任务一 压实机械的选择
一、土料压实理论
填筑于土坝或土堤上的土方,通过对其压实,可以达到以下目的:提高土体密度,提高土方承载能力加大土坝或土堤坡角,减小填方断面面积,减少工程量,从而减少工程投资,加快工程进度;提高土方防渗性能,提高土坝或土堤的渗透稳定性。土坝或土堤填方的稳定性主要取决于土料的内摩擦力和黏聚力。土料的内摩擦力、黏聚力和防渗性能都随填土的密实程度的增大而提高。例如,某种砂壤土的干密度由1.4g/cm3压实到1.7g/ cm3,其抗压强度可提高4倍,渗透系数将降低为原来的l/2000。
土体是三相体,即由固相的土粒、液相的水和气相的空气组成。通常土粒和水是不会被压缩的,土料压实的实质是将水包裹的土粒挤压填充到土粒间的空隙里,排走空气占有的空间,使土料的空隙率减少,密实度提高。所以,土料压实的过程实际上就是在外力作用下土料的三相重新组合的过程。
黏性土的主要压实阻力是土体内的黏聚力。在铺土厚度不变的条件下,黏性土的压实效果(即干密度)随含水量的增大而增大,当含水量增大到某一临界值时,干密度达到最大,此时如进一步增加土体含水量,干密度反而减小,此临界含水量值称为土体的最优含水量,即相同压实功能时压实效果最大的含水量。当土料中的含水量超过最优含水量后,土体中的空隙体积逐步被水填充,此时作用在土体上的外荷,有一部分作用在水上,因此即使压实功能增加,但由于水的反作用抵消了一部分外荷,被压实土体的体积变化却很小,而呈此伏彼起的状态,土体的压实效果反而降低。
对于非黏性土,压实的主要阻力是颗粒间的摩擦力。由于土料颗粒较粗,单位土体的表面积比黏性土小得多,土体的空隙率小,可压缩性小,土体含水量对压实效果的影响也小,在外力及自重的作用下能迅速排水固结。黏性土颗粒细,孔隙率大,可压缩性也大,由于其透水性较差,所以排水固结速度慢,难以迅速压实。此外,土体颗粒级配的均匀性对压实效果也有影响。颗粒级配不均匀的砂砾料,较级配均匀的砂土易于压实。
二、压实方法及压实机械
黏性土料黏聚力是主要的,要求压实作用外力能克服黏聚力;非黏性土料(砂性土料、石渣料、砾石料)内摩擦力是主要的,要求压实作用外力能克服颗粒间的内摩擦力。不同的压实机械产生的压实作用外力不同,大体可分为碾压、夯击和振动三种基本类型,如图1-25所示。
图1-25 土料压实作用外力示意图
碾压的作用力是静压力,其大小不随作用时间变化,如图1-25(a)所示。
夯击的作用力为瞬时动力,有瞬时脉冲作用,其大小随时间和落高而变化,如图1-25(b)所示。
振动的作用力为周期性的重复动力,其大小随时间呈周期性变化,振动周期的长短,随振动频率的大小而变化,如图1-25(c)所示。
根据压实作用力来划分。通常有碾压、夯击、振动压实三种机具。随着工程机械的发展,又有振动和碾压同时作用的振动碾,产生振动和夯击作用的振动夯等。常用的压实机具有以下几种。
1.羊脚碾
图1-26 羊脚碾外形图
1—羊脚;2—加载孔;3—碾滚筒;4—杠辕框架
图1-27 羊脚对土料的正压力和侧压力
1—碾滚;2—侧压力;3—正压力
羊脚碾的外形如图1-26所示,它适于黏性土料的压实。它与平碾不同,在碾压滚筒表面设有交错排列的截头圆锥体,状如羊脚。钢铁空心滚筒侧面设有加载孔,加载大小根据设计需要确定。加载物料有铸铁块和砂砾石等。碾滚的轴由框架支承,与牵引的拖拉机用杠辕相连。羊脚的长度随碾滚的重量增加而增加,一般为碾滚直径的1/7～1/6。羊脚过长,其表面积过大,压实阻力增加,羊脚端部的接触应力减小,影响压实效果。重型羊脚碾碾重可达30t,羊脚相应长40cm,拖拉机的牵引力随碾重增加而增加。
羊脚碾的羊脚插入土中,不仅使羊脚端部的土料受到压实,而且使侧向土料受到挤压,从而达到均匀压实的效果,如图1-27所示。在压实过程中,羊脚对表层土有翻松作用,无需刨毛就能保证土料良好的层间结合。
2.振动碾
这是一种振动和碾压相结合的压实机械,如图1-28所示。
非黏性土料在振动作用下,土粒间的内摩擦力迅速降低,同时由于颗粒大小不均匀,质量有差异,导致惯性力存在差异,从而产生相对位移,使细颗粒填入粗颗粒间的空隙而达到密实。
然而,黏性土颗粒间的黏结力是主要的,且土粒相对比较均匀,在振动作用下,不能取得像非黏性土那样的压实效果。
由于振动作用,振动碾的压实影响深度比一般碾压机械大1～3倍,可达1m以上。它的碾压面积比振动夯、振动器压实面积大,生产率很高。国产SD-80-13.5型振动碾,全机重13.5t,振动频率1500～1800次/min,生产率高达600m3/h。
图1-28 SD-80-13.5振动碾示意图
1—牵引挂钩;2—滚碾;3—轴;4—偏心块; 5—皮带轮;6—车架侧壁;7—隔板;8—弹簧悬架
3.气胎碾
气胎碾有单轴和双轴之分。单轴主要由装载荷重的金属车厢和装在轴上的4～6个气胎组成。碾压时在金属车厢内加载,并同时将气胎充气至设计压力。为防止气胎损坏,停工时用千斤顶将金属厢支托起来,并把胎内的气放掉,如图1-29所示。
图1-29 拖行单轴式气胎碾
1—金属车厢;2—充气轮胎;3—千斤顶;4—牵挂杠辕
气胎碾在碾压土料时,气胎随土体的变形而变形。随着土体压实密度的增加,气胎的变形也相应增加,从而使气胎与土体的接触面积随之增大,始终能保持较为均匀的压实效果。它与刚性碾比较,气胎不仅对土体的接触压力分布均匀而且作用时间长,压实效果好,压实土料厚度大,生产效率高。
平碾碾滚是刚性的,不能适应土体的变形,荷载过大就会使碾滚的接触应力超过土体极限强度,这就限制了这类碾朝重型方向发展。气胎碾却不然,随着荷载的增加气胎与土体的接触面增大,接触应力仍不致超过土体的极限强度。所以只要牵引力能满足要求,就不妨碍气胎碾朝重型高效方向发展。早在20世纪60年代,美国就生产了重200t的超重型气胎碾。气胎碾既适宜于压实黏性土料,又适宜于压实非黏性土料,能做到一机多用,有利于防渗土料与坝壳土料平起同时上升,用途广泛,很有发展前途。
4.夯板
夯板可以吊装在去掉土斗的挖掘机臂杆上,借助卷扬机操纵绳索系统使夯板上升。夯击土料时将索具放松,使夯板自由下落。夯实土料,其压实铺土厚度可达1m,生产效率较高。对于大颗粒填料可用夯板夯实,其破碎率比用碾压机械压实大得多。为了提高夯实效果,适应夯实土料特性,在夯击黏性土料或略受冰冻的土料时,尚可将夯板装上羊脚,即成羊脚夯。
夯板的尺寸与铺土厚度密切相关。在夯击作用下,土层沿垂直方向应力的分布随夯板短边b的尺寸而变化。当b=h时,底层应力与表层应力之比为0.965;当b=h/2时,底层应力与表层应力比为0.473。若夯板尺寸不变,表层和底层的应力差值随铺土厚度增加而增加,差值越大,压实后的土层竖向密度越不均匀。故选择夯板尺寸时,尽可能使夯板的短边尺寸接近或略大于铺土厚度。
夯板工作时,机身在压实地段中部后退移动,随夯板臂杆的回转,土料被夯实的夯迹呈扇形。为避免漏夯,夯迹与夯迹之间要套夯,其重叠宽度为10～15cm,夯迹排与排之间也要搭接相同的宽度。为充分发挥夯板的工作效率,避免前后排套压过多,夯板的工作转角以不大于80°～90°为宜,如图1-30所示。
三、压实机械的适用与选择
1.各种压实机械的适用情况
根据碾压设备情况,宜用50t气胎碾碾压黏性土、砾质土、压实含水量略高于最优含水量(或塑限)的土料。用9.0～16.4t的双联羊脚碾压实黏性土,重型羊脚碾宜用于含水量低于最优含水量的重黏性土,对于含水量较高、压实标准较低的轻黏性土也可用肋型碾和平碾压实。堆石与含有大于500mm特大粒径的砂卵石多用10～25t的自行式振动碾压实。用直径110cm重2.5t的夯板夯实砂砾料和狭窄地带的填土,对与刚性建筑物、岸坡等的接触带,边角、拐角等部位可用轻便夯夯实,例如采用HW-01型蛙式夯。
图1-30 夯板及其工作示意图
1—夯板;2—提升索;3—操纵索;4—机房;5—支杆
2.选择压实机械的原则
选择压实机械通常需考虑以下原则:
(1)与压实土料的物理力学性质相适应。
(2)能够满足设计压实标准。
(3)可能取得的设备类型。
(4)满足施工强度要求。
(5)设备类型、规格与工作面的大小、压实部位相适应。
(6)施工队伍现有装备和施工经验等。