沖擊碾壓施工技術(shù)在濕陷性黃土路基處理中的應(yīng)用

祁敏艷

（山西交通物流集團(tuán)有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

黃土是新地質(zhì)時(shí)期所形成的特殊的非飽和欠壓土狀堆積物，主要由棕黃色或黃灰色塵土和粉沙細(xì)粒構(gòu)成，均質(zhì)，疏松且多孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，在土體自重壓力及土體附加壓力和自重壓力的共同作用下，被流水浸潤(rùn)后極易發(fā)生大量的侵蝕、剝落、塌陷。如果在公路工程建設(shè)前不對(duì)濕陷性黃土路基進(jìn)行加固處理，必然會(huì)給工程帶來(lái)嚴(yán)重破壞。當(dāng)前常用的濕陷性黃土路基處理技術(shù)有擠密樁法、強(qiáng)夯法、預(yù)浸水法、化學(xué)加固法等，其中強(qiáng)夯法對(duì)于厚度深、面積大的濕陷性黃土較為適用，且對(duì)周圍既有建筑會(huì)產(chǎn)生較大擾動(dòng)；擠密樁法對(duì)于局部深厚性濕陷性加固適用，屬于復(fù)合地基技術(shù)；預(yù)浸水法、化學(xué)加固法消耗水量大，對(duì)于周圍土體存在較大污染，無(wú)法實(shí)現(xiàn)綠色施工目標(biāo)。

沖擊碾壓技術(shù)于20世紀(jì)90年代中期引入我國(guó)公路工程施工領(lǐng)域，沖擊碾壓也稱為非圓碾壓，屬于新型碾壓技術(shù)，其主要借助沖擊壓路機(jī)對(duì)地基土實(shí)施沖擊+揉搓的組合式碾壓[1]。當(dāng)前常用的沖擊壓路機(jī)主要由壓實(shí)輪和大馬力牽引機(jī)等部分構(gòu)成，壓實(shí)輪分為空心體、實(shí)體、填充體等形式以及三邊、四邊、五邊及六邊形等形狀。在施工過(guò)程中，壓實(shí)輪以不斷滾動(dòng)的方式和待加固地面接觸，壓實(shí)輪碾周期性沖擊地面，所產(chǎn)生的沖擊波持續(xù)向地表以下傳播，土體顆粒也持續(xù)發(fā)生位移、剪切和變形，深層土體密實(shí)度不斷提升，并最終起到消除軟弱土體濕陷性，降低沉降，提升路基穩(wěn)定性的工程目的。

1 工程概況

某高速公路C20標(biāo)段起訖樁號(hào)K56+000—K65+268，線路長(zhǎng)9.268km，線路段地處關(guān)中平原，地勢(shì)整體呈東南低、西北高的格局，地貌以臺(tái)塬和平原為主。地表為第四系堆積物粉質(zhì)液限土，地表以下為土質(zhì)均勻、結(jié)構(gòu)致密、層理清楚的風(fēng)積粉質(zhì)液限黏土，全路段均表現(xiàn)為明顯的濕陷性特征。濕陷性黃土處理是該高速公路C20標(biāo)段路基施工質(zhì)量控制的重難點(diǎn)，按照設(shè)計(jì)進(jìn)行該標(biāo)段濕陷等級(jí)劃分，劃分情況具體見表1。加固前，該高速公路路基段濕陷性黃土干密度在1.31～1.43g/cm3之間，孔隙比在0.896～1.066，壓縮模量3.0～6.5MPa，摩擦角19.5～22.4°，黏 聚 力18～48kPa，滲 透 系 數(shù)1.634×10-6cm/s～8.536×10-6cm/s。

表1 濕陷等級(jí)劃分情況

對(duì)于K56+000—K58+475段及K59+120—K60+265段嚴(yán)重自重濕陷地段而言，路塹段按照開挖寬度沖擊碾壓20遍，頂部通過(guò)覆蓋50cm厚的二八灰土封閉。具體見圖1。路堤段不設(shè)置排水溝時(shí)，將坡腳內(nèi)1.5m到坡腳外2.0m的區(qū)域按照0.3m的厚度封閉，設(shè)置排水溝時(shí)，將坡腳內(nèi)1.5m到排水溝之間通過(guò)0.3m厚的二八灰土封閉。具體見圖2。以沖擊輪質(zhì)量16t、沖擊能最大值25kJ的YCT-25型沖擊壓路機(jī)和QCY-360型沖擊壓路機(jī)牽引機(jī)為主要施工機(jī)械。基地沖擊碾壓20遍，最后碾壓得到的沉降量不超出1.0cm，地表以下1.0m范圍內(nèi)土體壓實(shí)度及二八灰土壓實(shí)系數(shù)應(yīng)分別達(dá)到90%及0.95以上。

2 濕陷性黃土路基處理

2.1 施工準(zhǔn)備

在施工開始前進(jìn)行測(cè)量放樣，并通過(guò)白灰將沖擊碾壓范圍標(biāo)出，同時(shí)處理好臨時(shí)截排水，截?cái)嗔飨蚵坊┕^(qū)域的水源，在排水溝位置增設(shè)臨時(shí)排水溝，為施工過(guò)程中排水通暢提供保證。此外，將施工場(chǎng)地內(nèi)0.3m厚的表土徹底清除，通過(guò)推土機(jī)和平地機(jī)整平，在達(dá)到平整度要求的基底設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)。

2.2 施工工藝

為保證濕陷性黃土路基施工達(dá)到設(shè)計(jì)密實(shí)度要求，提升路基填料的承載能力及整體性能，必須在施工開始前進(jìn)行碾壓施工機(jī)械的選擇及壓實(shí)方案的確定。在沖擊碾壓施工前進(jìn)行表土層0～0.5m厚度土體含水量的檢測(cè)，如果實(shí)際含水量超出最佳含水量的3%，必須挖翻晾曬，相反則應(yīng)灑水潤(rùn)濕，確保實(shí)際含水量不超出最佳含水量的±3%[2]。進(jìn)行所設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)沉降量的觀測(cè)，并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行碾壓速度的調(diào)整。

全面檢測(cè)施工機(jī)械各系統(tǒng)管路和接頭處是否存在松動(dòng)、裂紋，性能良好后方能啟動(dòng)，YCT-25型沖擊壓路機(jī)在QCY-360型牽引機(jī)的牽引下按照不低于5.0km/h的速度行進(jìn)，先慢后快，從內(nèi)側(cè)開始逐漸向外側(cè)碾壓，縱向搭接寬度應(yīng)為碾壓輪的1/2輪寬，橫向錯(cuò)輪碾壓輪痕重疊寬度應(yīng)根據(jù)沖擊輪寬度確定，對(duì)于單寬0.9m的沖擊輪，兩輪之間距離1.2m時(shí)，每次重疊寬度應(yīng)為0.2m，至少錯(cuò)輪重疊碾壓2次才能將兩輪之間空間完全覆蓋。如此操作，直至錯(cuò)輪重疊碾壓至路基另一側(cè)邊緣后，才可結(jié)束路基橫向碾壓。通過(guò)橫縱向錯(cuò)輪碾壓，確保地面均勻受到碾壓沖擊力，同時(shí)保證地基土密度均勻，地基強(qiáng)度的提升幅度也保持一致。

沖擊壓路機(jī)在啟動(dòng)、停止等過(guò)程中必須保持速度和方向的平穩(wěn)，避免對(duì)路基平整度造成不利影響。上下坡過(guò)程中必須提前換好擋位，避免在上下坡期間換擋；轉(zhuǎn)移施工場(chǎng)地時(shí)，為防止壓壞道路，應(yīng)支起底部沖擊輪后再駛離地面。

沖擊碾壓對(duì)填料含水量要求不高，對(duì)于工程用水短缺的山丘區(qū)域十分適用，本工程濕陷性黃土路基碾壓施工期間為避免填料因沖擊而散發(fā)出大量灰塵，進(jìn)而損失沖擊能，必須在施工開始前通過(guò)灑水車灑水處理。沖擊碾壓對(duì)于深層土體存在較好的密實(shí)加強(qiáng)作用，但是因碾壓輪所產(chǎn)生的沖擊力較為集中，會(huì)對(duì)表層土造成一定程度的松動(dòng)影響，進(jìn)而引發(fā)表面高低不平現(xiàn)象，為此，必須在沖擊碾壓過(guò)程中配合使用普通壓路機(jī)和平地機(jī)，保證表層土壓實(shí)度和平整度。

3 施工效果檢驗(yàn)

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

沖擊碾壓加固后該高速公路標(biāo)段地基土采樣后室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果所得到的土體物理力學(xué)性能指標(biāo)具體見表2。將表中試驗(yàn)結(jié)果和加固前濕陷性土體物理力學(xué)性能進(jìn)行比較可以看出，土體壓縮模量增大程度明顯，黏聚力和濕陷系數(shù)減小，深度越淺滲透系數(shù)降低幅度越大。

表2 加固后土體物理力學(xué)性能指標(biāo)

3.2 壓實(shí)質(zhì)量檢驗(yàn)

土體在遭受到一定沖擊時(shí)間的豎向沖擊力后將產(chǎn)生一定的抗變形能力，這種抗變形能力參數(shù)便是動(dòng)態(tài)變形模量[3]，其取值可根據(jù)平板壓力公式求得：

式中：Evd為動(dòng)態(tài)變形模量（MPa）；r為圓形剛性荷載板半徑（mm）；σ為荷載板下方所承受的沖擊動(dòng)應(yīng)力最大值；s為荷載板沉陷值（mm）。

該高速公路黃土路基沖擊碾壓施工后通過(guò)動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀進(jìn)行碾壓質(zhì)量檢測(cè)，該儀器構(gòu)造見圖3所示。該儀器適用的土壤范圍除與K30平板載荷儀相同外，還特別適用于基坑回填、路基橋涵過(guò)渡段等場(chǎng)地狹小的困難地段地基檢測(cè)。在檢測(cè)前先保證地面平整，對(duì)于個(gè)別凹陷的地面必須通過(guò)細(xì)砂找平處理，此后將荷載板放置在待測(cè)試地面，安裝好導(dǎo)向桿并使其處于垂直狀態(tài)。抬升落錘并將其掛在掛鉤裝置上，進(jìn)而使落錘脫鉤并自由落下，等落錘反彈回來(lái)后再次掛在掛鉤裝置上，如此循環(huán)操作三次進(jìn)行預(yù)沖擊。正式測(cè)試開始后必須防止荷載板發(fā)生跳躍和平移，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置、檢測(cè)時(shí)間、土體類型、含水率等試驗(yàn)參數(shù)的準(zhǔn)確記錄。

該高速公路基床表層和過(guò)渡段路基填筑壓實(shí)新增動(dòng)態(tài)變形模量評(píng)價(jià)指標(biāo)，基床表層級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)變形模量Evd不小于55MPa，路塹中粗砂Evd不小于45MPa，沿路線縱向按照6點(diǎn)/100m的頻次進(jìn)行檢測(cè)，其中路基中間檢測(cè)2點(diǎn)，與路肩邊緣各相距1.5m的范圍內(nèi)分別檢測(cè)2點(diǎn)?；驳讓痈牧技?xì)粒土、砂類土和細(xì)粒土、碎石土及粗粒土Evd不小于40MPa，沿路線縱向每層按照4點(diǎn)/100m的頻次進(jìn)行檢測(cè)，其中中間檢測(cè)2點(diǎn)，與路基邊緣各相距2.0m的范圍內(nèi)分別檢測(cè)1點(diǎn)?；脖韺右韵录?jí)配碎石Evd不小于50MPa，過(guò)渡段每層分別檢測(cè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)。待該高速公路標(biāo)段濕陷性黃土路基處理后通過(guò)動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀進(jìn)行效果檢測(cè)，共設(shè)置1 008個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)耗時(shí)3min，共耗時(shí)3 024min，即50.4h。如果使用K30平板載荷儀進(jìn)行處理效果檢測(cè)，則每個(gè)測(cè)點(diǎn)耗時(shí)30min，共耗時(shí)504h。

根據(jù)動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀所得到的濕陷性黃土路基處理結(jié)果，表土以下1.0m深度范圍內(nèi)土體壓實(shí)度達(dá)到90%以上，濕陷性系數(shù)均不超出0.015，處理效果較好。

3.3 含水量及沉降檢測(cè)

對(duì)該高速公路標(biāo)段濕陷性黃土路基加固處理后展開地基土含水量和基底沉降觀測(cè)，根據(jù)基底不同位置干密度、孔隙比、壓縮模量等的變動(dòng)趨勢(shì)看出，沖擊碾壓對(duì)濕陷性黃土路基的有效處理深度在2.5m以內(nèi)；從濕陷系數(shù)、黏聚力、內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)看，沖擊碾壓加固處理的有效深度在1.5m以內(nèi)；從滲透系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，沖擊碾壓加固處理的有效深度在1.0m以內(nèi)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊碾壓對(duì)于濕陷性黃土路基淺層加固處理效果良好，土體物理力學(xué)性能均有不同程度的提升，濕陷系數(shù)、孔隙比及滲透系數(shù)均呈減小趨勢(shì)。黃土土體中體積含水量基本保持不變，說(shuō)明該公路段沖擊碾壓結(jié)束后封閉層施工及防排水工程防滲效果良好，但沖擊碾壓施工對(duì)濕陷性黃土路基沉降的抑制作用并不明顯（見圖4）。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，案例工程高速公路C20標(biāo)段位于非自重濕陷性黃土地區(qū)，本文所提出的施工方案和施工技術(shù)參數(shù)可保證路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，公路施工期間及施工結(jié)束后對(duì)加固處理效果的跟蹤檢測(cè)結(jié)果顯示，濕陷性黃土路基沖擊碾壓施工能基本解決濕陷性問(wèn)題，提升土體結(jié)構(gòu)密實(shí)度和地基承載力。由于濕陷性黃土屬于特殊類型的黏性土，粉土及易溶鹽含量高，遇水易沖蝕、濕陷和崩解，必須在施工過(guò)程中加強(qiáng)防排水，避免黃土因浸水而濕陷沉降；此外，應(yīng)根據(jù)黃土濕陷類型選擇合適的加固施工技術(shù)，保證加固處理效果。