垂直振动压路机在公路施工中的应用研究

郭 海 斌

(山西路桥再生资源开发有限公司，山西 太原 030000)

垂直振动压路机是在振动器上部安装两组偏心块，在旋转过程中垂直方向力互相叠加，水平方向力互相抵消，压路机碾压过程只在垂直方向上产生振动。与圆振动压路机相比，垂直振动压路机工作效率更高，压实质量更好，施工成本更低，可有效节约能源，减少污染物排放。20世纪80年代，日本和德国的工程机械厂家已经开始垂直振动压路技术的研究，日本于1990年将垂直振动压路机应用在大坝施工中，压实厚度可达到100 cm。我国垂直振动压路机研究相对较晚，于2006年将垂直振动压路机应用在大坝RCC混凝土施工中，碾压层厚度也达到了100 cm。早期垂直振动压路机主要应用在水利工程中，随着公路交通事业的发展，也逐步应用在路基路面施工中。因此，对垂直振动压路机施工技术的研究，有利于优化施工工艺，指导一线施工。

1 垂直振动压实机理

垂直振动压实技术是采用定向激振压实能量完成压实作业，与普通的圆周振动压实相比压实能量更集中，压实深度更大，能耗低等技术优势，压实效率和压实质量都得到了明显提高。结合垂直振动压实技术的特点，分析压实机理如下：

1)垂直冲击效应。压路机的激振力和压实材料所承受的有效作用力有区别，而振动轮压路机的动量是直接影响压实质量和压实效率的主要因素。垂直振动压实技术在垂直方向上动量增加，对压实材料的冲击压实能量增加，可有效提高压实厚度。压实材料在压实过程中，压实能量传播使土壤颗粒相互嵌挤，大幅度降低孔隙，压实材料的密实度和整体稳定性不断提高。

2)共振减摩效应。当垂直振动压路机的激振频率接近或等于压实材料固有频率时，在压实过程中使材料产生共振或接近共振的状态，降低压实材料颗粒之间的内摩擦力，使颗粒之间产生滑动位移，可进一步提高压实密实度和压实效率。另外，共振减摩作用可有效提高垂直振动压实的效果，有利于压实能量的充分发挥，提高有效压实功，可降低能耗，提高压实效率。

综上所述，垂直振动压实技术是垂直冲击和共振减摩效应共同作用的结果，不仅可以提高压实质量，增加压实厚度，还可以减少能耗，提高压实效率。

2 垂直振动压实方案

2.1 路基压实方案

某高速公路土方路基95区填方路段，填料选用粘土质砂，选用20 t全液压垂直振动压路机。路基试验段填层压实厚度为40 cm，45 cm，50 cm，松铺系数为1.45～1.56，下承层压实度不低于94%，填层压实度不低于95%。压实厚度45 cm路基碾压方案：采用垂直振动压路机先稳压1遍，复压先高频低幅振动碾压1遍，而后低频高幅振动碾压2遍，再高频低幅振动碾压1遍，终压采用静压1遍，消除轮迹，提高平整度。碾压遍数根据压实度检测结果适当调整，碾压过程中轮迹重叠不少于1/3，碾压速度控制在2 km/h～3 km/h。路基压实度检测采用灌砂+续砂法，试坑深度不低于25 cm，压实度不得低于95%。

2.2 厚水稳基层压实方案

该高速公路设计采用厚水稳基层，基层98区材料选用水稳碎石基层，摊铺设备选用DT1600型摊铺机，压实机械选用20 t全液压垂直振动压路机。试验段基层压实厚度为30 cm，35 cm，40 cm，松铺系数为1.4～1.5，下承层路基压实度不低于98%。压实厚度30 cm基层碾压方案：初压采用静压1遍，复压先高频低幅振动碾压1遍，而后低频高幅振动碾压1遍，再高频低幅振动碾压1遍，终压采用静压1遍，消除轮迹，提高平整度。碾压遍数根据压实度检测结果适当调整，碾压重叠与碾压速度与上述路基碾压相同，基层压实度检测采用灌水法，试坑深度为30 cm，压实度不得低于98%。

3 垂直振动压实参数与压实质量分析

3.1 压实厚度

3.1.1路基压实厚度

本项目路基施工填料选择粘质砂土和灰土两种填料，试验段压实厚度分别为40 cm，45 cm，50 cm，采用垂直振动压路机进行碾压，压实度检测结果如表1所示。灰土选用6%灰土，最佳含水量14.9%，粘质砂土最佳含水量为12.6%，压实度不低于95%。

表1 不同压实厚度路基压实度检测结果

分析表1 数据可知，灰土压实度高于粘质砂土，且随着压实厚度增加压实度不断下降，但压实质量均满足设计要求。压实厚度达到50 cm压实度检测值接近95%，说明压实厚度应以不超过50 cm为宜。

3.1.2基层压实厚度

本项目基层材料选用水泥稳定碎石，试验段基层压实厚度为30 cm，35 cm,40 cm，压实度不低于98%。基层采用一次性摊铺，采用20 t垂直振动压路机进行碾压。压实完成后检测压实度，平均值为98.9%，养生期满钻芯取样芯样完整，无侧限抗压强度试验结果满足设计要求。分析压实结果表明，垂直振动压路机压实厚度明显高于圆振动压路机，这主要是由于垂直振动能量沿垂直方向传递，增加了压实影响深度。结合压实度检测结果，建议水稳碎石基层压实厚度为40 cm以内。

3.2 压实遍数

对不同材料，不同压实厚度的压实材料，压路机压实频率和压实遍数是不同的。通常材料粒径越大，应选择较大压实频率和振幅，反之。文章以水稳碎石基层碾压为例，比较垂直振动压路机与同吨位圆振动单轴压路机的压实效果，得出曲线如图1所示。

分析图1曲线变化情况可知，当垂直振动压路机振频较低时，累积沉降量较小，压实效果较差。当垂直振动压路机振频达到29 Hz时，沉降量增加幅度较大，压实效果明显提高。与同吨位圆振动单轴压路机相比，强振压实施工效果更好。结合不同填筑厚度的压实效果，分析确定最佳碾压遍数。当压实厚度不大于25 cm，碾压遍数选择3遍～4遍；当压实厚度30 cm～40 cm，碾压遍数选择5遍～6遍。

3.3 压实质量分析

为了分析垂直振动压路机路基压实质量，与同吨位单钢轮圆周振动压路机进行对比分析。在不同碾压遍数下，对两种不同压实机械压实后的路基压实度进行检测，收集数据绘制对比分析曲线如图2所示。

分析图2曲线变化情况，可以得出在碾压遍数相同的情况下，垂直振动压路机碾压后的路基压实度明显高于同吨位单钢轮圆周振动压路机。路基上层压实度随着碾压遍数的增加不断增大，但碾压次数6遍之前增加速度较快，后期压实度增加幅度较小。路基下层在垂直振动压路机碾压8遍后压实度达到最大，碾压遍数超过8遍压实度不增反降，出现了过振现象。路基下层同吨位单钢轮圆周振动压路机碾压10遍压实度达到最大，超过10遍出现过振现象。总之，采用垂直振动压路机碾压后的路基压实度明显高于同吨位单钢轮圆周振动压路机的碾压效果，说明垂直振动压路机碾压质量具有明显的技术优势。

4 结语

结合垂直振动压路机的特点，分析阐述了垂直振动压实机理，并结合工程项目路基和水稳基层施工，按照施工方案进行施工，进一步分析压实结果分析压实质量，得出以下结论：1)根据垂直振动压路机的压实能量，分析确定路基压实厚度可达到50 cm，基层压实厚度可达到40 cm；2)根据填料厚度确定压实遍数和压实速度，压实厚度不大于25 cm，碾压遍数选择3遍～4遍；压实厚度30 cm～40 cm，碾压遍数选择5遍～6遍；3)对比分析不同压实机械路基的压实质量，得出在碾压遍数和压实厚度相同的情况下，垂直振动压路机压实质量更好。