山岛冲击式压路机

山岛冲击式压路机是隶属于压路机的一种新型的拖式压路机.山岛冲击式压路机通过牵引车牵引，带动一个冲击轮，利用冲击轮自身的重量和前进时的冲击力，对水泥路面、路基进行破碎和压实。 分析冲击压实机理，结合工程实例，表明冲击压实技术具有减少路基工后沉降、提高路基整体强度及加固软弱地基的作用。

山岛冲击式压路机的应用范围

山岛冲击式压路机的主要特点

冲击压路机的历史(一、4000年前。 二、1883年。 三、1995年夏。)

冲击式压实技术在路基工程中的应用(一、冲击压实技术的特点 二、冲击压实减少路基工后沉降 三、冲击压实提高路基整体强度 四、冲击压实加固软弱地基 五、填石路堤施工工艺的改进 六、填石路堤的压实标准)

山岛冲击式压路机的应用范围

1.松方土壤的压实，视土壤的种类和含水量，压实厚度可达5米，压实能力可至2000立方米/小时。

2. 完工土基的补压，以增加路基压实度，减少路基沉降变形，提高路基整体强度和建设质量。

3. 水泥混凝土路面在沥青罩面前进行打裂处理(从路面贯穿到水泥板底的微裂)，以防止反射裂缝出现。

4. 对结构有问题的水泥路和半刚性基层进行破碎压实，处理土基和基层、半刚性基层的病害。这种方法也节省了人工和处理旧水泥板块的费用，解决旧水泥板块丢弃的问题，符合节省和环保要求。

5. 山岛冲击式压实机破碎施工的速度高于传统破碎方法的70—80倍，压实施工的速度高于传统压实方法的5—6倍。不但缩短工期，同时大大降低成本。美国工程兵已于1987年对冲击破碎压实机和震动式压路机在非粘性和低粘性土壤进行对比实验,结果冲击破碎压实机每分钟的压实能力相当于普通震动压路机的5.7倍。该技术在美国己被广泛使用，是一项很成熟的工艺。

山岛冲击式压路机的主要特点

1.采用蓄能器、液压缸、牵引轴上的压簧缓冲、消除冲击对牵引车的影响。

2.操纵举升缸，冲击轮被拖车支承离开地面，可作短途转场而不损坏路面。

3.液压油来自牵引车液压系统，通过快换接头连接，方便，快捷。

4.工作中，可选用推土机、平地机、洒水车配合、便于更有效压实。

山岛冲击式压实机主要性能参数

型号　SD30　SD30(五边)　SDG35

工作质量(t)　14　14　16

冲击能量(kJ)　30　30　35

最佳工作车速(km/h)　10-15　10-15　10-15

外形尺寸(长*宽*高)(mm)　4120*2960*2130　4086*2960*2030　4125*2980*2350

压实宽度(mm)　2*900　2*900　2*900

蓄能器充气压力(MPa)　3.5-4.0　3.5-4.0　3.5-4.0

轮胎压力(MPa)　0.75-0.80　0.75-0.80　0.75-0.80

压实影响深度(m)　5　5　6

蓄能器充液压力(MPa)　4-6　4-6　4-6

冲击压路机的历史

冲击式压路机发明在中国，从科学技术史和技术原理承接的角度讲，冲击压路机就是在中国古代“夯”和“碾”的基础上发展而来的。

一、4000年前。

夯和碾是中国古代劳动人民智慧的结晶。早在4000年前的夏王朝，夯和碾就已经被用来作为分层压实土基的工具。20世纪末，考古学家对位于河南省偃师市的夏都城二里头遗址和第三代商都城遗址上都有非原地土的夯实基础。当然，远古时代的夯和碾由于年代久远、做工粗糙、缺乏更多历史记录等原因已经很难考证其具体的形状。但到了公元1世纪左右中国发明了造纸术后，在有文字记录的文献里，西汉农学家胜的《胜之书》中对“碾”就有了较为详尽的记载。“碌碡”，也就是一种用畜力牵引，碾压谷物、土壤等需要压实作业的工具。“碌碡”在当时的使用是非常普遍的。到了南朝（公元5世纪），由顾野王撰的词语书《玉篇?石部》中对“夯”有了非常明确的描述，夯在当时被称为“砣”，意为石磙上装有把柄，是一种由重力而产生冲击力作用砸实地基的工具。夯的另一种形式一“硪”也是一种靠绳索举高砸实地基的工具。“三夯一硪”的压实作业法在土工行业一直流传至今。

我们不难发现两者在工作时各具千秋。由物理学动量定理可知，夯所利用的是由重力势能经过动能而转化来的冲击力完成土基砸实工作的，它的优点表现为瞬时冲击力大，缺点是冲击作用不均匀。碾则完全是靠碾轮的重力作用完成压实工作的，它的特点和夯正好相反，优点是压实力均匀，缺点是压实力不够大。研发一种能够克服夯和碾的缺点，充分发挥夯冲击力大和碾运行平稳的优点的机器则成为了现代压路机发展的一个方向。

二、1883年。

虽然夯和碾都中国人发明的，但是很遗憾，这一项研究工作并没在中国几千年历史上有丝毫进展，恰恰相反，首先看到这一个崭新科研方向的是外国人。自1883年美国人史密斯（Smith）起，有十几位科学家都曾从事过机械压实土壤相关的研究，提出了众多的设计方案，其中较为成熟的有两种。

一种是南非人Jacobus于1980年提出的冲击压路机方案，参见图3。当碾轮在牵引机的拖动下水平滚动时，碾轮上的3个夯锤便会交替地绕铰销下落，夯击地面。随着碾轮的滚动，夯击过地面的夯锤通过其上的凹形口被固定于碾轮上的固定销临时锁定，从而离开地面。与此同时，下一个夯锤又接着开始重复如上的动作。这种设计实际上是夯和碾的拼接组合，即在一个碾上挂着三个夯。从本质上讲，这种设计已经完成了夯和碾扬长避短的组合，不过它对于现代静碾式压路机并不能形成技术上和市场上的冲击，因为在同一时间，它夯实和碾压所完成的不是对同一块土基的作用，而且它过多的可动部件导致它很难在实用上有较大的突破，安装与维修的成本也会相应地增加。到目前为止，国内还没有见到此类产品。在国外，此类产品也没太大的推广和普及。

另一个设计方案是瑞典人爱勒（EINAR）于1935年提出的轮截面为正多边形的技术方案。该技术方案的典型示例采用的是六边形碾轮，并且获得了专利权。这种思路影响了后来许多非圆形状的压实碾轮的技术发展。由于其非圆形状，碾轮在滚动过程中势必会产生其质心上下偏移的现象。当碾轮重心沿着波浪线移动时，实际上形成的是一个能够产生周期性夯实力的机器夯，其优点是夯实力大，但其缺点是行驶平顺性差。在此以后，也有十几位科学家进行过相关主题的研究对这种方案进行完善。

1953年在南非工作的一个土木工程师Aubrey Berrang é在前人研究的基础上申请了一个相对成熟的发明方案，参见图4。该方案是在四边形碾轮的基础上衍生而来的，设计者在综合考虑运动阻力和冲击力的基础上将碾轮设计成了叶轮形。与前人提出的六边形碾轮相比，叶轮形碾轮在很大程度上减小了牵引阻力，增强了运动的平稳性。而且，由于叶轮的曲线孤形边代替了六边形的直线边，冲击力作用点实现了由面到线的转变，增大了冲击力。该轮的外缘可以装设外圆内方的可拆卸的外套装置，根据需要变成圆形碾压轮，从而实现平衡地滚动，方便了运输和转场，实现了连续夯和碾的有机结合。此外，该设计在轮轴与车架之间装有弓形缓冲弹性元件，用以吸收振动，保证牵引平衡；该申请在1959年获得了美国专利（专利号US2909106）。然而，这个方案在当时并没有得到广泛的应用和推广，一方面是人们对这一新生事物还没有给予充分的认可，另一方面则是当时人们对土基压实技术还没有提出更加严格的要求，当然这与殖民主义对非洲的统治制度也不无关系。

20世纪70年代，随着重型卡车和飞机的大量出现，高速公路和飞机场的建设对土基压实技术提出了更高的要求。于是，Aubrey Berrang é在20年前提出的方案又开始得到重新的认可。此后的20年中，在南非科学与工业研究理事会的资助下，冲击式压路机技术终于得到了完善与推广。不仅出现了双轮压实技术，改善了单轮压实稳定性与均匀性不足的缺点，而且还出现了三边形和五边形状碾轮的冲击式压路机。

20世纪80年代中期，澳大利亚博能（Broons Hire）公司开发设计了可商业应用的四边形碾冲击式压路机。1990年3月号德国《Bd baumaschinendienst》（建筑机械服务）杂志介绍了该机的工程使用性能。1992年11月号《建筑机械》杂志在国外技术的专栏里以译文的方式给予了报道，当时，该种机型被译为“多棱辊拖式压路机”、“冲击辊”，这是目前见到的国内对冲击压路机的最先报道。

90年代初，南非压实设备技术（PTY）有限公司（贸易名称LAND PAC，简称蓝派公司）购买了Aubrey Berrang é的专利，在此研究基础上，设计并生产了各种不同形式和型号的冲击式压路机，其中主要是三边形和五边形碾轮结构。1995年初，该公司将机器出口到澳大利亚进行农业土壤的防渗处理工程作业的试验，效果非常好，引起了业界的关注。此外，美国IRT公司也在生产四边形碾轮结构的冲击式压路机，并向全世界销售。

三、1995年夏。

1995年夏，南非压实设备技术有限公司在结束香港新机场（Chek Lap Kok）冲击压实施工后，将其“三边形”和“五边形”冲击压路机首次引入中国大陆，并于当年在黑龙江省哈同公路段进行演示。但是，由于中国和南非正式建交是在1997年。当时，在与中国没有外交关系的状态下，南非发明人的专利没有向中国专利局申请，这种专利也就没有得到《中国专利法》的保护。

20世纪90年代，中国进入高速公路、机场、水电站等基础设施加速建设的发展时期，对新型压实设备有了更加迫切的需求。鉴于国外公司不在中国出售有关设备产品的现状，1997年河北省交通厅在国内率先立项研制中国自己的冲击式压路机。经过一年的努力，1988年8月，由河北工业大学和唐山专用汽车厂等单位联合研制的冲击压路机试制成功并开始进行施工试验。1999年1月，样机经过工业实验考核后通过河北省经贸委组织的新产品鉴定，此后课题组申请了中国实用新型专利。至此，国外公司对中国冲击式压路机的技术垄断打破了，中国终于在较短的研究时间里开发出了自主知识产权的冲击压路机。

自1999年国产冲击压路机小批量生产并推向市场后，国内先后已经有十余家企业进行了冲击式压路机的研制和生产。如今，我国是世界上使用冲击式压路机数量最多的一个国家，由于冲击压路机的大量研制和生产，对冲击压实施工工艺的研究也处在世界领先水平。

在冲击压路机大量使用的同时，我国工程机械专家不断地对冲击压路机进行了改进。现在国内外冲击压路机型大多采用了“全浮式”同步轮轴结构。压实轮通过轮毂轴承安装在支承轴管上，压实轮绕支承轴管回转；左右压实轮用一根贯穿于支承轴管中的同步轴联接在一起，以保证同步回转。这种轮轴结构复杂，制造难度大，耐冲击能力差，在石方作业、地面平整度差及转向过猛时，同步轴及其支承轴管联接件损坏较多。SD型冲击式压实机使左右压实轮通过缓冲件直接与支承轴联接承一体，从根本上解决了现有机型同步轴容易损坏的问题。

可以预见，随着我国对冲击压路机研究的深入，冲击压路机将会在我国公路建设中发挥更大的作用，这一起源于中国的远古发明将会放出更绚丽的色彩

冲击式压实技术在路基工程中的应用

一、冲击压实技术的特点

振动压路机的工程实践表明，碾压速度是决定压路机面积生产率（m3/h）的重要因素之一，压实深度和铺层厚度也是影响压实效果和压实生产率的重要参数。通常，振动压路机的最佳碾压速度为3—6km/h，最佳压实层厚度0.3—0.5m。要提高压实效果和压实生产率，增强土石体密实度，减少土石体自重的压密沉降变形，必须改进压实工艺，更新碾压技术，改变碾压方式，提高碾压速度的压实铺层厚度。冲击压实技术是将当前振动压实的高频率、低振幅改为高振幅、低频率，在压实作用中较大地增加了对土石方的压实功能。如25KJ三边形冲击压实机的冲击功能较振动压实机增加10倍，压实影响深度达5m，有效压实厚度由振动压实的0.20—0.30m，增加为1.00—1.50m，且冲击压实机的碾压速度较振动压实机提高两倍。通过在国内不同地区与不同土石填方路基的试验工程实践已经得到证实。

冲击式压实机是用三边形或五边形“轮子”来产生集中的冲击能量达到压实土石填料的目的。冲击压实机可由配套的重型工业拖车在前方牵引，也可以自行。

图1为冲击压实机的基本原理。冲击压实机以其静能量来标定，能量按下式以千焦（尔）计算：

E=mgh

式中：E为能量，kJ；m为动力部件的质量，kg；g为重力常数（9.81m/s2）；h为轮子外半径同内半径的差值，h=R-r，m，见图1。

目前常用的压实机的有25KJ-T3三边形和15KJ-T5五边形两种压实机。25KJ压实机用于原位碾压和层厚1m以下填料碾压以及碾压质量的检验。15KJ压实机用于层厚50—75㎝的填料碾压，由于是五边形轮子，可比25KJ压实机用较少遍数获得所需的密实度。冲击压实机在土石方压实作业中，突破了传统的碾压方式，当其一角立于地面，向前碾压时，产生巨大的冲击波，由于碾边顺序连续冲击地面，可使土体碾压均匀密实。该机以9—12km/h的行驶速度碾压作业，即冲击碾每秒钟冲击地面两次，相当于低频大振幅冲击压实土体，并周期性地冲击地面，产生强烈的冲击波向地下深层传播，具有地震的传播特性，其压实深度可随碾压遍数递增。25KJ压实机的高能量可对填料作深层压实，从而降低土的渗透性，为分层碾压或填方材料提供坚实的基础。在低交通量道路，对施工现场原位材料的深层压实能形成较高强度和稳定性，而不必换填材料，在多数情况下，直接修筑底基层和基层就可得到优质道路。

检验碾压是冲击压实工作的一个重要内容，25KJ压实机的高能量给出相当于冲击力达250t以上的重击，是一种极为有效的检验碾压。只要用冲击压实机碾压10—15遍，所有软弱的或含水量过多的地方都很容易发现，再碾压几遍就可以补救。高能量冲击压实机在云南、北京、河北、福建、湖南等省、市有关工程的冲击压实试验及冲击碾压中应用，初步认为对减少路基工后沉降，提高路基整体强度及加固软弱地基较通常碾压有较大作用，这对提高当前高速公路修建质量具有现实意义。

二、冲击压实减少路基工后沉降

八达岭高速公路路基填料为风化花岗岩形成的含块石细粒土砂砾，路基填筑采用VV170 40t振动压路机分层（20㎝一层）碾压。要求达到压实度93%的压实标准，下路堤压实度90%，补压冲击碾压20遍，平均下沉量S=5.4㎝，计算有效压实深度1.5m，压实度平均提高到95%。路基高度4.5m，则冲击碾压完成沉降率为5.4/450=1.2%。采用冲击碾压分层（压实厚度1.0m一层）高填方路基高34m，每层冲碾前10遍下沉量为5.5—8.5cm，11—20遍下沉2.4—3.0cm，基本上与补压路基的11—20遍下沉量2.2cm相当。

福建及湖南不同土质路基冲击碾补压20遍后，在原振动压实路基达到规定的路床压实度标准时，其下沉量为5—7㎝，并有相当部分沉降量大于7㎝，达8—12cm，则实测压实度均不符合标准。此外，对宣大高速公路湿陷性黄土按20cm一层振碾达到压实标准后，再用冲击压实机冲碾20遍，下沉量为3.9cm；填石路堤经50t振动压实达到标准后，再冲击碾压20遍，下沉4—5cm；当高填方路基用冲击压实机分层碾压每层20遍，其沉降率可达到4%—5%，可较好地解决高路堤的工后差异沉降问题。

三、冲击压实提高路基整体强度

云南临沧碎石路堤采用冲击压实施工，经灌砂法测定干密度，路床顶面下80cm内平均干密度ρd=2.136g /cm3，平均压实度kh=100.5%；80—150cm平均干密度ρd=2.051g/cm3，平均压实度kh=96.5%。压实度较规定的标准提高3.5%—5.5%，在0—150cm内完成的下沉量为6.92cm。

八达岭花岗岩风化含块石细粒土砂砾路基，经过20遍冲击压实后，计算分析地表下1.5m内，用落锤式弯沉仪（FWD）检测，平均弹性模量值由冲碾前的180MPa提高到228MPa。

福建泉州工地用冲击碾补压20遍后，用黄河标准车测弯沉值，其补压前ι0=220（0.01mm），补压后ι0=183（0.01mm），按E0=2430ι0-0.7式计算，冲击碾压前E0=55.7 MPa，补压后E0=63.4 MPa。

湖南冲击压实试验段，用解放车测定冲击碾压20遍前后的弯沉值分别为141（0.01mm）与66（0.01mm），折算为黄河标准车的弯沉值分别为218.8(0.01mm)与102.4(0.01mm)，按E0=2430×ι0-0.7式计算，平均由冲碾前55.9 MPa提高到95.1 MPa。

不同土石路基通过冲击补压20遍后，不但强度有所提高，而且使原来振动压实达到路床压实标准的路基下沉5—7cm，如果下沉量超过7cm，则原有压实度不足；同时冲碾20遍后，在1.5m层厚范围内压实度均增加3%—5%。由于冲击碾是路床顶面上全面积的均匀冲碾压实，达到了全路基的直接检验与补充追加压实，达到了全路基的直接检验与补充追加压实，在路床顶面以下1.5m形成连续、均匀、密实的加固层，提高了路基路面的综合强度与稳定性。

四、冲击压实加固软弱地基

通常湿陷性黄土地基较多采取强夯法处理。在宣化到大同高速公路路基底层湿陷性黄土地基采用25KJ—T3冲击压实机在地表面冲碾40遍处理。并检测地基下沉量、干密度、湿陷系数、弹性模量等指标。冲碾40遍后在地表下110cm内土基平均压实度达到kh=91%，即原来黄土的干密度ρd=1.35g/cm3提高到1.70g/cm3，其湿陷系数由0.0438降为0.0022，消除了湿陷性。地表下土基1m内平均弹性模量达到80 MPa以上。在路基底面下1m内经冲碾压实，形成连续、均匀、密实的加固硬层，其技术指标已完全符合黄土地基加固的质量要求。

京秦高速公路玉田段有长约16km的软土路段，1997年4—8月在K65+800、K66+100用冲击压实机进行了冲击碾压排水固结加固软土地基试验，冲击碾压对软土地基具有加速沉降与加固的作用。软土路段地表填砂砾层厚50cm，插塑料排水板穿透软土层至砂层，平均长15—16m，间距1.5—2m。在砂砾层上填土高度50cm，4月30—5月2日冲击碾压22遍。监测结果：地面沉降17.4mm，连续沉降17.8mm，地表下3m深处分层沉降10.1mm，地表下7m深处分层沉降5.0mm。当路基填土达2.4m时，8月18—24日进行第二次冲击碾压40遍试验。监测结果：地面沉降20.6mm，连续沉降21.4mm，地表下3m深处分层沉降12.0mm，地表下7m深处分层沉降5.0mm，地表下12.5m深处分层沉降2.5mm，地表下17m深处分层沉降0.5mm。孔隙水压力在3m 深处当碾压18遍时由11.274kPa增加到11.677kPa，此时下雨停止碾压两天，孔隙水压力由11.67kPa降为11.274kPa，当继续碾压达33遍时，孔隙水压力由11.274kPa增为16.766kPa，7m以下深度孔隙水压力未发生变化。以上监测结果表明冲击压实机对地面施加冲击能量，使土体受拉、压作用，软土自由水经塑料排水板排出地表后土体密实度增加，加速了软基的沉降固结。如果在软基上填筑路堤，采用冲击压实机分层碾压工艺，可在施工过程中加快软基的固结速度，有利于软基的沉降固结。

五、填石路堤施工工艺的改进

填厂材料的特性变化很大，为使施工路堤工后沉降达到最小，应压实到理想结果。通常石料的级配越好，压实所能达到的密实度和弹性模量就越高。填石材料的沉降是由材料特性（石料类型、级配、最大石料粒径和形状）和压实处理（碾压机型、摊铺厚度和碾压遍数）决定的。石料特性和压实过程是相互联系的，必须统一考虑，特别是在填方较厚或填方厚度急剧变化的地方，更应考虑二者的统一性。

碎石路堤采用50t以上振动压实机分层碾压，碾压遍数按碾压下沉值等于零并稳定不变时确定。由于碎石含量不同，其击实试验的最大干密度也不同，碎石填料的最大干密度需要由＞5mm的碎石含量与最大干密度曲线来确定。并采用灌砂法、表面波压实密度仪检测压实度是否达到规定值。

块石路堤由于块石粒径较大，经50t以上振动压实机分层碾压至下沉值为零后，每层厚1.5—2.0m再用25KJ—T3冲击压实机进行检验性补压20遍，如下沉量在5—7cm，表明原来的碾压合格。块石路堤直接使用25KJ—T3型冲击压实机施工，效率高，速度快，三边形双轮以12km/h速度能集中产生250t冲击荷载，连续压实路堤深层部位的石块。这种高振幅、低频率的冲击能量对路堤分层均匀碾压后，可使石块之间嵌锁密实，填石体承受冲击荷载所产生的沉降变形远大于填石路堤建成后自重与外荷引起的变形沉降，避免路堤出现引起路面产生裂缝的差异变形沉降。根据填石工程与施工特点，采用冲击压实配套设备压实效果最好。冲击压实的施工工艺要求如下。

（1）填石施工控制。

填石的粒径及级配在开采料场控制，施工单位根据现场情况采用洞室松动爆破，光面爆破或小型爆破，要求填石料符合以下指标：最大粒径＜500㎜，不均匀系数Cu＞5（Cu=d60/d10），曲率系数Cc=1—3，[Cc=（d30）2/(d10×d60)]。

（2）填石层厚控制。

填石路堤位于水平地形时，压实层厚度100cm；填石路堤在斜坡地带时，压实层厚度80cm。松铺系数一般为1.15—1.20。

（3）压实沉降值控制。

冲击碾压若干遍后，压实沉降值趋于稳定，同时结合落锤式弯沉仪的测定值进行分析，综合确定需要碾压的遍数，及其相应的压实沉降控制值。

（4）填石施工。

石方填筑的关键是要达到要求的级配分布。这就需要采用末端法。这种方法保证使最大的石块居于每层的底部，而较细的颗粒则居于顶部。它能确保最佳的的嵌锁和压实力的传递。同时，提供一个不会致使压实碾轮及橡胶轮胎的牵引机在行进过程中受损的表面。该方法需要在填筑层末端的顶部用卡车倾卸,然后用推土机从末端将填料推入下面的层,使其与正在填筑的一层推成同样的高度。

六、填石路堤的压实标准

规定采用50t以上振动压路机或冲击压实机碾压，可以提高填石路堤的压实标准，具体规定见表1。

表1 压实标准

路堤顶面以下深度/cm 重型击实压实度%

0——150 95

150以下 93

将原压实度标准在80cm以下至150cm，由93%增至95%，150cm以下由90%增至93%，可以较大地减少路堤工后沉降。按下式计算：

S=h(1-kh/kh′)

式中：S为下沉量，cm；h为路高，cm；kh为原标准的压实度，%；kh′为提高后的压实度，%。

现以10m填石路堤为例，提高压实标准后在施工中完成增加的下沉量S为：

S=70×（1-93/95）+850×（1-90/93）=28.9cm

当采用冲击压实机分层碾压，则压实度还可提高3%—4%，以增加3%计，10m路堤冲击碾压后增加的下沉量为31.2cm。若仅在路床顶面冲击补压20遍，增加的平均下沉量为6cm。这样填石路堤碾压已经完成的工后沉降量已大大超过原来的工后沉降量，从而避免了路基差异变形沉降的发生。

压实标准的最大干密度对于碎石路堤，采用重型击实试验，按＞5mm的碎石含量与最大干密度曲线来确定。

对于块石路堤，按《公路土工试验规程》（JTJ051—93）T0133表面振动压实仪法确定块石填料的最大干密度。