高填方机场填筑体处理设计.docx

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1、第5章高填方机场填筑体处理设计填筑体是指原地面至场地平整设计面人工填筑的土石方。填筑体作为形成高填方机场场地的重要载体，填料种类多、土石方量大、工程性质复杂。因此，开展高填方机场填筑体处理设计施工技术研究，对于保证高填方地基长期性能、确保机场使用安全，具有重大的现实意义。本章中就填筑体处理方法、填筑体作业而搭接处理、填筑体内部排水、检测内容与基本要求等四个方面展开论述。5.1 填筑体处理方法在缺乏压实机械的年代，人们普遍采用人力夯实、利用人力或畜力拖动石碳碾压，但这些原始的方法都无法达到理想的压实效果。其压实效果差的主要原因是：压实力有效作用深度浅、压实力作用不均匀、无法严格控制土体内的含水率

2、等。随着科学技术的发展，各类压实机械的不断出现，压实质量水平不断提高。工程实践证明：高标准、高质量的土基压实必须有严格的施工管理、优化的施工工艺、合理有效的质量检验。因此，在使用各类相应的压实机械、进行合理的选型、正确应用压实工艺、进行机械化配套压实作业的前提下，可加快工程进度、提高压实效果和工程质量。从目前各个工程所涉及的行业领域来看，高填方工程所涉及的行业领域有：公路、铁路、水利、机场和军事等。随着工程技术的发展，在各行业中高填方工程填筑体密实处理，一般所采用的方法主要有：碾压、冲压、强夯。碾压是最常用的压实处理方法，针对不同的填料均有很成熟的碾压工艺、设备以及方法可供选择参考。碾压设备主

3、要有轮胎碾、羊足碾、光轮碾等，目前对于填料压实多采用光轮的重力式碾压机，而重力式碾压机又可分为无激振力的静碾，带侧向振动的摇碾以及带竖向激振力的振动式碾压机。碾压一般适用于细粒土和小粒径的粗粒土，虚铺厚度薄，施工操作面较小。由于公路、铁路的填方厚度不大，施工操作面相对较小，机械可综合利用（亦可压实基层和沥青面层）等，使用碾压方式的工程较多。在水利工程的大坝堆石体填筑所采用的传统方法中，碾压也较为常用。机场填方压实多采用振动式碾压机。研究资料表明，采用振动式碾压机压实时，层铺厚度、碾压遍数是压实控制的关键。其中，层铺厚度是根据表面静压力及振动能量在土中随深度衰减而确定的。根据弹性半空间体和布辛氏

4、课题理论，填料任意深度Z处的垂直压力OZ随填料深度Z的变化公式为：ze,*(,7)1(5-1)式中：p表面静压力(MPa);B振动轮的宽度(mm);Z由表面到计算点的深度(mm)o振动能量在填料中随距离的增加而衰减，在距表面丫处的振动能量E,按下式计算：=C(5-2)式中：C一积分常数；1能量损耗系数，与材料性质、类别有关；一距振动源的距离。根据上式，目前采用较为常用的振动碾压机工作参数进行计算，其土的有效压实厚度一般为2050cm,碾压遍数68遍。碾压是一种较为传统的填料压实方式，它转运较便利，施工操作面较小，机械可综合利用。在房建回填土、公路路基、铁路路基、大坝填筑等行业领域有广泛应用。综

5、合来看，对于碾压处理填筑体，可以得出以下几点认识：(1)碾压通常适用于细粒土和小粒径的粗粒土，最大粒径一般不超过虚铺层厚的2/3,宜在2025cm之间；(2)振动碾压时，根据激振力大小(400kN、500kN),虚铺厚度宜在3050cm;(3)对于土料，填料的含水率应严格控制在最佳含水率附近(最佳含水率+3%填料含水率最佳含水率-2%),否则容易引起翻浆。并采取“小规模歼灭战”方法施工，即“随挖、随填、随压、随密实,一气呵成。否则由于太阳暴晒，土料失水，含水率小于最佳含水率-2%,不易被压实。同样，由于降雨使土料的含水率大于最佳含水率+3%,也不易被密实，致使返工浪费。(4)振动碾压对于小粒径

6、的粗粒土的级配改良效果不明显，故应确保填料的颗粒级配良好(不均匀系数大于5,曲率系数13),否则难以达到压实效果。(5)碾压遍数应根据机具能量、虚铺厚度、土料性状、压实度设计确定，一般宜碾压48遍，行驶速度不大于2kmh.(6)在土石方填筑施工前，首先对填料进行预控。对于土料，应对填料的含水率进行试验，以确定填料的含水率是否在最佳含水率附近(过湿的填料要晾晒，过干填料要洒水)。对于小粒径的粗粒土，应对填料的级配进行试验，以确定级配是否良好(05,C=1-3)o典型的碾压施工参数见表5T。碾压施工参数表5-1施工参数压实度分区90区95区碾压激振力（kN）300400500400500虚铺厚度（

7、cm）303040503040碾压遍数6444688填料要求对于土石混合料或爆破块碎石填料，级配良好，最大粒径不大于20Cm行驶速度小于2.0kmh5.1.1 冲击压实冲击压实（简称冲压）技术起源于中国古代的人工打夯法，后来由于其效率低、劳动强度大，逐步被基于静压原理的光轮压路机和基于振动压实原理的振动压路机所取代，然而冲击压实原理却由于它所具有的巨大冲击能和所能获得的深层压实效果，促使人们去不断探求能够连续进行冲击压实的先进设备。土基压实的目的是：通过压实机械持续的压实使土体的密度不断增大，获得土基强度和承载力的提高。传统压实方法主要是利用恒定质量的（如光轮压路机）、揉挤的（如羊足碾）、振动

8、的（振动压路机）、冲击的（强夯或重锤夯击）压实设备来实施。一般情况下，压路机的最佳碾压速度为153kmh,最佳压实厚度为0.3O.5m。要提高压实效果和压实生产率，通常是增大压轮质量。要提高承载力，只能加大压实机械的质量，从而增加影响深度。20世纪50年代初，南非AubreyBerrange首创了连续冲击压实设备，又经过四十多年的研究、改进和完善发展，成为高能量连续式冲击压路机。该设备具有：压实轮形状为三边、四边、五边和六边形的实体、空体及可填充式的冲击压实系列产品。蓝派公司1995年完成香港新机场的场道建设后，于1996年将冲击压路机引入中国，至今已较为广泛地应用在部分行业的土基压实施工中。

9、冲击式压路机的压实作用较为复杂，多边形凸轮在滚动过程中，距离轮轴中心最远点着地时使冲压轮整体重心举升产生势能，加之牵引机械轮按一定速度转动具有了瞬时动能，转化为距轮心最近处着地时的动能冲击地面，其冲压过程中兼有拉力、压力、推力的作用。其运动方式为间歇性冲击，可产生瞬时的冲击动荷载。有研究表明冲击压实的冲力可相当于轻型强夯（350kNm）的作用，故其对集料也可产生一定的粒径改良作用。另外，它兼有恒定质量、揉挤、振动和冲击的压实设备的多种碾压效果。冲击式压路机较传统压路机具有如下优点：生产效率高、影响深度大、对填料含水率和最大粒径要求范围宽等，特别是石方施工时，对于最大粒径控制要求高，减少了二次爆

10、破增加的费用，综合经济效益十分明显。就目前状况而言，冲击压实在机场的高填方工程、大坝堆石体填筑、公路和铁路的土基面层补强中应用较多。冲击压实机将传统的圆轮改为非圆形，即改为三边形、四边形或五边形，这种“轮子”有一系列交替排列的凸点和平整的冲压面。在使用过程中，由配套的大功率牵引车带动“轮子”滚动前进，行进时，压实轮滚动与填料接触，冲压轮凸点与冲压平面交替抬升与落下（图5-1）,“轮子”行驶滚动中产生集中的冲击能量并辅以滚压、揉压的综合作用，连续对填料产生作用,使土基得以碾压与压实。图5-1压实轮冲击示意图冲击式压实机的势能是由压实机轮轴组件的质量、压实轮质量半径差所产生的，按下式计算：E=mg

11、h(5-3)式中：E势能(kJ);n冲击压实机轮轴组件的总质量(kg);g重力加速度，通常取9.81ms2;h“轮子”外半径与内半径的差值(m),h=R-r.冲击压实机的冲击力，根据动量和冲量原理，按下式计算：式中：N-冲击力(N);一冲击轮的终速度，v,=0;冲击轮的始速度(s),与压实轮转动的线速度有关，而这一线速度是由配套的牵引设备的牵引速度所决定；T时间变量。例如，当冲击压实机的轮轴组件质量m为12t,压实轮向量半径差h为22Cm时，代入式(5-3),计算得势能为25k一般牵引机的速度为1215kmh,按12kmh计算，冲击的速度为3.34ms,假设作用路程为O.0334m,则冲击的作

12、用时间为O.O1s,代入式(5-4),得到冲击力N为4.0X103按。这样大的低频、大振幅冲击力周期性地作用于土体，产生强烈的冲击波向土基下深层传播，对非黏性饱和土，大大加速了其孔隙水的消散，提高了土的固结速度，力口速了压实过程，使土体得到最大限度地压实，且压实影响深度随着压实遍数的增加而递增。目前，冲压工艺已被全面应用于爆破块碎石(贵州兴义机场高填方、四川攀枝花机场高填方、福建霞浦机场高填方)、土石混合填料(重庆黔江机场、湖北某地高填方)、粉黏土填料(山东聊城机场)、风积砂填料(内蒙古鄂尔多斯机场)、天然戈壁砂砾填料(新疆且末机场、新疆克拉玛依机场)等各种填料的填方压实处理上，在各工程应用中

13、取得了很好的效果。冲击式压路机和传统压路机相比，其主要特点有：冲击式压路机生产效率是传统压路机的45倍，一般冲击式压路机行驶速度为1215kh,而传统压路机行驶速度为152.5kmh,能有效缩短工期。(2)冲击式压路机有效影响深度是传统压路机34倍。通常振动压路机激振力为300扫描全能王创建500kN,而冲击式压路机的冲击压力为4000kN.压实影响有效深度可达15m,可大大提高生产效率、降低工程造价。冲击式压路机对含水率要求比传统压路机范围大，通常传统压路机所要求含水率为最佳含水率-2%+3%,而冲击式压路机所要求含水率为最佳含水率-3%+5%,对于特别干旱或特别潮湿地区土方施工，其施工的难

14、易程度是完全不一样的。(4)冲击式压路机在以石方为填料的压实施工时，最大粒径控制是传统压路机的23倍。石方施工中，最大粒径要求一般为层厚的2/3左右，过大则必须采用二次爆破改小岩石粒径，费用增加相当明显。冲击式压路机对最大粒径限制的放宽，可减少二次爆破次数，从而节约成本。综上分析，结合对多个机场填方工程的应用经验和成果，并参照交通运输部2006年颁布的公路冲击碾压应用技术指南，得出：冲击压实一般适用于细粒土、土石混合料及爆破碎石填料等巨粗粒土，最大粒径不超过层厚的2/3,通常可以达到60cm。根据机具能量(25kJ、32kJ)的不同，选择虚铺厚度。25kJ能量的机具，对于细粒土虚铺厚度宜在80

15、IOOCn1,对于巨粗粒土虚铺厚度宜在60IOOCm;32kj能量机具，按照上述虚铺厚度可增加1020cm。对于细粒土，含水率可适当进行放宽，一般认为可低于重型击实法确定最佳含水率3个百分点和高于最佳含水率5个百分点。冲压对巨粗颗粒土具有一定的破碎作用，在一定程度上能够改良填料的级配特性，相对于碾压，对填料的级配可在一定程度上放宽。冲压遍数应根据机具能量、虚铺厚度、土料性状、密实度设计确定，一般不宜超过30遍；行驶速度1015kh在土石方填筑施工前，首先对填料进行预控。对于土料，应对填料的含水率进行试验，以确定填料的含水率是否在最佳含水率附近(过湿的填料要晾晒，过干填料要洒水)。对于小粒径的粗粒土，应对填料的级配进行试验，以确定级配是否良好(C,5,C,=13)。表5-2为一典型的冲压施工参数。冲压施工参数表5-2施工参数压实度分区90区95区冲压虚铺厚度(Cm)8010012080100冲压遍数2024282836行驶速度(km/h)10.012.0机具势能(kJ)32填料要求对于土石混合料或爆破块碎石填料，最大粒径5070cm5.1.3强夯强夯法除了