高速液压夯实机发明人曹斌专栏
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泰安恒大机械有限公司 曹斌
高速液压夯实机是中国古代人力夯的传承与发展，是现代机械学机电液技术相结合的土工机械，结构型式及对土体的作用机理同高铁路基检测使用的Evd动态变形模量测试仪。高速液压夯实机对土体实施的动力压实工法是中国传统夯土技术的升华，既能在不破坏成形路基结构及邻近构造物的前提下增强碾压达标土体的密度和均匀度，也能对软弱土体进行剪切置换。
根据锤体下落方式的不同，高速液压夯实机作业方式可分为自由落锤式和强制落锤式。
自由落锤式（单作用）：液压缸将锤体提升至设定高度后释放，锤体依靠重力作用下落；锤体落下后通过锤垫击打下锤体与夯板的组件，驱动预压在地面的夯板压实土体。由于液流阻力大，其实际夯击效能一般显著低于标定夯击能量——势能。国内各山寨夯实机均为自由落锤。
强制落锤式（双作用）：液压缸将锤体提升至设定高度后反向加力，锤体在重力和液压缸下推力的共同作用下加速下落；锤体落下后通过锤垫击打下锤体与夯板的组件，驱动预压在地面的夯板压实土体。泰安恒大机械有限公司夯神HC系列高速液压夯实机全部采用强制落锤技术。
举起重块击地为夯，夯即砸，而高速液压夯实机锤体夯击的是惯性很大的下锤体与夯板的组件。由于夯板始终压在地面上，因此对地面施加的是下压力，施力机件夯板没有砸的运动特征。
可见，按机械产品的结构特征，高速液压夯实机可归类于夯实机械；按其对地面的作用形式，高速液压夯实机属动力压实机械。
泰安恒大机械有限公司夯神系列夯实机采用多项专利技术及专有技术，锤体质量0.5~7t，额定夯击能量4~84kJ，共10个能量级，机电液一体化，具有自动和人工两种操控模式，夯实机、桩锤、破碎锤三种应用型式。击打强度、击打能量、连击次数等主要工作参数可大范围调整、设定。既可对硬实土体（路床等）增强补压，又可对软弱土体（基底等）进行剪切置换。高速公路建设领域广泛应用的是HC36型高速液压夯实机，少量HC42型。
HC36型高速液压夯实机的额定夯击能量36kJ（自动模式时6~36kJ 、3档、可调，人工模式时任意），采用直径1m的标配夯板时瞬时接地压力（压强）~2.5MPa，采用直径0.78m的夯板时瞬时接地压力大于4MPa，一般与5t装载机成套使用，见图1。
图1.HC36高速液压夯实机
自2004年广东省梅河高速全线应用以来，国内新建及改扩建公路领域已广泛应用。
高速液压夯实机是一种利用机器重力和锤体变力的合力压缩土体的压实机械。高速液压夯实机对土体的压实方法可称为“动力压实法”，简称“动压法”。动力指动态力，变力。
动力压实技术是区别于静力压实、振动压实、冲击压实、夯实等传统压实技术的新技术。
动力压实是在静力（重力）压实的基础上，施加更大的动态力提高压实效果；振动压实是利用振动效应增强静力碾压的效果；冲击压实是高频率交替的夯击与变力（静力与变力的合力，仍属变力）碾压；夯实是锤体以最大速度直接击打对地面，具有冲击大、衰减快的典型特征。
动力压实利用锤体变力和机器重力的合力压缩土体。动力压实与夯实均具有冲击，但前者是从静态加速，冲击力的峰值小得多且持续时间长，后者是以最大速度冲击地面，冲击力的峰值大得多且衰减快。若用夯实法（强夯）补强碾压达标桥台背或成形路基，锤体对土体的强力剪切破坏了土体结构；锤体正面高速压缩土体的同时，向周边高速挤土，产生强烈的剪切波，破坏力大。
动力压实技术可以实现：用于路床（96区及以上）补强时，是在不破坏原有土体结构的前提下适度提高土体的密实度和均匀度；用于路堤补强（93区及填筑质量偏低的96区）时是否剪切按需；用于基底及软弱路基处理时剪切作用显著，与强夯相似。安徽铜黄高速用高速液压夯实机破碎相交的既有水泥混凝土路面，拆除夯板后，锤头外伸部分可将路面砸透砸碎；装上夯板后只能分解已经活动断裂的大板块。可见，处理硬实物体时夯击与动压的效果差异显著。
一般而言，土体抵抗破坏（含压缩）的能力就是其强度，没有破坏就实现不了增强。路基土体被压实的过程中抗力（承载力）不断增大，继续压缩土体必须同时具备三个条件：
足够的作用力 考虑到力在非刚性物体内的衰减较快，单位面积的作用力（压力、压强）必须显著大于土体形变抗力。
足够的能量 土体颗粒的位移及挤压变形需要消耗能量。压实设备必须在其作用时间内向受压土体释放出足够的能量（有效功），而不是压实设备具有多大能量。
足够的作用时间 土体颗粒受力后的运动、力向深层的传递、能量的释放均需要适当的作用时间周期，抵抗土体颗粒压缩后的弹性恢复也需要时间。
压路机之所以只能用于薄层和表层压实，是因为其行走作业，没有足够的时间和能量影响深层（还有作用力小等其它原因）。冲击力及能量巨大的强夯机在对比试验中为何不及HC36高速液压夯实机（详见下文），是因为面对硬实地面（如96区），强夯机重锤以最大末速度高速撞击地面，重锤落地反弹，作用力峰值大、衰减快、作用时间短，巨大的能量并未充分释放在对土体的作用上。
高速液压夯实机与强夯机的根本性区别在于重锤与土体之间设置了惯性较大的下锤体及夯板组件，将冲击能转换为压力能，接地的夯板从零开始加速，至最高点后逐步衰减。相对于强夯及同类技术，作用力的峰值小、作用时间长、能量释放充分，压实土基这种硬度不高的非刚体时不易产生横波（水平波、剪切波）。因此高速液压夯实机可靠近大多公路构造物（如桥台等）压缩更厚的土体。高速液压夯实机对土体的高频率连续作用使被压缩土体趋于稳定。
高速液压夯实机的结构型式和技术特征决定了该产品具有高强度压缩路基土体的功能，可大范围调整工作参数决定了该产品能够适应路基不同部位及不同填筑阶段的处理要求，高速液压夯实机满足上述三个必备条件，在高速公路路基补强和特殊部位处理中具有显著优势。
泰安恒大机械有限公司HC36高速液压夯实机的各性能参数是依据前期应用确定的，又经各地多种条件下的试验验证。标准配置的HC36高速液压夯实机既可完成对路床的补强，也能完成对软弱路基、基底的剪切置换，可满足公路、铁路路基施工各阶段不同要求。特殊需要（如提高或消除剪切效果）可略调配置，没有必要选用更大级别机型。
目前。国内主要使用高速液压夯实机对分层碾压达标路基进行补强，部分用于基底及软弱路基的置换处理等。以普遍使用的HC36高速液压夯实机为例，3档6~12击对96区补强时，各地应用证明：有效压实深度2m以上，影响深度4m以上。
根据国内大多省市区的验证，特别是对业主、监理、施工方均认为可靠达标的优质试验段（压实度96%以上）进行的补强试验，使用HC36高速液压夯实机补强后，普遍沉降100mm以上，部分大于200mm，少量50~100mm，见图2。
图2 天南地北桥涵背（96区、优质试验段）
另据部分省市区进行的11~16t强夯机与HC36高速液压夯实机补强效果对比试验，HC36高速液压夯实机的补强效果（沉降量、生产率等）显著优于对比强夯机。
基于各地应用情况及高速液压夯实机具有机动灵活、可大范围调整压实强度等特点，其应用范围大致可归纳为：传统压实设备难以达到要求的部位及难以施工的部位、现行施工技术成本过高或效率过低的部位。广东一位业主单位总工程师更是一针见血：中国公路哪有不合格的，这个设备就是用来解决合格不合用的问题。
现阶段，高速液压夯实机主要应用于桥涵背、新旧路基结合部、高填方、填挖结合部、不良土填层、鸡爪冲沟等部位补强，替代强夯进行置换处理，弹簧土、翻浆路基处理，砂土桩、碎石桩处理，以及人为缺陷或其它缺陷（如雨季浸水疏松等）的补救。
施工参数应通过试验段确定。一般认为，为了适当控制成本，高速液压夯实机的补强沉降量显著大于常规处理的工后沉降即可，或者预期的公路大中修前不因此出现大的病害。
以HC36补强为例，一般采用3档，单点6~12击。
桥涵背补强时夯点相距1.5m（夯板边缘相距~0.5m），夯点直线排列可提高生产率（所谓梅花桩式排列对该机无实质意义），沉降量偏大的部位应适当补压，沉降量过大的部位应挖开重填或用高速液压夯实机补救。夯板边缘距桥涵正面大多0.1~0.2m（或用2档），距八字墙等~0.5m，用2档。路床表层补强后整平补压。
高填方一般路基可每填2m左右补强一遍；条件较好的低填一般路基完成后一次性补强。
新旧路机接缝处夯点相距1~1.5m。高速公路新旧路结合部处理技术详见本人在陕西省交通规划设计院的讲稿《高速公路新旧路基结合部补强技术探讨》
单层或薄层石砌墙较弱，高墙的墙背不宜使用高速液压夯实机处理，各地大量使用泰安恒大机械有限公司VC30D大振幅垂直振动夯实机处理墙背、边坡。
自古以来，碾压技术仅用于浅表处理。考古发现：四千年前的夏代都城遗址为夯土，两千年前修筑的中国第一条高速公路——秦直道的填方段也为夯土，夯土具有稳定性。
振动压实本质上仍属于重力压实，又称静力压实。振动是往复运动，作用是激励土体颗粒运动，以降低压实阻力，激振力无直接压实作用。目前国内振动压路机振幅小、且采用陈旧落后的圆振动技术。圆振动就是偏心质量的圆周运动，可解析为360度中的任意方向的往复运动，激励土体颗粒乱动，并不是理想中的上下运动。分层碾压路基稳定性差是该项筑路技术的固有缺陷，仅在碾压强度上作文章是难以克服的。突击完成的路基问题更突出。据京港澳高速（G4）河北京石段改扩建项目试验，国产32t振动压路机补强效果与宝马26t垂直振动压路机补强效果无明显差异。经激振力500kN以上的32t振动压路机补强后压实度可轻松达到96%以上，用HC36高速液压夯实机对该试验段新旧路基结合部再次补强时沉降量仍在200mm以上。
又如，地基植入承载力2000kN（200t）的预制桩时，需重200t以上的静压桩机，锤体3t的HH36液压桩锤（HC36高速液压夯实机的另一应用型号）可轻松实现。可见，压路机增加重量是有效的，但远不及高速液压夯实机、强夯机、冲击压路机等冲击压实设备的增强效果。
高速液压夯实机对于分层碾压成形路基进行的高强度动力补强，是以其影响范围内的十余碾压层或更多碾压层作为一体进行高强度整体化处理。不是置换，也不是简单压缩。应是在不破坏既有路基整体结构的前提下，进一步压缩土体的同时，消除或弱化层内均匀性差、层间结合力低等固有缺陷及人为缺陷。通过对路基的整体化处理，提高土体的密实度和均匀度，从而提高路基承载能力和稳定性。
高速公路加宽时，最薄弱部位是旧路边坡。该部位也是加宽后重货车的超车道，即负荷最大的车道。
据京港澳高速河北段试验，加宽路基分层碾压达标并经32t振动压路机补强，HC36高速液压夯实机3档9锤后新筑路基沉降60~100mm，错台填筑的新旧路基结合部（旧路边坡处）沉降245mm。可见，结合部采用错台填筑、碾压成形技术的弊端是底部软弱，见图3。图3的G22显示路基填筑过程中内侧台阶处沉降量及外侧新路基沉降量。图4为G4已完成路基新旧路结合部不同位置的沉降量，贴近旧路的是台阶处，中间一排夯点是台阶与新路基结合部，外侧一排是新路基。
图3 国家高速的新旧路基结合部（错台填筑、碾压达标）
部分加宽公路在新旧路结合部采用了土工格栅技术，延缓或弱化新旧路基差异沉降导致的错位、开裂等公路病害，近期效果较好，但并未根治该部位路基软弱问题，隐患未除。
京港澳高速河北段新旧路结合部试验结果：HC36高速液压夯实机安装标配夯板（直径1m）3档9锤时的影响深度4.5m，可有效解决错台填筑时底部（深层）路基软弱问题。
图4 新旧路结合部不同位置沉降量
数千及上万千焦的大型强夯机在填海工程等类似工程中的作用是难以替代的，但不适合公路路基处理。路基处理较多使用5~16t小、中型强夯机（200~1000kJ）。
京哈高速（G1）辽宁沈铁段成形路基新旧路结合部对比试验，16t强夯机3击沉降量不足70mm，HC36夯实机3档12击沉降量200mm以上，16t强夯机连续作业时的生产率不及HC36的1/3，见图5。江西昌九高速九江附近局部加宽时进行了对比试验，11t强夯机的效果远不及HC36夯实机。
图5 G1新旧路结合部补强效果对比试验
贵州三黎高速高填方30~60m，桥隧多，路基断续。原设计用强夯机。因强夯机难以展开，施工方要求使用高速液压夯实机。经试验验证，HC36高速液压夯实机对软弱路基的剪切效果显著优于强夯机，适用于基底及软弱路基处理，全省推广。鉴于贵州等省的成熟经验及类似地貌，云南未经对比试验，直接根据HC36试验效果，推广使用HC36高速液压夯实机处理高填方路基及填挖结合部、桥涵背等，见图6。
图6 高速液压夯实机替代强夯，处理高填方、填挖结合部、鸡爪冲沟等
完工路基进行加载预压（含真空预压）可加速工后沉降，是成熟有效的施工技术，但已落后，可用高速液压夯实机的动力压实技术替代。
连接四川青川的兰海高速甘肃武灌段上下道分离，山高水多环保要求高，施工困难。原设计桥背工后堆土预压。施工方提出：①堆土预压购土运土成本高、弃土无法处理；②堆土期阻断通道，影响工期；③静载对于数十米高填方路基效果不大，远不如高速液压夯实机动力补强。建议借鉴南方各省施工经验，改用高速液压夯实机动力补强新技术。经试验验证，外监认可，该分管厅长亲自考察论证，桥背处理由堆土预压变更为使用HC36补强。后在甘肃推广，编入施工规范，普通公路改扩建也大量应用。十天高速甘肃段采用HC36处理桥涵背和高填方，采用VC30D大振幅垂直振动夯实机处理墙背、边坡（见图7）的经验得到肯定和表扬后，西北部的陕西省考察后全省推广，青海省从戈壁滩到5000m的高海拔地区普遍应用。
图7 泰安恒大VC30D大振幅垂直振动夯实机处理墙背、边坡
高速液压夯实机的动力压实可实现对土体的高强度、高频率的反复挤压，能量释放集中、量大，与碾压（含振碾）的作用机理及效果差异很大。各地应用表明，高速液压夯实机对填料类型及规格的敏感度低。
云南、贵州大量40~60m高填方，青海花久高速海拔~5000m路段施工条件极其艰苦，根本不可能完全换填技术标准规定的填料规格，只能采用高速液压夯实机高强度压实。
天津地区筑路材料困乏，为控制成本，大量使用山皮土和农田土掺石灰，桥背加大石灰比例，大中桥背另加砼柱，效果不甚理想。其技术顾问认为，继续提高掺灰比例成本提高，效果甚微，提高土体压实密度才能有效提高路基强度，建议使用高速液压夯实机补强，见图8。
图8 天津 不良土处理
河南S101改扩建工程台前、范县段路面标高低于黄河河底，排水困难，水害严重，工程陷入困境。交通部公路科学院杨世基研究员建议基底换填块石后用高速液压夯实机进行置换处理等，路床使用高速液压夯实机补强。
陕西、甘肃等西北省份在使用高速液压夯实机处理湿陷性黄土方面也积累了一些经验，见图9。
图9 甘肃 湿陷性黄土处理
黑龙江哈肇公路鹤岗段加宽部用不分级煤矸石回填后，直接用高速液压夯实机压碎压实。
黑龙江、吉林高寒地区成功用于冻土路基处理。
图10为软弱路基基底处理。
上海洋山港三期集装箱堆放区内径~2m的排水管两侧填砂灌水后用HC36压实（填厚3m以上），效果良好。管道内观察，击打瞬间管壁无可见变形。
HC36用于打桩时，可将直径630mm底部封闭的钢管桩打入软基20m以上（见图11），在路基施工领域替代效率低下、施工区域受限的强夯实施置换作业是其功能范围内的强项之一，各地已在应用。
图11 HC36打桩
作为一个好奇又相关的外行人，曾多次与各地的业内专家交流探讨公路质量检测体系相关问题。彼此有共识、存差异。本人认为，可将公路建设质量归纳为一个指标，即预期（如大中修期）内的平直度变化不得大于预期值，属几何特性范畴；向下可分解为强度和稳定性两个物理（力学）指标，强度反映了承载能力，稳定性反映了该承载能力的持续性；压实度、弯沉、K30、EVD等均属于孙辈以下的衍生指标或关联指标。
一般而言，材料及聚合工艺一定时，固体聚合物的强度主要取决于密度。对于公路路基，即土体压实密度。高速液压夯实机可将已经压实合格的土体继续压缩3~10%，对土体强度的增强效果显而易见。
上述所指物体强度在各类载荷的反复作用下能否持续稳定，一般取决于聚合材料内部颗粒的均匀度。不均匀结构对于动载荷和轻微缺陷更敏感，抗疲劳能力低。分层碾压土体层内颗粒上密下疏、层间为软硬面平行贴合，属典型的不均匀内部结构。高速液压夯实机以其影响范围内的诸碾压层为一体对土体颗粒压缩重组，在提高颗粒密度的同时弱化或消除了既有的层内及层间缺陷，路基内部结构的均匀度显著提高。
HC36高速液压夯实机3档9锤补强稳定合格的96区时沉降量50~100mm。无论施工是否按照标准，检测如何精确，桥涵背96区补强沉降量接近或大于150mm的部位存在某种质量缺陷是无异的。理由是，96区土体抗压强度的差异不可能很大，高速液压夯实机施工参数相同（击实强度和击实功一定）时路基沉降量差异却如此之大，可能吗？
可见，对于超常规完成的公路，现有公路质量指标体系用于保证填筑质量达标，即所谓合格（大约相当于中国医院的临床治愈，不排除出院后接着犯病）；高速液压夯实机用于在合格的基础上提高填筑质量及质量缺陷补救，解决怎么干都能合格及合格也未必合用的现实问题（相当于针对病根施医）。
据各地试验，桥背96区补强后沉降100mm以上，超过200mm的也属常见。可是实测夯点压实度却有不同程度下降（极个别提高），高铁路基用EVD测试时指标也有所下降。这是因为目前常用测试方法及仪器仅适用于薄层碾压的上半部分（检测工具高度）或表面，而高速液压夯实机将数米厚的土体压缩重组后从上到下更加均匀化，虽土体密度平均值提高了，但最高点可能被弱化了，压实度等指标下降不足为怪。除非基底硬实、填层较薄、采用标准砂砾、从下到上均可靠达标的低填路段，压实度才可能保持或有所上升。因此，用压实度这种局部评价指标衡量整体效果未必科学。高速液压夯实机补强后整平补压，必要时直接检测压路机补压压实度即可。
各地大量试验证明，新旧路基接缝处的压实度高低对夯实机补强沉降量没有显性影响。图12为某高速公路路基施工录像的截图，路基已经22t振动压路机常规碾压，安装了HC36高速液压夯实机的5t装载机正在补强涵背，往返十余次后，位于新旧路基结合部的装载机左轮已陷入土中～450mm，位于新筑路基的右轮处轮辙很浅，同图3、图4反映的问题是一致的。
图12 某高速已压实路基
《高速公路改扩建设计细则》（JTGT L11-2004）7.3.4条文说明指出，“拼接部位确保碾压密实并均匀至关重要，直接决定了拼接质量。现有的检评办法往往使得实践中不能或不足以反映拼接部位的真实情况，故强调，以保证检测工作能较好地覆盖拼接部位。”。
土体压缩率的提高意味着土体密度提高是常识。而实测压实度不相吻合，只能说明任何科学方法都有其适用范围，局部效果或局部效果的简单叠加未必等于整体效果。路基压实的目的就是通过提高密度增强土体从而减少工后沉降，用某些间接的路基质量测试方法和数据来否定或质疑沉降量等显性直接效果不符合路基压实的本意。沪昆高铁湖南段用HC36高速液压夯实机补强路基后采用的质量认定方法是：后3锤累积沉降量不大于10mm。高速公路路基补强时可借鉴。
另据各地试验，高速液压夯实机补强后，采用重型触探检测时，表层强度显著提高；开挖或采用深层触探仪检测时，不同深度土体强度均显著提高。触探试验较接近高速液压夯实机的压实效果，见图13。砂砾填层可检测残余孔隙比。
图13 甘肃 触深及沉降量测试
高速液压夯实机具有提高路基质量的实际能力是毋容置疑的，能否保证质量则取决于它的管理者和操作者。
土基夯实是祖宗留下的土工技艺，无理论、无数据，但有存留千年、数千年的遗迹，公信力不次于某些尚需由未来证明的现代科学技术。
六年前，本人以《中国速度与中国的高速液压夯实机》为标题的座谈会发言结尾中提到：“没有中国速度就没有中国的高速液压夯实机，没有那些关心中国速度的人就没有中国的高速液压夯实机。中国的高速液压夯实机为中国速度而生，也必将为实现高质量的中国建设速度作出贡献。”。之所以这样讲，是因为中国筑路周期过短且不均匀，舍弃或忽略了老天爷（大自然）的威力。高速液压夯实机不得不替天行道，助以超常速度建设高速公路的建设者们一臂之力。正因如此，我公司高速液压夯实机的品牌命名为“夯神”
曹斌专栏:https://xueshu.baidu.com/scholarID/CN-BD74CMUJ
2017年10月