沖擊碾壓法在濕陷性黃土路基處置中的應(yīng)用

郭文君

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原 030012）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家公路網(wǎng)的不斷完善及中西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，我國(guó)黃土地區(qū)高速公路越來(lái)越多，濕陷性黃土路基也隨之增多。目前，常用的濕陷性黃土路基處理方法主要有換填法、強(qiáng)夯法、沖擊碾壓法、振動(dòng)碾壓法、碎石樁擠密法、灰土樁擠密法等，其中沖擊碾壓法憑借其施工速度快、處理深度較大、處理后地基較為均勻、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、特別適用于大面積場(chǎng)地處理等優(yōu)勢(shì)而逐漸得到工程技術(shù)人員的青睞[1-2]。

目前，學(xué)者們針對(duì)沖擊碾壓法處理地基技術(shù)已開(kāi)展了大量的研究工作。王吉利[3]等人利用荷載試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)等手段對(duì)沖擊碾壓法處理后的地基土物理力學(xué)參數(shù)隨沖壓遍數(shù)的變化規(guī)律。徐超[4]等人利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)的檢測(cè)成果，研究了沖擊碾壓法處理地基液化的有效性和施工工藝。孫久民[5]等人結(jié)合禹閆高速公路濕陷性黃土路基的工程實(shí)例，分析了沖擊碾壓法處理的效果；魏方震[6]等人利用靜力觸探試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)及沉降觀測(cè)手段，研究了沖擊碾壓法處理后的地基物理參數(shù)隨深度變化規(guī)律。

本文結(jié)合山西某高速公路的濕陷性黃土路基處置工程實(shí)例，詳細(xì)闡述了沖擊碾壓法的工作機(jī)理及施工工法，在此基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其處置效果進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，研究結(jié)果可為類(lèi)似工程提供借鑒意義。

1 工程概況

山西某高速公路穿越黃土臺(tái)塬區(qū)，根據(jù)黃土層厚度可將其分為一、二級(jí)黃土臺(tái)塬區(qū)，其中一級(jí)臺(tái)塬區(qū)黃土層厚度為10～50 m，其地形開(kāi)闊，底層基本穩(wěn)定；二級(jí)臺(tái)塬區(qū)厚度50～100 m，其沖溝較發(fā)育，地形復(fù)雜，溝底出露河流相沉積層。

該路線帶內(nèi)大量分布有亞砂土和亞黏土地層，其中：a）馬蘭黃土層由黃灰色亞黏土組成，其孔隙較大、節(jié)理發(fā)育、結(jié)構(gòu)疏松、滲水性強(qiáng)、遇水崩解性強(qiáng)、承載力低，具有較強(qiáng)濕陷性；b）午城黃土層由砂質(zhì)黏土、砂礫層組成，其土質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理發(fā)育，有少量鈣質(zhì)結(jié)核，該地層厚度為45 m左右，具有一定濕陷性，其土層物理力學(xué)特性指標(biāo)如表1所示。

表1 路基土層的物理力學(xué)特性指標(biāo)

2 沖擊碾壓法工作機(jī)理

沖擊碾壓法加固黃土路基的工作其利用沖擊壓路機(jī)對(duì)黃土路基進(jìn)行沖擊碾壓，產(chǎn)生沖擊、揉搓作用，從而對(duì)路基土層產(chǎn)生壓實(shí)作用。可見(jiàn)，增大作用于土體的沖擊能量，可以增加沖擊碾壓影響深度，提高土體的密實(shí)度，從而使土體達(dá)到彈性狀態(tài)，沖擊碾壓技術(shù)正是應(yīng)用了這種原理。沖擊壓路機(jī)的主要工作部件為牽引機(jī)和壓實(shí)輪，而壓實(shí)輪可分為三邊式、四邊式、五邊式、實(shí)體式、空體式、可填充式等多種類(lèi)型，其中三邊式壓實(shí)輪實(shí)物圖及其工作機(jī)理如圖1、圖2所示。

圖1 沖擊壓路機(jī)實(shí)物圖

圖2 三邊式壓實(shí)輪工作原理示意圖

由圖2可知，三邊式壓實(shí)輪在牽引機(jī)的快速推動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)，其凸形輪將產(chǎn)生瞬間的豎向振動(dòng)荷載，而振動(dòng)荷載通過(guò)壓縮波、剪切波、瑞利波向路基土體傳遞能量。在壓縮波作用下，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式為平面波陣面方向的一種拖拉運(yùn)動(dòng)，從而使孔隙水壓力增大，土體結(jié)構(gòu)由疏松變緊密；而剪切波和瑞利波的水平分量將使得土體顆粒受到剪壓作用，導(dǎo)致土體密實(shí)。顯然，沖擊輪產(chǎn)生的沖擊能量大小與壓實(shí)輪重量、質(zhì)點(diǎn)高度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度等參數(shù)有關(guān)。

3 沖擊碾壓法施工技術(shù)

3.1 適用條件

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究成果可知，地基深度1.5 m范圍內(nèi)沖擊碾壓后的波速值比沖擊碾壓前有大幅提升。因此，沖擊碾壓法在路基深度1.5 m左右能夠達(dá)到較好的壓實(shí)效果。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[4]中沖擊壓實(shí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可知，采用沖擊壓實(shí)處理后的路基深度1.2 m范圍內(nèi)，路基土物理力學(xué)指標(biāo)變化很大，并在沖擊碾壓30遍后，其壓實(shí)度、孔隙比、濕陷性等指標(biāo)均能夠滿足要求?？傊瑳_擊碾壓法較適用于淺層濕陷性黃土路基的處置，且其有效深度一般不大于1.5 m，沖擊碾壓遍數(shù)一般以30遍左右為宜。

3.2 施工場(chǎng)地設(shè)計(jì)

結(jié)合上述依托工程，選取100 m路段作為研究對(duì)象，該100 m路段兩端各設(shè)25 m長(zhǎng)的緩沖區(qū)，分別進(jìn)行24遍、42遍兩個(gè)能量級(jí)的沖擊碾壓，在沖擊壓路機(jī)工作過(guò)程中，應(yīng)保持其行駛速度大于12 km/h；同時(shí)，在該段路基上布設(shè)相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)其不同行駛速度、不同碾壓遍數(shù)工況下的壓實(shí)效果進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，其場(chǎng)地布設(shè)情況如圖3所示。

圖3 沖擊碾壓場(chǎng)地平面布置示意圖（單位：m）

4 處置效果評(píng)價(jià)

4.1 壓實(shí)度檢測(cè)

土體壓實(shí)度是判斷路基土體壓實(shí)程度的最重要指標(biāo)，本文首先選取典型路基段（K25+200，K25+250）在天然狀態(tài)下的土樣進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，得出該路基土樣的最優(yōu)含水量ωp和最大干密度ρdmax；其次在利用沖擊碾壓法處置后的路基上取不同深度的試樣，測(cè)定其含水量和干密度值，再根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果換算其壓實(shí)度，所得結(jié)果如表2、表3所示。

表2 天然狀態(tài)下土樣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表3 沖擊碾壓后土樣壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果

由表3中可以看出，沖擊碾壓次數(shù)為24次時(shí)，黃土路基壓實(shí)度普遍小于沖擊碾壓次數(shù)為42次時(shí)，且其有效影響深度較小，在1.0 m深處的路基土體基本達(dá)到壓實(shí)度最大值；而當(dāng)沖擊碾壓次數(shù)為42次時(shí)，黃土路基壓實(shí)度在1.5 m深度處達(dá)到最大值?？梢?jiàn)，在通常情況下，沖擊碾壓法有效處理深度為1.5 m。

4.2 地基承載力檢測(cè)

采用現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)和浸水載荷試驗(yàn)檢測(cè)采用沖擊碾壓法處理后的濕陷性黃土路基的地基極限承載力。該試驗(yàn)設(shè)備主要由反力梁、荷載臺(tái)、加載設(shè)備組成，反力梁采用長(zhǎng)6 m、高30 cm的槽鋼焊接而成，重約300 kg，最大允許荷載40 t；荷載臺(tái)由5根長(zhǎng)6 m的槽鋼和竹笆組成，上面堆放沙袋，總重約為35 t；加載設(shè)備采用100 t油壓千斤頂，配80 t測(cè)力計(jì)，其現(xiàn)場(chǎng)情況如圖4、圖5所示，其測(cè)試結(jié)果如表4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn) 圖5 浸水載荷試驗(yàn)

表4 路基極限承載力檢測(cè)結(jié)果

從表4中可以看出，原狀黃土極限承載力一般為124～128 kPa，原狀黃土路基在浸水條件下，其極限承載力為90～95 kPa，極限承載力減小了25.8%～27.4%，該承載力雖基本滿足小于5 m的低填方地基要求，但因其沉降變形量較大，必須經(jīng)處置后方可滿足要求。載荷試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)沖擊碾壓處理后的地基土極限承載力為250～360 kPa，比原狀黃土的極限承載力提高了2倍多，其承載力較好地滿足了高度為5 m的路堤承載力要求。

4.3 濕陷系數(shù)檢測(cè)

由于濕陷性黃土路基沉降量主要由兩部分組成，其一為路基上覆荷載作用下的土體沉降變形量，其二為路基土體在浸水作用下的濕陷沉降量，且路基濕陷沉降量與其濕陷系數(shù)呈正比關(guān)系，因此可通過(guò)測(cè)定處置后的黃土路基濕陷系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)其處置效果。

表5 路基濕陷系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

從表5中可以看出，未處理的路基土體濕陷系數(shù)大致隨深度增加而減小。K25+200斷面土體擊實(shí)碾壓后濕陷系數(shù)大幅下降，且碾壓42遍比碾壓24遍的下降幅度更大，其濕陷系數(shù)下降幅度最大值達(dá)38.1%；同樣，K25+250斷面土體經(jīng)過(guò)擊實(shí)碾壓后也表現(xiàn)出類(lèi)似的規(guī)律，其濕陷系數(shù)分布在0.03～0.06之間，最大降低幅度達(dá)30.8%?？梢?jiàn)，沖擊碾壓法極大地降低了濕陷性黃土路基的濕陷系數(shù)，取得了較好的處置效果。

5 結(jié)論

本文依托山西省某高速公路濕陷性黃土路基段，總結(jié)分析了沖擊碾壓法工作原理及其施工技術(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)其處置效果進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a）沖擊碾壓法適用于淺層濕陷性黃土路基的處置，有效深度不大于1.5 m，碾壓遍數(shù)以30遍左右為宜。

b）當(dāng)沖擊碾壓次數(shù)為42次時(shí)，黃土路基壓實(shí)度在1.5 m深度處達(dá)到最大值。

c）經(jīng)沖擊碾壓處理后的地基土極限承載力比原狀黃土的極限承載力提高了2倍多，滿足高度為5 m的路堤承載力要求。

d）沖擊碾壓法極大地降低了濕陷性黃土路基的濕陷系數(shù)，取得了較好的處置效果。