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用冲击压实技术碾压石坝的可能与前景 土石坝工程’2002年第4期  PAGE 36  PAGE 35 用冲击压实技术碾压石坝的可能与前景 * 根据2002年土石坝工程技术研讨会上的发言资料整理 齐 诚 (蓝派冲击压实技术开发(北京)有限公司) 1．碾压技术对堆石坝发展的重要作用 混凝土面板堆石坝产生与发展的历史与碾压技术的进步密不可分。面板堆石坝在20世纪初就出现了。当时堆石用抛石的方法，密度在2.0g/cm3以下，空隙率达30%。沉降和水平位移都很大，施工期和施工后沉降可达到坝高的7%。坝造高了，沉降加大，混凝土面板开裂，导致大量渗水，因此当时堆石坝最高造到100m。到四十年代，堆石坝基本停止发展。六十年代，大型振动式压路机出现，使堆石坝密度明显提高，变形减小，渗水减少，施工季节不受限制，因而堆石坝再次大发展，已成为经济、应用广泛的一种坝型。 堆石坝的变形仍然是造成大坝破坏的主要因素。减少坝体的变形和施工后沉降，使坝在自重压力或水压力共同作用下少沉降，或使沉降控制在一定范围，保证大坝长期安全运行，是坝体设计的原则和关键。 坝的变形分沉陷和水平位移两种。变形的发展以施工期和第一年为主。猫跳河百花电站堆石坝抛填法对变形的观测证明：在蓄水期的第一年，沉陷和水平位移值都达不到最终值的60%。若不计小于0.02%×坝高的年沉陷，变形的终结时间可定为竣工后2～2.5年，两种变形都与坝高呈单调上升的函数关系。加拿大观测了14座堆石坝，竣工后10年的沉降为2.25～1.0%×坝高。而早期出现过大的变形，则成为坝体出现隐患的征兆。 分析堆石坝变形的形成可以认为：最根本的原因还是堆石是散粒体，它总是有很大空隙(如空隙率为20%)，在运行初期由于自重荷载会产生变位，并且历时很长。如果填筑的是砂砾石，则压实效果好，较密实，施工后沉降较小；但如果填筑开挖石料，在高坝的自重压力下石料棱角还会被压碎，嵌缝过程会进一步调整，因而变形继续发生。 从土力学的角度说，如果压实的能量足够，堆石碾压的固结应当是瞬时完成的。但是从我们目前的压实机具有的能量，压实到最大干密度的过程不可能全部完成。因而实际上变形仍在随时间而继续，这种现象在力学上称之为徐变。 综上所述，可以看出，碾压在堆石坝的建造中是一个有决定意义的重要工序。碾压技术的发展不但在过去影响了堆石坝的发展，而且它的发展，仍将影响堆石坝的工程质量和技术进步。 2．碾压技术上的重大革新 从静碾压路机到振动压路机是划时代的重大革新。振动压路机出现在20世纪五十年代，到七十年代已在压路机领域占了60%的份额，目前更成为压实机械的主力军。到目前，它的若干优点仍不可能被其他压路机所代替。振动压路机的出现使堆石坝建设出现了突破性的飞跃。冲击压实机由于其原理、功能和作用不同于振动压路机，因而表现出更突出的优点，是路基压实技术的又一次划时代的重大革新。衡量一种压实设备的使用性能的主要指标是： (1)压实填料的物理力学指标。如密实度、弹性模量、沉降值等。这是工程要求的基本性质，是压实的目的。 (2)压实的有效深度、影响深度和分层填铺厚度。这将影响压实的效率和经济性。 (3)行驶速度和所需碾压遍数。这影响生产效率和施工速度。 (4)工程造价。 用这些指标来衡量冲击式压实机，它的压实密度提高，有效深度加深，行驶速度加快，施工造价低廉。 密度指标是压实工程最主要的技术指标。无论在机场、道路、场坪或是水坝工程，填料无论是石料、砂、粉土或粘土都是这样。具体表现的指标形式或有所不同，机场道路场坪用压实度，堆石坝用密度和空隙率。与振动压路机相比，冲击压实机所达到的压实填料密度高，这是因为： (1)冲击力大 振动压路机的压实是依靠振动力和静碾重压力的共同作用。振动力以压力波的方式向填料内传递，颗粒间的摩擦力急剧降低，在压力作用下移动充填空隙达到密实状态。这种作用在压路机的振动频率接近颗粒的振动频率时就更为显著。 图1 冲击压实机的工作原理 冲击压实机的压实则是依靠冲击力、振动力和静碾重压力三者的共同作用。 图1示出冲击压实机压实轮的工作过程。由这个过程可以看到冲击压路机是靠以下三种能量作用于土基：①重心位于最高时坠落而发生的冲量；②轮以一定速度旋转和跳动引起的振动；③轮静重在滚动过程中压实土基所做的功。 冲击压实机的冲击力，是由动量变化产生的冲量除以作用时间得到。它的前进速度是12km/h，即3.33m/s，这个线速度同样是在图1中由a状态移动到c状态的线速度。冲击的作用时间与作用路程有关，如认为取6cm比较合理，则作用时间为0.02与作用路程有关，如认为取6cm比较合理，则作用时间为0.02秒，这时，冲击力N为： N ＝(Mv″-Mv′)/T ≈2500kN≈250T 式中：M‐压实轮的质量，为15t。v″