20世纪30年代,美国工程师R.R.葡克特(又译普罗特)发明了葡克特击实仪,并对各种土类进行了击实试验。发现不同土类的击实曲线(又称葡氏曲线)有所不同。“无塑沙”的击实曲线在含水量极低(含水量为零)时取得了干密度的最大值,为此称为特殊的葡氏曲线。可以说,这是最早通过试验而发现某些土类具有干压实特性的记录。
但R.R.葡克特此项发明的重点,是为了解决土的压实过程中的最佳含水量的问题。限于当时的条件,没有也不可能对这些土类的压实特性予以特别的关注。
1953年,白朗基的专利文献,为冲击式压路机的设计和土壤压实原理。1970年,在波柯立格和白朗基的试验报告中,说明了冲击式压路机比普通压路机械在压实深度方面性能要优越得多。后来,冲击式压路机多被用于路基的干压实或偏干压实,其中也包括风积沙路基的压实。
1957年,勒弗斯在对压实机械的研究中得出结论,利用冲击式压路机的能量相对较高的优点,使得它能在较低的含水量时达到规定的压实度,且比普通的压路机压实度作用更深。从此后,高能冲击压实技术发展非常迅猛。波柯立格和白朗基(1971)、柯立福特(1976)、伯兰基(1987)等的研究都予以了充分肯定。但令人感到意外的是,在干旱或半干旱条件下为降低压实用水而将这一较新的技术应用于生产实践中却没有取得多大的进展。
范·罗斯和杯赛尔斯(1964),耐特(1969),摩里斯(1975),格林和柯克斯基(1978),爱里斯(1980),欧·康奈尔、万伯拉和耐威尔(1987),对各种砂的压实特性的研究表明,研究对象能在低含水量甚至含水量为零时得到很高的压实度,完全干燥时干密度与最佳含水量时的最大干密度相仿。
欧·康奈尔、万伯拉和耐威尔1987年在论证砂土的干压实特性时,考虑了其他值得注意的因素,如在低含水量情况下进行压实时有关的高空气率和较高的土壤吸附值,两者都有可能使道路出现一些问题,如道路在运营期饱和度的增加产生湿陷性沉降,使路基危险性增加,致使路基强度大大降低,从而增大其对水的敏感度等。后者可能是此项技术在生产实践中推广缓慢的主要原因。
德纳帕克公司(瑞典)开发了一种直径为150mm,有一振捣棒的振捣式压实试验仪器。试验以完全干燥、含水量介于干燥和饱和之间、完全饱和的砂样为对象。结果显示,偏干压实的压实度最高。在炎热干旱条件下的公路施工中,该结果也被德纳帕克公司的自行振动压路机进行的现场实验所证实。尽管在含水量为3%~4%时有时也能获得令人满意的结果,但含水量不超过1.5%时干压实效果最佳。试验还证明:砂的偏干压实受其他某些细料的影响;在有盐分时也可获得更高的压实度。
位于博茨瓦纳西部及南非北部的卡拉哈迪地区有典型的半干旱环境条件,南非在此地公路施工,对减少压实用水的各种方法进行了试验。结果表明,高能冲击式压路机进行压实时,水的需求可大大降低,从而获得令人满意的施工造价。
美国的国外运输和道路研究试验室及其他部门在干旱环境中对低造价路面的设计、施工和美护方面获得了一定的经验。1974年11月在对科威特的低造价道路设计中,提出了一种对干结碎石路基特别有用的施工方法,压实时的含水量低于最佳含水量。
1979年开工的澳大利亚南部的斯图亚特公路长925km,有试验路段,澳大利亚道路研究部对试验路段的路基和基层的含水量、压实度、强度等道路性能的现场调查表明:许多路基和基层在相对较低的含水量时达到了平衡,且依据假定路基饱和来设计的路基厚是过分保守的。同时还证明偏干压实是可行的,而且在那种地区效果也是很好的,并且得到了基层密实度接近修改过的实验所能达到的最大干密度,也得到了具有较好的密封黏附性的稳定重黏土适于基层填筑的证据。
澳大利亚道路研究部在澳大利亚南部的干旱区修建了一些试验路段用以调查低交通量的乡村沥青表处路面的特性。运营七年后的调查结果显示,偏干压实也可用于大交通量的道路施工,压实含水量可比标准含水量低一些。
澳大利亚道路研究部还在靠近麦若汀和邦拜的特别干旱的地方各建设了黏土路基不加水压实试验路,并陈述了观察结果,但尚未见运营后的试验调查结果。
非洲八国正在修建贯穿全国的长3200km的支线公路网以对付百年不遇的干旱和饥荒的影响。美国的Sahel认为,在干旱的季节,偏干压实是行之有效的。现场试验的结论为:
(1)在土壤石屑含量少时低含水量压实是可行的。(www.xing528.com)
(2)对高石屑含量的干燥现场土壤压实特别困难。
(3)两种压实通常都可得到令人满意的结果,但冲击式压路机的压实度要比振动式压路机大得多。
(4)保证将来压实的调查结果是使用冲击式压路机得到的。
印度公路上广泛使用的未黏结的粒状材料,在偏干压实的研究方面也取得了一些进展。认为偏干压产有很大的潜力,并要求依据当地的气候条件进行设计与施工,修改原有的仅适宜于潮湿工区的设计。
在苏丹的干旱地区,用黑色粉质黏土(膨胀性黏土)修筑的试验路证明了偏干压实的效果。
博茨瓦纳卡拉哈迪的塞罗坞-欧长莱帕公路,沿线水源奇缺,土质为四种含泥的粗砂和细砂并有湿陷性,建设部门强调要尽量降低压实用水。施工单位采用冲击压实技术进行试验及施工,结果比较理想,与普通压路机的传统施工相比,用水量降低了50%,总费用降低了30%。其基本结论为:
(1)对于干旱和半干旱地区的无黏结材料,适于采用适当能量、外形、构型的冲击式压路机;与普通压路机相比,在含水量非常低、分层压实较厚时,它具有高效性和经济性。
(2)由于冲击式压路机的推广,有必要回顾适用于低能压路机的传统规范,特别是关于每层允许的压实厚度和规定的质量控制方法。
(3)高能冲击式压实技术比普通压路机好得多,特别是对低造价的公路经济上的影响还包括:
①为最小厚度的路面建造刚性的、均匀的路基施工。
②最重要的是在半干旱环境压实用水少一些,不只是因为缺水,而是水中常含有对路面和路表都有害的盐分。
③在很低的现场含水量情况下,在一定深度,达到允许的压实度要求。
此外,在沙特阿拉伯进行施工的意大利承包商FURLANIS COSTRVZIONT GENERALI SPA和德国承包商FRIEDR PREUSSE用大型的振动压路机进行偏干压实,结果可达95%~100%的葡氏压实度。在美国发展计划协会的赞助下,对TRANS撒哈拉公路进行了施工中的干燥土压实,并进行了综合调查。在格奥(地名)已完成了压实试验,已发表了《位于格奥的试验路段在较低天然含水量时进行压实的综述报告》。
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