高速公路路堤填土壓實(shí)中的RIC工法試驗(yàn)研究

董金玉，楊繼紅，孫文懷，伍法權(quán)

(1.華北水利水電學(xué)院，鄭州 450011;2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，國家投入大量資金發(fā)展高速公路，并對建設(shè)工程質(zhì)量提出了更高的要求。早期修建的高速公路，尤其是山區(qū)公路，路基填方高、地質(zhì)條件變化大，由于建設(shè)周期短，路基完成后僅留有很短的自然沉降期，雖經(jīng)重型振動(dòng)壓路機(jī)碾壓，尚不能有效地解決路基的沉降過大和差異沉降，其工后沉降要經(jīng)歷較長時(shí)間的通車運(yùn)行方漸趨于穩(wěn)定，因此路基沉降時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致路面過早損壞，嚴(yán)重時(shí)影響道路正常運(yùn)行［1-4］。RIC(Rapid Impact Compaction)工法是用履帶式反鏟挖掘機(jī)為基礎(chǔ)車，在其臂架上安裝1臺夯實(shí)機(jī)具，通過夯實(shí)機(jī)具高頻連續(xù)地夯擊地面以加固地基，當(dāng)用于高速公路建設(shè)時(shí)，可以較好地解決填土的壓實(shí)問題［5］。本文就鄭少(河南鄭州—少林寺)高速公路路堤填土壓實(shí)施工中采用RIC工法的試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)分析。

1 RIC工法簡介

1.1 RIC工法主要設(shè)備

RIC工法的主要設(shè)備有夯實(shí)設(shè)備和監(jiān)測系統(tǒng)。

夯實(shí)設(shè)備是以較大重量的液壓錘為基礎(chǔ)開發(fā)的高速移動(dòng)性設(shè)備(如圖1)，具有高達(dá)40～60次/min的夯擊頻率。錘重為50～90 kN，最小行程為0.3 m，最大行程為1.2 m;一次錘擊所產(chǎn)生的能量最小為15 kN·m，最大為108 kN·m，可根據(jù)路堤的部位和填土厚度進(jìn)行設(shè)置，處理深度在2 m和10 m之間。夯實(shí)的能量通過專用的錘體直接傳入作業(yè)地面，保證了能量的有效傳播，施工過程中沒有碎片飛濺。

RIC工法的監(jiān)測系統(tǒng)(如圖2)，進(jìn)行施工過程中的作業(yè)記錄，便于質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)采集。所有作業(yè)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可通過設(shè)置總夯實(shí)能量的大小、末錘沉降量、總沉降量、夯擊遍數(shù)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制。

圖1 RIC工法夯實(shí)機(jī)

圖2 RIC工法監(jiān)控設(shè)備

1.2 RIC工法主要特點(diǎn)

1)高性能。原理先進(jìn)、性能可靠，影響深度2～10 m，有效壓實(shí)深度4.0 m左右，壓實(shí)度可提高到95%以上?？蓽p小地基土及路堤填土的工后沉降，提高地基整體強(qiáng)度。

2)高效益。施工效率高，一次壓實(shí)松鋪填實(shí)厚度4 m，較傳統(tǒng)壓實(shí)機(jī)械大大縮短施工期限，降低綜合工程造價(jià)，有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

3)自檢性。有自帶的監(jiān)測系統(tǒng)，通過分析記錄的數(shù)據(jù)，可達(dá)到檢測處理效果的目的，節(jié)省質(zhì)量檢測方面的費(fèi)用。

2 RIC工法在路堤填土中的試驗(yàn)研究

鄭州至少林寺高速公路全長53 km，起自鄭州市西南繞城高等級公路馬寨南1 km處，沿西南方向，經(jīng)新密市，止于登封中岳廟3 km處，與豫03線相接。地勢西北高，東南低，地形起伏較大，丘谷相間，沖溝發(fā)育，高填方路堤段較多，分離式立交橋15座，通道25道，橋、通道較多，橋臺背填土路堤也多為高填方。在鄭少高速公路第Ⅱ標(biāo)段斷裂構(gòu)造不發(fā)育，大多被第四系覆蓋，呈隱伏狀態(tài)。路線以填方通過，構(gòu)造對工程影響較小。通過鉆探取樣，土層從下往上為砂巖、黏土和黃土狀粉質(zhì)黏土，地下水位埋深約16 m，天然地層密實(shí)度較好，能夠達(dá)到路堤荷載要求，不需要作進(jìn)一步處理。

高速公路建設(shè)中，對路堤填土的壓實(shí)度要求較嚴(yán)，為準(zhǔn)確測定RIC工法在路堤填土中的作用效果，以鄭少(鄭州至少林寺)高速公路第Ⅱ標(biāo)段董溝大橋南頭為試驗(yàn)點(diǎn)分兩種工況進(jìn)行了試驗(yàn)。第一種工況為已壓實(shí)路堤填土(壓路機(jī)壓實(shí))的RIC工法壓實(shí)試驗(yàn)，第二種工況為未經(jīng)壓實(shí)的路堤填土(松散填土)RIC工法壓實(shí)試驗(yàn)。以下分情況進(jìn)行說明。

2.1 已壓實(shí)路堤填土的RIC工法壓實(shí)試驗(yàn)

1)試驗(yàn)區(qū)的選擇

首先選擇鄭少高速公路第Ⅱ標(biāo)段董溝大橋南側(cè)，已壓實(shí)好的路段為試驗(yàn)區(qū)。圖3為夯擊現(xiàn)場。

圖3 夯擊現(xiàn)場

2)RIC工法試驗(yàn)程序

在壓路機(jī)已壓實(shí)好的路堤填土區(qū)(壓實(shí)度為92%)進(jìn)行了試驗(yàn)，以總沉降變形量為500 mm進(jìn)行了試夯，在不到1 h的時(shí)間內(nèi)夯實(shí)面積達(dá)60 m2多。夯實(shí)完成后，進(jìn)行了開挖取樣試驗(yàn)，采用環(huán)刀法進(jìn)行壓實(shí)度試驗(yàn)檢測［6］，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 RIC工法壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果

3)結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果(表1)中看出，原經(jīng)壓路機(jī)壓實(shí)后的壓實(shí)度為92%的區(qū)域，經(jīng) RIC工法夯實(shí)后壓實(shí)度＞95%，最大達(dá)98%，壓實(shí)度明顯提高。

2.2 未經(jīng)壓實(shí)的路堤填土的RIC工法試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)選擇在鄭少高速公路第Ⅱ標(biāo)段董溝大橋南頭。試驗(yàn)時(shí)，填土厚度設(shè)計(jì)為 1.0 m，1.5 m，2.0 m，3.0 m和4.0 m，試驗(yàn)填土設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 填土厚度設(shè)計(jì)示意(單位:m)

2.2.1 路堤填土高度為4 m

1)RIC工法試驗(yàn)的實(shí)施與控制

填土高度為4 m試驗(yàn)區(qū)，通過夯擊過程中末錘沉降量進(jìn)行控制，以確定 RIC工法夯擊的有效影響深度。末錘沉降量的控制標(biāo)準(zhǔn)分別為:5 mm(B區(qū)、F區(qū))，10 mm(A 區(qū)、G 區(qū))，15 mm(C 區(qū)、E 區(qū))，20 mm(Dn區(qū)、Ds區(qū))。試驗(yàn)點(diǎn)施工圖見圖5。

圖5 夯擊點(diǎn)布置平面(單位:m)

夯擊之前對填土做了擊實(shí)試驗(yàn)，測得其最大干密度為1.94 g/cm3，最佳含水量為11.9%。

2)取樣試驗(yàn)

填土夯實(shí)完成后，填土測其高為3 m，分別在0.2、1.0、1.8 m和2.6 m處環(huán)刀取樣，測夯實(shí)完成后的壓實(shí)度。

3)試驗(yàn)結(jié)果整理與分析

試驗(yàn)完成后，對不同夯擊區(qū)域、深度和水平位置的壓實(shí)度進(jìn)行整理，得出其關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 壓實(shí)度隨深度的分布曲線(不同末錘沉降量)

通過施工現(xiàn)場觀察和對比分析圖6，可以得到如下規(guī)律:

①表層20 cm由于夯點(diǎn)之間的相互擠壓，土層較為松散，壓實(shí)度較小;在0.2～1.0 m深度范圍內(nèi)隨著深度的增加壓實(shí)度逐漸增加;1.0 m以下隨著深度的增加，壓實(shí)度逐漸減少，在2.6 m深度范圍內(nèi)壓實(shí)度全部滿足設(shè)計(jì)施工要求(Dr＞91%)。

②兩錘中心壓實(shí)度較小，經(jīng)過補(bǔ)夯后壓實(shí)度明顯提高。

③末錘沉降量控制不一樣壓實(shí)度效果不同，最后一錘沉降量越小，壓實(shí)度越大。

2.2.2 路堤填土高度為 1.0 m、1.5 m、2.0 m和3.0 m

路堤填土厚為1.0 m、1.5 m、2.0 m和3.0 m時(shí)，用總沉降量控制夯實(shí)效果，經(jīng)多種方案試驗(yàn)后，得到當(dāng)最終沉降量為250、400、500、800 mm時(shí)效果較好。進(jìn)行人工開挖在其底部隨機(jī)做試驗(yàn)測其壓實(shí)度，可得表2。

表2 壓實(shí)度檢測

表2為填土厚為1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，在以后的施工中對于填土厚度＜3 m的情況可作為參考。

3 結(jié)論

通過RIC工法夯擊試驗(yàn)，在壓實(shí)填土方面得出如下結(jié)論:

1)RIC工法夯實(shí)路堤松散填土和已壓實(shí)填土后，壓實(shí)度可以達(dá)到95%以上，壓實(shí)效果好，且效率高。與其它壓實(shí)方法相比較，具有明顯的優(yōu)勢，其它壓實(shí)設(shè)備很難達(dá)到此壓實(shí)效果。更重要的是可根據(jù)末錘沉降量、總沉降量等參數(shù)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)不同壓實(shí)度要求的控制。

2)在已經(jīng)壓實(shí)的路堤填土之上進(jìn)行 RIC工法夯擊，一是可達(dá)到增加壓實(shí)度，二是將深層夾有軟弱層等缺陷的填方地段暴露出來，及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

3)一般的振動(dòng)壓路機(jī)填土厚度為25～30 cm，而使用RIC工法進(jìn)行填土夯實(shí)時(shí)，一次性填土厚度可達(dá)到3.0 m，可大大縮短施工工期，保證工程質(zhì)量，節(jié)約資金，并使高速公路提前竣工投入使用。

4)RIC工法夯實(shí)填土自身攜帶的監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄夯實(shí)總能量、夯點(diǎn)總沉降量、末錘夯擊的沉降量、錘擊遍數(shù)等參數(shù)來評判與檢測填土地基的壓實(shí)度。

5)RIC工法是一種先進(jìn)的、自動(dòng)化程度高的、快速有效地夯擊已壓實(shí)路基填土、松散填土及橋臺背填土的方法，可以廣泛地在高速公路工程中推廣應(yīng)用。

［1］陳斌.道路壓實(shí)的有效辦法［J］.南京市政，2003(1):22-24.

［2］蔡業(yè)青.山區(qū)高速公路高填方路堤壓實(shí)工藝探討［J］.廣東公路交通，2007(2):13-18.

［3］趙貴欣，潘欣虹.高路堤壓實(shí)工藝的研究［J］.黑龍江交通科技，2009(10):14.

［4］孫紅林，李丹.京滬高速鐵路路基工程主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.鐵道建筑，2009(7):5-10.

［5］孫文懷，崔國喜，董金玉.高速公路橋臺背填土壓實(shí)的 RIC工法試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26(5):702-705.

［6］中華人民共和國建設(shè)部.GB50007—2002 土工試驗(yàn)方法［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.