沖擊碾壓技術(shù)在黃土路基施工中的應(yīng)用研究

周 游

(湖南交通國(guó)際經(jīng)濟(jì)工程合作有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

1 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，道路交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也逐漸得到完善，越來(lái)越多的道路修筑到我國(guó)西部地區(qū)。同時(shí)由于我國(guó)西部地區(qū)地質(zhì)條件的特殊性，道路建設(shè)者面臨著前所未有的困難，其中黃土作為西部最廣泛存在的地質(zhì)地貌特征，一直是道路路基建設(shè)中重點(diǎn)解決的問(wèn)題。而壓實(shí)質(zhì)量又是黃土路基最主要和最常見(jiàn)的問(wèn)題，近些年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)黃土路基的壓實(shí)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，并提出很多的改善措施和壓實(shí)設(shè)備，其中沖擊碾壓作為一種應(yīng)用較晚的技術(shù)，因施工成本低、處理深度大和施工周期短等特點(diǎn)得到迅速的應(yīng)用。

2 黃土工程性質(zhì)及壓實(shí)原理

2.1 黃土的主要工程性質(zhì)

(1)物理性質(zhì)

黃土是由固態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)組成的三相體，因三者組成比例的不同，致使黃土具有特殊的物理性質(zhì)。為表征不同地區(qū)黃土的物理特性，常由稠度、含水量、飽和度和干密度等進(jìn)行評(píng)價(jià)。稠度指標(biāo)主要用來(lái)表示黃土受水影響的程度，主要指標(biāo)有液限、塑限、液限指數(shù)和塑限指數(shù)。不同地區(qū)的黃土稠度指標(biāo)存在很大的不同，因含水量的差異，高階地段黃土液限指數(shù)一般小于低階地。含水量的不同同樣對(duì)黃土的濕陷性存在很大的影響，隨著黃土中含水量的增加濕陷性會(huì)逐漸減弱。干密度是評(píng)價(jià)黃土密實(shí)性的重要參數(shù)，隨著黃土固結(jié)壓力的增加，黃土?xí)饾u的密實(shí)，當(dāng)干密度達(dá)到一定值后，黃土的濕陷性特征會(huì)消失。

(2)力學(xué)特性

黃土的力學(xué)特性主要包括壓縮性、濕陷性、抗剪強(qiáng)度和透水性。黃土的壓縮性主要反映黃土在外力作用下的壓縮變形能力，以壓縮系數(shù)和壓縮模量進(jìn)行表示。黃土的抗剪強(qiáng)度一般較低，主要因素為含水量和密實(shí)程度，隨著含水量的增加，黃土的抗剪強(qiáng)度會(huì)逐漸的增加，同時(shí)，抗剪強(qiáng)度的大小還會(huì)受到顆粒組成、含量等因素的影響。

(3)變形特征

黃土地區(qū)所處氣候條件一般較為干旱，由于缺乏水分的作用黃土一般處于亞密實(shí)狀態(tài)，同時(shí)具有一定的濕陷變形特征。但黃土濕陷變形特征在一定的自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和外壓力作用下可進(jìn)行消除，同時(shí)黃土在水分的作用下，自身的強(qiáng)度大于顆粒之間產(chǎn)生的剪應(yīng)力，黃土路基只會(huì)產(chǎn)生輕微的壓縮變形，而不會(huì)產(chǎn)生濕陷沉降。因此可通過(guò)黃土的初始含水量和濕陷系數(shù)控制濕陷沉降變形。

2.2 沖擊碾壓法工作原理

沖擊碾壓法是公路、機(jī)場(chǎng)、港口或特殊地基表層加固處理的一種技術(shù)，具有施工成本低、加固處理范圍較深和施工周期短等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中已得到大量的應(yīng)用。該碾壓方法由專用機(jī)械沖擊碾壓機(jī)完成，沖擊碾壓機(jī)主要有沖擊輪、連接機(jī)械架和機(jī)架三部分組成，由功率相匹配的牽引機(jī)械拖動(dòng)沖擊輪進(jìn)行碾壓工作。

沖擊碾壓法主要是通過(guò)沖擊輪的垂直沖擊作用使土體達(dá)到密實(shí)的狀態(tài)，同時(shí)由于沖擊輪形狀的特殊性和行駛速度，沖擊輪在達(dá)到一定位置后，由于重心的作用加速下落，從而達(dá)到振動(dòng)、靜力和強(qiáng)夯綜合壓實(shí)的效果。一方面會(huì)使土體在沖擊力的作用下重新排列組合，土體內(nèi)水分、氣體均被排除，孔隙減小，土體顆粒內(nèi)部?jī)?nèi)摩阻力和粘聚力得到增加，從而提高土體路基強(qiáng)度和壓實(shí)度，保證路基的穩(wěn)定性。另一方面沖擊碾壓后土體透水性降低，路基的水穩(wěn)性也會(huì)得到一定程度的改善。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

該高速公路地處一級(jí)黃土臺(tái)塬及平原區(qū)，地勢(shì)較平坦，且屬于半干旱、半濕潤(rùn)的大陸性季風(fēng)性氣候，該路段按照平原地區(qū)高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)施工，設(shè)計(jì)指標(biāo)為雙向四車道，設(shè)計(jì)行駛速度為120 km/h，試驗(yàn)路全長(zhǎng)3 km，起訖樁號(hào)為K25+800～K28+800，該路段多半為填方路基，且土質(zhì)為中壓縮性土和高壓縮性土的濕陷性黃土，為提高黃土路基的密實(shí)性和壓實(shí)質(zhì)量，設(shè)計(jì)方案采用沖擊碾壓的方法，并在道路兩邊鋪設(shè)灰土墊層，設(shè)置土工布。

3.2 施工工藝

(1)沖擊碾壓參數(shù)的選擇

在正式進(jìn)行黃土路基沖擊碾壓工作之前，應(yīng)先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土體進(jìn)行抽樣處理，并通過(guò)路基土壤檢測(cè)數(shù)據(jù)初步擬定沖擊碾壓的碾壓遍數(shù)、碾壓速度和地基處理方式。通過(guò)測(cè)試壓實(shí)度與攤鋪厚度、碾壓遍數(shù)等指標(biāo)之間的相互關(guān)系，得出在沖擊碾壓20遍時(shí)，路基的彈性模量、密實(shí)度和壓實(shí)度均存在很大程度的增加，而當(dāng)碾壓遍數(shù)從20遍達(dá)到40遍時(shí)，路基的沉降量很少，且碾壓遍數(shù)再增加時(shí)，路基壓實(shí)度基本不再變化，因此，可得出該路基沖擊壓實(shí)最佳碾壓遍數(shù)為40遍，同理，得到其他碾壓指標(biāo)為攤鋪厚度為8～13 cm。

(2)施工步驟

首先勘測(cè)調(diào)查原路基地形和圖紙條件，將原路基進(jìn)行整平、清理和灑水處理，并測(cè)定路基標(biāo)高、標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)等指標(biāo)，根據(jù)路基設(shè)計(jì)填筑高度和邊坡坡度確定路基邊樁位置，然后進(jìn)行路基填土工作，當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量大于4%、液限大于50或塑限大于26時(shí)不應(yīng)作為路基填料，并且根據(jù)路基填筑厚度和運(yùn)料車運(yùn)量確定卸料位置和卸料量。然后使用推土機(jī)對(duì)卸料堆進(jìn)行初平，再使用平地機(jī)進(jìn)行精平，整平順序?yàn)閺闹虚g向兩側(cè)進(jìn)行，對(duì)存在粒徑較大的顆粒應(yīng)由施工人員進(jìn)行破碎或清除處理，并將草皮、樹(shù)根等清理干凈。

碾壓工作一般先使用輕型壓路機(jī)進(jìn)行靜壓和微壓，然后再使用沖擊碾壓機(jī)進(jìn)行沖擊壓實(shí)，壓路機(jī)碾壓輪跡一般需重疊1/3輪跡，且遵循先慢后快、先輕后重的原則，靜壓碾壓速度控制在2 km/h左右，沖擊碾壓速度控制在10 km/h。在每沖擊碾壓6遍后，由現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行路基的壓實(shí)度和沉降量的觀測(cè)，然后在其表面進(jìn)行灑水處理，再次進(jìn)行碾壓，以此反復(fù)工作，直到路基壓實(shí)質(zhì)量滿足要求為止。沖擊碾壓完成后，由整平機(jī)對(duì)表面進(jìn)行整平處理，并使用靜力壓路機(jī)碾壓2遍。

4 黃土路基壓實(shí)分析

4.1 路基黃土沖擊碾壓前后粒度分析

為評(píng)價(jià)沖擊碾壓技術(shù)在黃土路基中的壓實(shí)效果，本文分別對(duì)碾壓前后土體的粒度進(jìn)行分析。由檢測(cè)結(jié)果可知，在經(jīng)過(guò)高能量沖擊碾壓后，路基土體顆粒組成發(fā)生很大的變化，碾壓過(guò)后，路基內(nèi)大于0.01 mm的顆粒明顯減少，而小于0.01 mm的顆粒顯著增加，這種現(xiàn)象在路基表面最為顯著，隨著深度的增加，碾壓前后粒度變化程度逐漸降低。因此，在沖擊碾壓技術(shù)應(yīng)用于黃土路基時(shí)，應(yīng)根據(jù)路基的填筑高度選擇不同沖擊能的沖擊碾壓機(jī)械。

4.2 路基黃土壓實(shí)度分析

壓實(shí)度是評(píng)價(jià)路基施工密實(shí)性的重要指標(biāo)，黃土路基的壓實(shí)質(zhì)量一直是目前道路建設(shè)人員面臨的問(wèn)題，為充分研究沖擊碾壓技術(shù)在黃土路基中的應(yīng)用效果，本文對(duì)施工后路基不同深度處的壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，具體檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 黃土路基壓實(shí)度檢測(cè)數(shù)據(jù)

由表1可知，沖擊碾壓后對(duì)路基淺層壓實(shí)質(zhì)量提升效果明顯，作用深度可達(dá)2 m以上，且淺層路基24遍沖擊碾壓后路基壓實(shí)度可達(dá)到85%以上，而42遍碾壓后路基壓實(shí)度可達(dá)到91%以上，充分滿足規(guī)范要求，且較其他碾壓技術(shù)得到很大的提升。

4.3 路基極限承載力檢測(cè)

路基極限承載力是以現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用反力梁和荷載臺(tái)等設(shè)備測(cè)定路基變形條件下的承載力大小，本文對(duì)黃土路基碾壓前后的極限承載力進(jìn)行檢測(cè)，具體檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 黃土路基極限承載力檢測(cè)結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可知，沖擊碾壓技術(shù)對(duì)黃土路基施工后，路基極限承載力較原狀土增加了2.0～2.5倍，有效提高了路基的承載能力，改善路基壓實(shí)質(zhì)量，對(duì)黃土路基的處理具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5 結(jié) 語(yǔ)

高速公路路基的壓實(shí)質(zhì)量直接決定整個(gè)道路工程的施工質(zhì)量，對(duì)路基強(qiáng)度、穩(wěn)定性具有重要作用。本文從黃土路基工程性質(zhì)和沖擊碾壓技術(shù)原理出發(fā)，提出一套系統(tǒng)成熟的沖擊碾壓施工工藝，并對(duì)碾壓后路基粒度、壓實(shí)度和極限承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：沖擊碾壓技術(shù)應(yīng)用黃土路基，對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量具有很好的改善效果，可有效提高路基承載能力。