 环 卫垃圾、 有害物资填埋夯实， 军用设施夯实加固等 领域同样有着广阔的应用前景． 参考文献 [ 1 ] 谢弘帅， 宰金璋， 刘庆华， 等． 真空降水堆载联合预压加固高 速公路桥坡软基技术研究 [ J ] ． 中国公路 学报 ， 2 0 0 3 ， 3 5 2 1 7 11 9 3． XI E Ho n g s h u a i ， Z A I J i n z h a n g 。 L I U Qi n g h u a ， e t a 1 ． S t u d y o f t e c h n o l o g y o f s o f t s u b s o i l u n d e r f r e e wa y b r id g e e mb a n k me n t b y t h e c o mb ine d - p r e l oad i n g of v a c u u m d e wa t e r i n g a n d l o a d I- J ] ． C h i n a J o u r n a l of H i g h w a y a nd T r a n s p o r t ， 2 0 0 3 ， 3 5 2 1 7 11 9 3． [ 2] 邹劲 ， 唐海云 ． 桥头跳车理论浅析及质量控制 [ J ] ． 山西科 技 ， 2 0 0 5 4 9 79 8． Z 0 U J i n 。TA N G H a i y u n ．A n a l y s i s o f b r id g e h e a d j u mp i n g t h e o r y a n d q u a l i t y c o n t r o l[ J ] ．S h a n x i S c c i e n c e a nd Te c h n o l o g y， 2 0 0 5 4 9 79 8． [ 3 ] 王鸿鹏． 浅谈公路桥头跳车的防治措施[ J ] ． 东北公路， 2 0 0 1 ， 2 4 4 7 37 5． 、 『G Ho n g p e n g． P r e v e n ti o n n -K s u r e o f h i g h wa y b r i d g e b u mp 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 8 中国工程机械学报 第 l 1卷 [ J ] ． J o u ma l o f N o r t h e a s t H i g h w a y ， 2 0 0 1 ， 2 4 4 7 3 7 5 ． [4] 天津大学 ， 天津市建筑设计 院． D B 2 9 - 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