沖擊碾壓與土工格室在軟弱土路基處理的應用

譚 練 武

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

雜填土是由于人類的生活和生產(chǎn)活動而形成的地面填土層，是道路建設(shè)尤其是市政道路建設(shè)中常見的一種軟弱土。雜填土的厚度一般變化較大，在大多數(shù)情況下，雜填土顆粒尺寸相差較為懸殊，顆粒之間的孔隙大小不一，往往都比較疏松，抗剪強度低，壓縮性較高，一般還具有浸水濕陷性[1]。正因為雜填土工程性能差，路基填筑中通常需要根據(jù)雜填土特性的不同采取換填、強夯或碎石樁擠密等方法進行處理。

在工程實踐中，換填法一般適用于厚度不大于3 m的雜填土，該方法具有施工速度快，處理效果可靠的優(yōu)點，但其經(jīng)濟性隨著雜填土厚度的增加逐漸降低，同時也會帶來廢棄土堆放的問題。強夯處理法的處理深度一般可達6 m～8 m，且經(jīng)濟性好，但因為其夯擊能巨大，對周邊建筑影響嚴重，通常在周邊建筑密集的市政道路工程中難以適用。碎石擠密樁在雜填土深度較大(通常不小于8 m)的工程中，適用性較好，能夠有效解決雜填土沉降大且不均勻的問題。然而，由于碎石樁施工較為繁雜，施工周期較長，具有明顯的規(guī)模效益，經(jīng)濟效益隨著雜填土厚度和范圍的減小而急劇下降。因此，碎石樁在工期緊張、雜填土厚度或處理范圍較小的情況下并不適用。

綜上，有沒有一種能適用于軟弱雜填土深度適中(深度6 m～8 m)、施工對周邊影響小且在各種規(guī)模軟弱土均能較高發(fā)揮經(jīng)濟效益的處理方案，是一個值得探討的問題。

1 沖擊碾壓技術(shù)

沖擊碾壓技術(shù)在我國古代就早有應用，其主要應用形式為人工打夯，由于純?nèi)斯どa(chǎn)效率低，壓實效果不明顯，在很長一段時間內(nèi)該種施工方法的使用受到很大的限制，逐步被能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)壓實作業(yè)的光輪壓路機和振動壓路機取代。然而這兩種常規(guī)壓實方法由于壓實功能有限，通常難以取得深層壓實的效果。因此，一種兼具高效率連續(xù)壓實作業(yè)和巨大沖擊壓實功能的新型壓實機械的研制被提上日程。直至20世紀中葉，南非Aubrey Berrang首先開發(fā)出了連續(xù)式?jīng)_擊壓實技術(shù)和設(shè)備，并以南非藍派公司為典型代表在后續(xù)工程實踐中該壓實技術(shù)和設(shè)備得到大規(guī)模應用。

連續(xù)式?jīng)_擊碾壓技術(shù)于20世紀90年代在我國開始應用，先后應用于內(nèi)地和香港的機場、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，取得較好的應用效果。連續(xù)式?jīng)_擊碾壓技術(shù)設(shè)備由牽引機和壓實車兩部分組成，其主要原理是：由機器牽引拖動非圓形壓實輪滾動，非圓形壓實曲線輪對地表產(chǎn)生沖擊、碾壓、揉壓的綜合作用[2]。壓實輪在滾動過程中，當滾輪以最大半徑與地面接觸時，滾輪重心位于最高點，滾輪轉(zhuǎn)過最大至最小半徑該過程對地表產(chǎn)生沖擊，此時的沖擊力除本身的勢能外還有沖擊產(chǎn)生的動能，數(shù)量值相當于壓實輪20倍～30倍自重；在滾輪繼續(xù)滾動過程中，滾輪的非圓曲線輪廓持續(xù)對地表進行揉壓、碾壓，此過程中作用于土體的功能是壓實輪滾動時平動和轉(zhuǎn)動的動能之和。

連續(xù)沖擊碾壓技術(shù)突破了傳統(tǒng)的靜壓和振動壓實技術(shù)，以全新的方法達到對路基的深層壓實和補強壓實，相對于傳統(tǒng)壓實技術(shù)具有明顯的優(yōu)點。例如：可以大幅提高路基的壓實度、承載力和整體強度；能夠加快土體固結(jié)，顯著減小工后沉降；可提高路基的均勻性、整體性和防滲性能。有研究表明，連續(xù)沖擊碾壓技術(shù)的影響深度可達5 m，遠大于約30 cm的路基分層填筑厚度[3]。連續(xù)沖擊碾壓技術(shù)相較于傳統(tǒng)壓實技術(shù)的優(yōu)點如表1所示。根據(jù)對比結(jié)果可知，連續(xù)沖擊碾壓技術(shù)在填筑較厚路基土及整體壓實性能方面有著明顯的優(yōu)勢。

表1 沖擊碾壓技術(shù)與傳統(tǒng)壓實技術(shù)對比表

2 土工格室

土工格室是一種常見的由高分子聚合物寬條帶經(jīng)強力焊接而成的三維網(wǎng)狀土工特種材料，它常被鋪設(shè)在地基中以達到改善地基抗拉和抗剪能力，提高土體承載力，降低地基沉降的目的[4,5]。

土工格室用于加固軟土地基時的作用機理是：地基中未加入土工格室筋體時，地基在荷載的直接作用下形成一個楔形主動受壓區(qū)，主動受壓區(qū)的應力通過過渡區(qū)傳遞到被動受壓區(qū)，被動受壓區(qū)在受到力的作用下發(fā)生破壞向上隆起，從而地基發(fā)生不均勻沉降。當加入土工格室筋體時，土體和土工格室之間產(chǎn)生橫向側(cè)限力和豎向摩阻力，可有效限制主、被動受壓區(qū)的變形，避免被動區(qū)發(fā)生隆起破壞，減小不均勻沉降，同時形成網(wǎng)兜效應，提高土體的承載能力[6]。土工格室軟土地基加固機理如圖1所示。

由于土工格室工程性能優(yōu)越，其被廣泛應用于軟土路基處理領(lǐng)域以解決工后沉降大或不均勻沉降問題[7]，相對于其他軟弱土路基處理方案主要特點如表2所示。

表2 軟土路基處理方案對比表 m

根據(jù)對比可知，土工格室處理軟弱土地基具有較好的經(jīng)濟性，但單獨應用時處理深度有限，在處理深度較厚軟土時(>5 m)，為保證處理效果應考慮采用其他技術(shù)措施聯(lián)合應用。

3 應用實例

湖南省長沙市竹隱路為開福區(qū)高嶺國際商貿(mào)城中的一條城市主干道，主要服務于長沙北城區(qū)的商貿(mào)物流，該道路K2+320～K2+470路基區(qū)域為軟弱雜填土，填土厚度約6 m～8 m。道路臨近已建商貿(mào)城，商貿(mào)城建筑距離道路紅線約5 m，為配合商貿(mào)城開業(yè)道路建設(shè)工期緊張。原施工圖設(shè)計該區(qū)域采用碎石樁處理，但工期較長無法滿足商貿(mào)城開業(yè)工期需求，且造價較高，結(jié)合建設(shè)單位及主管各方意見擬變更設(shè)計方案。經(jīng)各方討論，設(shè)計單位提出采用藍派壓路機沖擊碾壓加土工格室處理聯(lián)合處理的方案。

具體實施方案為：1)清除表層浮土厚度約1 m。2)采用藍派壓路機沖擊碾壓至路基無明顯變形，沖擊壓路機型號為藍派25T3-25KJ，該沖擊壓路機總體重量為27 t，輸出功率為265 kW，沖擊壓實輪的重量為12 t，三角形壓實輪的公稱直徑為2 m，輪徑最大最小差值為22 cm，工作運行速度為12 km/h～15 km/h，最大沖擊力250 t。3)采用12 t光輪壓路機靜壓整平路面。4)鋪設(shè)土工格室層，土工格室片高20 cm，材質(zhì)為HDPE，抗拉強度不小于150 kN，連接點抗拉強度不小于150 kN，對應延伸率不大于15%，連接點連接直徑不小于2.5 mm；土工格室網(wǎng)帶連接方式采用U型鋼釘插接編織，U型釘直徑不小于2.5 mm；U型鋼釘已做鍍鋅防腐蝕處理，土工格室張拉到位時每一個U型鋼釘均為一剛性支撐點，在路基中用45°鋪設(shè)。土工格室鋪設(shè)寬度與路基同寬，土工格室內(nèi)填充20 cm砂性土，格室填充飽滿后整平以確保格室能正確張拉。整平壓實后，在格室層上設(shè)置30 cm厚的集配碎石。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，為更好的發(fā)揮土工格室的網(wǎng)兜效應，施工中保持土工格室布網(wǎng)主受力方向與路線縱向垂直，同時連接到位并及時填埋。土工格室施工過程中應注意防曬，以免影響土工材料性能。5)土工格室層以上土層按一般路基填筑要求分層壓實。6)路基結(jié)構(gòu)層頂設(shè)置沉降觀測點，以觀察后期路基沉降情況。沉降觀測采用金屬沉降板加載沉降法，為避免影響行車安全，沉降板分設(shè)與道路中心雙黃線與路側(cè)分隔帶處，以二級中等精度要求進行幾何水準測量高程，觀測值誤差小于1 mm。

竹隱路本路段于2016年12月建成通車，目前已安全運行4年，沉降觀測點監(jiān)測數(shù)值反饋結(jié)果顯示該路段平均工后沉降約20 mm～30 mm，與一般填筑路基段基本一致，處理區(qū)域未見路面開裂情況，可見該方案處理效果明顯，取得了很好的工程效果。

4 結(jié)語

沖擊碾壓和土工格室在路基填筑工程中都有著廣泛的應用，兩者均可有效減小路基的沉降、改善路基填筑性能。一般認為，沖擊碾壓是從路基豎向改善土體壓實性能，而土工格室則是在水平向上對土體進行加強。本文將兩者結(jié)合起來，形成一種路基雙向加固處理方案應用于實際工程當中，并取得了良好的工程效果。