本书主要介绍了连续压实控制动力学的理论体系、测试技术和工程应用等方面的内容。全书共分七章以及一个附录,第1章论述了路基结构的技术特征、性能要求以及实现的途径,对填筑质量控制方法进行了分类阐述,对连续压实控制的几种具体方法的特点进行了分析。第2章和第3章为动力学方法的理论基础,主要从评定和控制指标体系、压路机与路基相互作用的动力学原理等方面进行了全面论述。第4章主要阐述了连续压实控制的测试技术;第5章介绍了压实过程的模拟试验成果,是对第2、3章一些结论的试验验证。第6章主要从连续压实控制准则、控制内容和反馈控制措施等方面介绍了连续压实控制的基本原理,是现场实施的技术基础。第7章介绍了二十年来的一些公路、铁路以及机场和市政等典型工程的应用实例,是对第6章控制原理的试验验证。为了方便工程技术人员掌握这项技术,又以问答的形式补充了一个附录,对一些经常遇到的问题进行了解答。其中一些问题就是现场技术人员与笔者之间展开的问答实录。
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填筑工程是指由建筑材料(岩土、水泥、沥青等)按照一定要求堆积碾压而成的土工结构物的统称,覆盖到铁路、公路、机场、大坝、市政等诸多领域。其中,公路和铁路路基在填筑工程中占有主导地位。决定填筑工程质量的关键因素是填料和碾压,目前的焦点主要集中在碾压控制方面。加强填筑工程质量控制,特别是碾压全过程的控制已成为本领域的重中之重。
鉴于传统碾压质量控制方法的局限性,作者自1993年起参加了有关碎石土路基施工质量控制课题的研究工作,从一些资料中了解到国外有一种称为“压实计”的方法可以进行碾压面的连续检测,但经过研究和实践发现,该方法问题较多,特别是在粗颗粒填料中,因此只好另寻蹊径,从压路机与路基相互作用的动力学原理出发,开始了自主研发的艰辛历程。经过理论研究与工程实践,作者于1998年提出了连续压实控制的动力学方法,并以此为基础研发了第一代“压实过程监控系统”(CPMS1.0)且获得国家专利。自1993年起,作者结合东北三省和交通部等多个科研课题,在公路路基、基层和面层的压实质量控制中进行了试验性应用,取得了很好的效果,这为制定相关技术标准奠定了基础。
随着我国高速铁路建设的快速发展,对铁路路基结构性能提出了更高的要求,同时铁路路基填筑质量也越来越受到重视,因此将连续压实控制技术引入铁路建设中的时机开始成熟。2007年,哈尔滨工业大学和中铁二院工程集团有限责任公司合作,承担了一个铁路领域的连续压实控制技术应用的研究课题。2008年,西南交通大学、哈尔滨工业大学等单位共同承担了铁道部“高速铁路路基连续压实检验控制技术与装备研究”科研任务,从理论体系、测试技术和工程应用等方面进一步完善了这项技术。随后,这项技术在多条铁路建设工程中进行了大量的对比试验和工程应用。
《路基连续压实控制动力学原理与工程应用》:
1.2.2填筑质量控制要素
从一般产品制造角度来看,路基也是一种人工合成的产品——采用岩土材料填筑而成的土工结构物。路基填筑质量控制与一般的产品质量控制原理是一样的,包括对原材料的控制、生产工程和工序的控制。那种只注重结果而不重视过程的控制是存在诸多弊端的,其中一个主要问题就是发现问题不能及时乃至无法解决,最终要进行返工才能得到解决。
广义地讲,对于路基填筑工程,其结构的形成过程包含选择填料和碾压的全部过程,其控制要素包含填料与碾压这两方面的内容。因此确切地说,控制填筑工程质量应该动态地监控路基结构形成过程的全过程——选择填料与压实质量,这也是一种质量动态控制与管理的手段和方式。
1.填料的控制
对于路基这种产品来讲,填料就是岩土材料,它的品质好坏直接决定路基的最终质量。如果原材料(填料)存在问题,那么后续无论如何进行生产和质量控制,也都很难解决根本问题。例如,在北方采用膨胀土填料修筑路基,无论怎样碾压,所形成的路基结构也都会产生翻浆冒泥等病害。因此,填料控制是根本。通常情况下,填料控制主要从以下几个方面进行。
(1)填料本身特性控制。这主要体现在细粒料上,如膨胀土、失陷性黄土等特殊土必须进行处理,需要认真对待。
(2)填料级配控制。这主要体现在粗粒料上。即使同一种填料,如果颗粒粒径不同、含量不同,所形成的结构也会有天壤之别。因此在有关路基规范中都要求“填料级配良好”,但是除了级配碎石有明确的级配曲线外,其余都没有级配曲线和范围(只有最大粒径要求)的具体要求,这给现场“如何控制填料级配良好”带来极大的困惑。
(3)含水量控制。对于对水敏感的填料(黏性类细粒土),控制其含水量保持在最优含水量附近是头等大事,过高的含水量会使填料变成“弹簧土”而难于压实,而含水量过低则造成填料处于“松散、起皮”状态,也是难于压实的。
(4)填料厚度控制。路基是分层填筑的,每一层都有厚度要求,一般填厚都要求是30~40cm。这种厚度实际上是早期基于小吨位压路机而制定的(12~14t)。由于目前的压路机都普遍高于18t,因此,适当增大填厚应该是可行的,但是不能超厚填筑。有些施工现场按照每层80~100cm进行,就会造成压实质量存在严重的先天不足。
2.压实的控制
在填料一定的情况下,碾压就成为形成合格“产品”的关键环节了。碾压是对原材料的再生产过程,是形成产品的阶段。如同一般工业生产一样,需要在生产过程中进行严格的质量控制,只有这样才有可能生产出合格的产品。原则上,一般的质量控制方法在碾压过程中同样是适用的。对于填料碾压的控制,按照前面对路基结构性能指标的要求,概括起来应从以下几个方面进行。
(1)压实程度控制,主要是指控制路基填筑体碾压质量达到规定强度和刚度的多少,相当于通常所说的“压实度”或“压实系数”的概念。这是基本的控制要素,也是人们最关心的问题。
(2)压实稳定性控制,主要是指控制路基填筑体性能参数随碾压遍数变化的性质。这是一个相对比较新的概念。当压实稳定性达到一定要求后,所形成的路基结构是比较稳定的,能够抵御外部行车荷载的重复作用。
(3)压实均匀性控制,主要是指路基填筑体性能参数在水平方向上分布一致的性质。均匀性对于刚性路面结构和无砟轨道结构,尤为重要。
(4)压实工艺控制,主要包括压实机具的工艺参数(吨位、振动质量、激振力、频率、振幅,行走速度等)、碾压遍数、碾压厚度等的控制以及碾压长度、宽度、时间等的管理,这些参数对于施工过程和工序管理也是非常必要的。
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