濕陷性黃土路基改良施工工藝應(yīng)用與探討

文／辛紅園 青海省交通建設(shè)管理有限公司 青海西寧 810003

引言：

黃土是在干旱和半干旱氣候條件下，由風(fēng)力搬運(yùn)堆積的沉積物。在我國(guó)，黃土主要分布在黃河中、小游地區(qū)，其中在黃土高原地區(qū)呈現(xiàn)連續(xù)分布[1]，青海省黃土主要分布于我國(guó)濕陷性黃土區(qū)劃中的隴西地區(qū)，具有自重濕陷性土層厚、自重濕陷性強(qiáng)、自重濕陷量大、黏土含量較多的特點(diǎn)[2]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)黃土濕陷性成因的研究由來已久，形成了鹽溶說、結(jié)構(gòu)學(xué)說、動(dòng)水壓力說、抗剪強(qiáng)度降低說、微結(jié)構(gòu)不平衡吸力說等一系列研究成果[3-4]?？偠灾?，黃土濕陷變形是一個(gè)受物理、化學(xué)和力學(xué)等多方面因素共同作用的復(fù)雜過程，且水環(huán)境的影響至關(guān)重要，水侵入黃土自身的特殊架空孔隙結(jié)構(gòu)后，極大削弱黃土顆粒的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力的共同作用下，黃土原有土體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而引發(fā)濕陷[5-6]。本文依托項(xiàng)目西寧至互助一級(jí)公路擴(kuò)能改造工程路線全長(zhǎng)42.68 公里，采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)，路線范圍內(nèi)分布有Ⅰ（輕微）非自重～Ⅲ級(jí)（嚴(yán)重）自重濕陷性黃土。為有效消除黃土濕陷性對(duì)路基穩(wěn)定性的影響，在項(xiàng)目建設(shè)過程中對(duì)黃土路基進(jìn)行了改良施工，本文重點(diǎn)介紹強(qiáng)夯、沖擊碾壓、水泥土擠密樁、水泥土填筑在項(xiàng)目的應(yīng)用以及相關(guān)工藝原理及控制要點(diǎn)，相關(guān)成果可為類似項(xiàng)目提供參考。

1.工藝原理

強(qiáng)夯法適用于Ⅲ級(jí)濕陷性黃土且填高大于4m 的路基段落，采用2000kN·m 能級(jí)的強(qiáng)夯設(shè)備，夯點(diǎn)采用正方形布置[7]，夯點(diǎn)間距4m，強(qiáng)夯施工前進(jìn)行試夯，夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線確定，最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm，點(diǎn)夯兩遍，滿夯一遍，采用輕錘或低落距多次夯擊，錘印相互搭接，滿夯完成后采用平地機(jī)將地表刮平。沖擊碾壓采用25KJ三邊形沖擊式壓路機(jī)對(duì)原地面以及每填高1.5m 沖擊碾壓一次[8]（30 遍），沖擊碾壓采用排壓法，縱橫向輪跡交錯(cuò)，行駛速度宜在10～12km/h，輪跡之間相互重疊，每沖擊碾壓6 遍，用平地機(jī)刮平地表，采用鋼輪壓路機(jī)靜壓或振壓將地表面壓實(shí)1～2 遍，繼續(xù)沖壓施工。水泥土擠密樁采用機(jī)械成孔，選用相對(duì)單一的土質(zhì)材料，與水泥按一定配比，在水泥土拌合站充分拌合均勻制成水泥土，分層向孔內(nèi)回填并強(qiáng)力夯實(shí)，制成均勻的水泥土擠密樁，樁和樁間土一起形成復(fù)合地基[9]。水泥土填筑路基是以水泥土作為填料，按照路堤、下路床、上路床分別摻3%、4%、5%的水泥，采用路拌機(jī)翻拌均勻后進(jìn)行碾壓整平，較普通路基施工多了撒布水泥及路拌機(jī)翻拌的施工工藝。

2.施工工藝流程及要點(diǎn)

2.1 工藝流程

強(qiáng)夯法：場(chǎng)地平整→標(biāo)出第一遍夯點(diǎn)位置→夯機(jī)就位→第一遍夯擊→填平夯坑→標(biāo)出第二遍夯點(diǎn)位置→第二遍夯擊→填平夯坑→第三遍滿夯。

沖擊碾壓：場(chǎng)地平整→壓路機(jī)靜壓→沖擊碾壓6 遍→平地機(jī)刮平→壓路機(jī)靜壓→沖擊碾壓6 遍→循環(huán)直至碾壓30 遍且沉降量滿足要求。

水泥土擠密樁：場(chǎng)地平整→樁孔定位、編號(hào)放樣→沉樁機(jī)就位→沉樁管至設(shè)計(jì)標(biāo)高→拔管→檢查驗(yàn)孔→夯實(shí)→檢測(cè)→成樁。

水泥土填筑法：下承層驗(yàn)收→下層灑水打方格→上土→推土機(jī)粗平→素土灑水悶料→平地機(jī)精平→撒布水泥→水泥改良土拌和→平地機(jī)精平→碾壓成型→壓實(shí)度檢測(cè)。

2.2 工藝要點(diǎn)

2.2.1 強(qiáng)夯法工藝要點(diǎn)

為減少路堤工后沉降，確保路堤的穩(wěn)定性，對(duì)填土路基清除表土后，進(jìn)行強(qiáng)夯處理并且碾壓密實(shí)，壓實(shí)度應(yīng)滿足規(guī)范要求。填筑過程中，每填筑4m 高時(shí)，進(jìn)行一次強(qiáng)夯處理。夯點(diǎn)間距采用正方形布置，主、副夯單位夯擊能應(yīng)達(dá)到2000KN·m（能級(jí)為錘重與落距之乘積），每遍每點(diǎn)8 擊（或最后兩擊平均夯沉量按20mm 控制），強(qiáng)夯3 遍，最后一遍采用單位夯擊能為800KN·m 的低能量滿夯，互相搭夯不小于1/3 夯痕。具體參數(shù)應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試夯確定，以消除地面下5m 以內(nèi)土層的濕陷性為原則，夯擊后對(duì)上部震松的土層進(jìn)行輾壓。

2.2.2 沖擊碾壓工藝要點(diǎn)

路基填筑每填高1.5m 采用25KJ 三邊形沖擊式壓路機(jī)增強(qiáng)補(bǔ)壓一次（沖擊壓路機(jī)沖壓30 遍為一次）；沖擊碾壓前應(yīng)先用平地機(jī)將原地面大致整平，再用鋼輪壓路機(jī)靜壓或振壓將地表適當(dāng)壓實(shí)。沖擊碾壓宜采用排壓法，縱橫向輪跡交錯(cuò)，縱向相錯(cuò)16 輪軸距，橫向軸緣相互重疊20～30cm，沖擊壓路機(jī)的行駛速度宜在10～12km/h，沖擊碾壓采用來回錯(cuò)輪的方式，輪跡之間相互重疊?？v向排列每次應(yīng)錯(cuò)一輪寬，有利于沖擊點(diǎn)的滿布、均勻，增強(qiáng)整體效果，整個(gè)場(chǎng)地全部壓完1 次為碾壓一遍。第二遍時(shí)應(yīng)由第一遍向內(nèi)移動(dòng)30cm 寬進(jìn)行沖擊碾壓，第三遍再回到第一遍的位置沖擊碾壓，依次進(jìn)行至最終遍數(shù)。

沖擊碾壓前6 遍宜采用低速?zèng)_壓，以避免沖擊坑太深，機(jī)械行駛困難，沖壓不均勻，影響碾壓效果，當(dāng)?shù)鼗砻娉霈F(xiàn)較明顯的凹凸，致使不能保證行進(jìn)速度時(shí)，應(yīng)馬上停機(jī)，用平地機(jī)刮平后再繼續(xù)施工。每沖擊碾壓6 遍，用平地機(jī)刮平地表，采用鋼輪壓路機(jī)靜壓或振壓將地表面壓實(shí)1～2 遍，測(cè)一次觀測(cè)點(diǎn)處的沉降值、壓實(shí)度、濕陷系數(shù)深度。當(dāng)觀測(cè)值不能滿足要求，繼續(xù)沖壓施工，并視含水率情況，必要時(shí)在繼續(xù)沖壓前灑水，當(dāng)觀測(cè)值滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)停止沖壓施工。

沖擊壓路機(jī)進(jìn)行沖擊碾壓，機(jī)械行進(jìn)速度維持在10～12km/h 之間，從路基的一側(cè)向另一側(cè)轉(zhuǎn)圈沖擊碾壓，沖擊碾壓順序應(yīng)符合“先路邊，后中間”錯(cuò)輪進(jìn)行。碾壓過程中如果因輪跡過深而影響壓實(shí)時(shí)，可用機(jī)械平整后再進(jìn)行沖擊碾壓，若路基表面揚(yáng)塵，可用灑水車適量均勻?yàn)⑺^續(xù)沖碾。沖擊壓過程中表層產(chǎn)生波浪形起伏后，碾壓時(shí)要有意識(shí)地調(diào)整轉(zhuǎn)彎半徑，沖擊波峰，即實(shí)現(xiàn)單雙兩遍沖壓的波峰與波谷呈現(xiàn)交替狀，做到壓實(shí)質(zhì)量的均勻，滿壓、無漏壓，在每碾壓6 遍后要調(diào)整為反方向沖擊碾壓。沖擊碾壓工序完成后，采用平地機(jī)進(jìn)行初步整平，再用鋼輪壓路機(jī)振動(dòng)碾壓1～2 遍，進(jìn)行壓實(shí)收光，整平壓實(shí)后表面必須平整密實(shí)、無輪跡、無松散、邊線圓滑直順。

2.2.3 水泥土擠密樁工藝要點(diǎn)

（1）施工放樣：施工前，根據(jù)樁位圖，通過坐標(biāo)控制 點(diǎn)，準(zhǔn)確定位出每個(gè)施工樁位點(diǎn)，并做好標(biāo)識(shí)，經(jīng)檢驗(yàn)無誤后，再進(jìn)行施工，并做好施工記錄。

（2）成孔：水泥土擠密樁施工采用沉管擠密法成孔，廠拌質(zhì)量比為8%的水泥土，使用100kg～125kg 的夾桿錘夯實(shí)機(jī)分層回填夯實(shí)，機(jī)具安裝就位后，使其平整穩(wěn)固，然后吊起樁管，對(duì)準(zhǔn)樁位，緩緩放下，使樁管、樁尖、樁錘處于同一垂線上，借錘擊力及樁管自重，將樁管壓入土中。管樁表面在6m、8m、9m、10m 做有進(jìn)尺標(biāo)記，用來控制成孔深度。樁尖開始入土?xí)r，先低錘輕擊，待沉入土中1-2m 各方面正常后，再用預(yù)定的速度、落距、錘擊沉管至設(shè)計(jì)深度。夯擊沉管時(shí)，若出現(xiàn)樁孔斜移、樁靴損壞等情況，應(yīng)及時(shí)回填擠密重打，每次成孔拔管后應(yīng)及時(shí)檢查樁尖。用柴油錘沉管至設(shè)計(jì)深度后，立即關(guān)閉油門，及時(shí)勻速（≤1m/min，軟弱層及軟硬交界處0.8m/min）拔管，有困難時(shí)可旋活樁管后起拔，拔出樁管后立即測(cè)量樁孔直徑和深度。

（3）填料的拌制與運(yùn)輸：水泥土采用廠拌，各種用料計(jì)量準(zhǔn)確，配合比符合設(shè)計(jì)，外觀顏色均勻一致，水泥土拌合均勻，不含有大于20mm 的土塊，拌合后確保水泥土含水量接近最優(yōu)含水量，采用運(yùn)輸車覆蓋運(yùn)輸，水泥土運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后可根據(jù)“手捏成團(tuán)，落地散花”判斷其含水量是否合適。水泥土應(yīng)隨拌隨用，已拌成水泥土不得超過6 小時(shí)或隔夜使用，被雨水淋濕的水泥土嚴(yán)禁使用，下雨期間不得進(jìn)行水泥土拌制。

（4）回填夯實(shí)：成孔后及時(shí)夯填，向孔內(nèi)填料前先夯實(shí)孔底，樁孔填料前，應(yīng)清底并夯實(shí)，夯擊次數(shù)一般不少于25 次，然后根據(jù)確定的分層回填厚度和夯擊次數(shù)逐次填料夯實(shí)。水泥土分層回填夯實(shí)，逐層以量斗定量向樁孔內(nèi)下料，每層回填厚度280-320mm，每次下土?xí)r長(zhǎng)約4s，采用提升式夯實(shí)機(jī)分層夯實(shí)，落錘高度0.6m，夯擊次數(shù)每層25 次。水泥土回填夯實(shí)采用連續(xù)施工，每個(gè)樁孔一次性分層回填夯實(shí)，不得間隔停頓或隔日施工以免降低樁的承載力。

（5）質(zhì)量控制：樁孔質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)在成孔后及時(shí)進(jìn)行，所有樁孔均需檢驗(yàn)并做出記錄，檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行夯填施工。孔內(nèi)填料的夯實(shí)質(zhì)量，應(yīng)及時(shí)抽樣檢查，其數(shù)量不應(yīng)少于總孔數(shù)的2%，每臺(tái)班不應(yīng)少于1 孔；自樁頂向下0.5m 起，宜每1m 取2 個(gè)土樣測(cè)定干密度；平均壓實(shí)系數(shù)λc 不應(yīng)低于0.97，其中壓實(shí)系數(shù)最小值不應(yīng)低于0.93。應(yīng)抽檢處理深度內(nèi)樁間土的平均擠密系數(shù)ηc，檢測(cè)探井?dāng)?shù)不應(yīng)少于總樁數(shù)0.3%，且每項(xiàng)單體工程不得少于3 個(gè)；自樁頂高程向下0.5m 起，在檢測(cè)孔中宜每1m 取2 個(gè)土樣采用環(huán)刀法(樁孔外100mm 處1 個(gè)、相鄰中心點(diǎn)1 個(gè))測(cè)定干密度，計(jì)算該層土的擠密系數(shù)平均值，成孔后3 個(gè)孔之間的平均擠密系數(shù)不宜小于0.93，最小擠密系數(shù)不宜小于0.88。承載力檢驗(yàn)應(yīng)在成樁后14d-28d 后進(jìn)行，檢測(cè)數(shù)量不應(yīng)少于總樁數(shù)的1%，且每項(xiàng)單體工程復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)不應(yīng)少于3 點(diǎn)。在場(chǎng)地內(nèi)均布檢測(cè)點(diǎn)(取土探井)，檢測(cè)點(diǎn)孔徑可取600mm，檢測(cè)點(diǎn)深度宜大于處理深度1m，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)均按照豎向1m 的間距采?、窦?jí)原狀土樣，用以測(cè)定各層土的濕陷性、壓縮性、干密度及其他相應(yīng)的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

2.2.4 水泥土填筑法

（1）基底驗(yàn)收：嚴(yán)格按照《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》第一冊(cè)：土建工程（JTGF80/1-2017）進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收過程嚴(yán)格執(zhí)行“三檢制度”，主要指標(biāo)包括壓實(shí)度、縱斷高程、平面偏位、寬度、平整度、橫坡度、邊坡坡度，驗(yàn)收合格后進(jìn)入下一道工序。

（2）基底掛線打方格：方格尺寸按照試驗(yàn)段確定的松鋪厚度及每車方量計(jì)算方格大小。方格大小要求大小一致，橫平豎直。

（3）方格上土：每個(gè)方格一車，倒土盡量成一條直線，便于推土機(jī)初平。

（4）推土機(jī)初平：上土完成后采用推土機(jī)初平，保證路基橫、縱坡度和寬度。

（5）素土灑水悶料：試驗(yàn)室檢測(cè)路基天然含水量，根據(jù)水泥穩(wěn)定土的最佳含水量確定加水量，用灑水車進(jìn)行補(bǔ)水，直到滿足規(guī)范要求，使素土含水量上下保持一致。

（6）平地機(jī)精平：用光輪壓路機(jī)靜壓1 遍，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高用石灰點(diǎn)標(biāo)注控制點(diǎn)標(biāo)高，平地機(jī)按照測(cè)量標(biāo)高進(jìn)行整平。

（7）水泥布料：用專用的水泥粉料撒布機(jī)進(jìn)行布料，保證布料均勻，布料數(shù)量根據(jù)每平方米的布料數(shù)量對(duì)粉料撒布機(jī)電腦進(jìn)行設(shè)置，保證水泥劑量滿足規(guī)范要求。

（8）水泥穩(wěn)定土拌合：水泥布料完成后，路拌機(jī)及時(shí)進(jìn)行拌合，拌合深度要嵌入基底1-2cm，保證上下層有效連接。在拌合過程中，及時(shí)檢查拌合深度，對(duì)路拌機(jī)拌合參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證拌合深度，不得出現(xiàn)素土夾層。

（9）含水量檢測(cè)：路拌機(jī)拌合完成后，試驗(yàn)室及時(shí)檢測(cè)水泥劑量和含水量，水泥劑量要滿足規(guī)范要求，含水量應(yīng)控制在最佳含水量±2%范圍內(nèi)，不滿足要求進(jìn)行補(bǔ)水或晾曬，直到含水量滿足要求。

（10）碾壓成型：首先采用22T 羊角碾進(jìn)行碾壓，碾壓速度保持在2～4km/h，共碾壓4 遍，待羊角碾碾壓完成后，平地機(jī)將碾壓痕跡刮平，再采用26T 振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，碾壓速度保持在2～4km/h，先靜壓1 遍，再振動(dòng)碾壓3 遍，最后靜壓1 遍，直線段采用從兩邊向中間碾壓，曲線段采用從內(nèi)側(cè)向外側(cè)碾壓，碾壓順序都是由低到高，碾壓時(shí)采用梯隊(duì)作業(yè)，按照路基試驗(yàn)段確定的機(jī)械組合和碾壓遍數(shù)。碾壓先慢后快，碾壓要均勻，輪跡重疊寬度滿足規(guī)范要求。

3.改良效果

通過采用強(qiáng)夯、沖擊碾壓、水泥土擠密樁、水泥土等工藝對(duì)濕陷性黃土路基進(jìn)行改良施工，第一方面，經(jīng)檢測(cè)黃土路基壓實(shí)度、彎沉等指標(biāo)均符合《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》第一冊(cè)：土建工程（JTG F80/1-2017）的規(guī)定，有效確保了路基工程質(zhì)量；第二方面，根據(jù)項(xiàng)目交工后的試運(yùn)營(yíng)情況，路基工程整體穩(wěn)定，未出現(xiàn)路基沉陷病害，節(jié)約了路基濕陷病害整治費(fèi)用，節(jié)省了公路養(yǎng)護(hù)成本；第三方面，與傳統(tǒng)的灰土路基摻石灰相比，水泥土路基填筑采用水泥作為外摻材料，避免使用石灰，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，取得了較好的環(huán)保效益。綜上所述，濕陷性黃土路基采用強(qiáng)夯、沖擊碾壓、水泥土擠密樁、水泥土等改良施工工藝，通過機(jī)械化和標(biāo)準(zhǔn)化的施工，能夠有效消除或降低黃土路基的濕陷性，使得西寧至互助一級(jí)公路擴(kuò)能改造工程黃土路基實(shí)現(xiàn)了內(nèi)實(shí)外美，創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益。

結(jié)語(yǔ)：

本文針對(duì)西寧至互助一級(jí)公路擴(kuò)能改造工程路基濕陷性黃土處置問題，對(duì)施工過程中采用的強(qiáng)夯、沖擊碾壓、水泥土擠密樁、水泥土填筑等工藝進(jìn)行了總結(jié)介紹，通過上述工藝在本項(xiàng)目的實(shí)踐表明：一是在準(zhǔn)確判定黃土濕陷性程度的情況下，根據(jù)不同路段質(zhì)地條件，合理選取強(qiáng)夯、沖擊碾壓、水泥土擠密樁、水泥土填筑等工藝工法，通過施工方案的專項(xiàng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)的嚴(yán)格管控，能夠有效提升濕陷性黃土路基施工質(zhì)量；二是在生態(tài)敏感地區(qū)，特別是缺少石灰材料的地區(qū)，根據(jù)黃土路段的濕陷性嚴(yán)重程度，可探索采用水泥土代替石灰土填筑路基，以期實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)質(zhì)量與生態(tài)環(huán)保效益的平衡；三是水是黃土路基濕陷的重要條件，無論采取何種方式對(duì)濕陷性黃土路基進(jìn)行處置和改良，都應(yīng)以完善路基防排水設(shè)施為前提。