高速公路濕陷性黃土路基處治中沖擊碾壓技術(shù)的應(yīng)用

張新勝,李 輝,李吉元

（阿拉善盟交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心巴彥浩特公路養(yǎng)護(hù)工區(qū),內(nèi)蒙古 阿拉善 750306）

0 引言

我國作為國際上黃土存量最多的國家，黃土覆蓋面積最廣、厚度最大，主要分布在陜西、甘肅、寧夏等地區(qū)。黃土是一種特殊的非飽和欠壓土狀堆積物，質(zhì)地疏松且孔隙較多，在土體自重壓力和附加壓力的共同作用下，受流水浸潤后易出現(xiàn)大量的侵蝕、剝落或塌陷現(xiàn)象[1]。黃土地區(qū)修建高速公路工程時常伴有濕陷性，在工程建設(shè)之前若沒有對濕陷性黃土路基進(jìn)行加固，會對工程造成嚴(yán)重破壞，影響整個工程質(zhì)量。濕陷性黃土路基加固處理方法眾多，適用條件也有所不同，灰土擠密樁適用于大深度、小范圍的情況；強(qiáng)夯法適用于處治面積大、厚度大、周邊無其他建筑的情況；換填法適用于地質(zhì)條件較差，面積較小的情況。而沖擊碾壓技術(shù)作為一種新型碾壓技術(shù)，利用沖擊壓路機(jī)對路基進(jìn)行沖擊、揉搓和碾壓，周期性沖擊地面，利用沖擊波在土體中的傳播，使土體顆粒發(fā)生位移、剪切與變形，以提升土體密實(shí)度，消除土體濕陷性，確保路基施工的穩(wěn)定。

1 工程概況

以某高速公路工程的C19 標(biāo)段為例，線路長度為9.275 km，此標(biāo)段線路整體地貌以平原為主，地勢西北高、東南低。地表是第四系堆積物粉質(zhì)液限土，地表下是結(jié)構(gòu)致密、土質(zhì)均勻的風(fēng)積粉質(zhì)液限土，具有明顯的濕陷性表現(xiàn)。該標(biāo)段濕陷性黃土的干密度在1.31~1.43 g/cm3范圍內(nèi)，壓縮模量為3.0~6.5 MPs，孔隙比在0.879~1.063之間，黏聚力為18~48 kPa，摩擦角為19.5~22.5°，滲透系數(shù)為1.634×10-6~8.536×10-6cm/s。案例工程建設(shè)中濕陷性黃土路基的處治是施工重難點(diǎn)，結(jié)合工程設(shè)計劃分該標(biāo)段的濕陷等級，如表1 所示。

表1 工程案例標(biāo)段濕陷等級

2 濕陷性黃土路基沖擊碾壓處治

2.1 沖擊碾壓技術(shù)

沖擊碾壓技術(shù)是借助牽引車拖拽多邊形曲面沖擊輪進(jìn)行連續(xù)翻滾，沖擊輪在轉(zhuǎn)動過程中與地面接觸產(chǎn)生高差，在高差和重力的綜合作用下使沖擊輪的勢能轉(zhuǎn)化為動能，對地面進(jìn)行沖擊、揉搓和碾壓[2]。沖擊碾壓技術(shù)頻率低、振幅高、可有效減少土體孔隙率，提高填筑土體的密實(shí)度，盡可能避免施工后土體的沉降隱患，顯著提升路基施工穩(wěn)定性。沖擊碾壓技術(shù)具有如下幾方面特點(diǎn)表現(xiàn)：

（1）沖擊力度大，碾壓效果良好。通過沖擊式壓路機(jī)可提供300~600 t 的壓實(shí)力，甚至在牽引速度達(dá)到13 km/h 時能夠?qū)ν馏w產(chǎn)生2 000~2 500 kN 的沖擊力，壓實(shí)效果良好。

（2）工藝簡單，處治效果良好。沖擊碾壓技術(shù)作為一種作用于淺層的路基處理方法，施工工藝簡單，無需換填墊層法的土方開挖及回填，也無需灰土擠密樁法施工的大量成本投入。沖擊碾壓技術(shù)施工無需較高的填料含水量要求，在工程用水短缺的地區(qū)也具有極高的適用性。通常情況下，沖擊碾壓技術(shù)的處理深度在0.5~1.5 m之間，濕陷性黃土路基經(jīng)處理后的壓縮模量顯著提高，具有良好的穩(wěn)定性表現(xiàn)。

（3）全方位壓實(shí)效果監(jiān)測。常規(guī)壓路機(jī)碾壓施工采用灌砂法對壓實(shí)度進(jìn)行檢測，傳統(tǒng)方法僅能實(shí)現(xiàn)對某一點(diǎn)壓實(shí)效果的檢測，難以保證測點(diǎn)外的壓實(shí)效果。而沖擊碾壓技術(shù)采用沉降差法對壓實(shí)度進(jìn)行從點(diǎn)到面的檢測，更具全面性。

2.2 沖擊碾壓技術(shù)施工準(zhǔn)備

沖擊碾壓技術(shù)的施工準(zhǔn)備主要分為以下幾個方面：

2.2.1 場地準(zhǔn)備

施工前利用白灰標(biāo)出待施工范圍，做好臨時截排水處理，截斷流向施工區(qū)場地的水源，增設(shè)臨時排水溝，對場地內(nèi)0.3 m 厚的表土進(jìn)行徹底清理[3]。同時，確保施工場地大于1 500 m2，有效碾壓長度在100 m 以上，在碾壓端頭處預(yù)留出30 m 長、8 m 寬的場地供壓路機(jī)掉頭使用。當(dāng)路基壓實(shí)度在90%以上且仍不滿足設(shè)計要求時，采用單/雙鋼輪壓路機(jī)繼續(xù)碾壓，待滿足路基壓實(shí)度要求后，對存在的低洼地段進(jìn)行填土找平，避免沖擊輪在經(jīng)過坑洼地段時被顛簸彈起，影響碾壓效果。此外，施工場地應(yīng)距周邊的房建工程30 m 以上，距電線桿、橋梁工程等10 m 以上。

2.2.2 機(jī)械準(zhǔn)備

選用25 kJ 以上的YCT-25 型沖擊式壓路機(jī)，選擇三變形曲面沖擊輪，沖擊輪重量為16 t。沖擊碾壓速度控制在10~13 km/h。施工前檢查好壓路機(jī)是否可以正常運(yùn)行，機(jī)械各系統(tǒng)管路與接頭處是否存在松動、裂紋的情況。

2.2.3 參數(shù)確定

沖擊碾壓施工前進(jìn)行試驗(yàn)段施工，對最佳的單次施工長度、沖擊碾壓深度、碾壓遍數(shù)和沉降差等參數(shù)進(jìn)行確定，其中沖擊碾壓深度主要受沖擊輪半徑和重量的影響，沖擊輪半徑和重量越大，沖擊碾壓深度越深。

2.2.4 布設(shè)沉降觀測點(diǎn)

選擇視野開闊的地段作為沉降觀測點(diǎn)，保證觀測范圍內(nèi)無其他遮擋物，具有良好的通視條件。

2.2.5 含水率檢測

為確保濕陷性黃土路基沖擊碾壓技術(shù)施工能夠滿足施工設(shè)計的密實(shí)度要求，在施工準(zhǔn)備階段對施工路段表土層0~0.5 m 厚度土體的含水率進(jìn)行檢測。含水率檢測采用烘干法，應(yīng)保證路段含水率在技術(shù)規(guī)范要求范圍內(nèi)，如果檢測到的含水率較大，超出最佳含水率的3%以上，可以先進(jìn)行翻曬處理；若含水率較小則可適當(dāng)灑水處理，保證將實(shí)際含水率控制在最佳含水率的±0.3%[4]。

2.3 沖擊碾壓技術(shù)施工工藝

濕陷性黃土路基沖擊碾壓技術(shù)施工過程中，路塹段施工根據(jù)開挖寬度進(jìn)行20 遍沖擊碾壓，利用0.5 m 的灰土進(jìn)行頂部封閉。路堤段不進(jìn)行排水溝設(shè)置時，采用0.3 m的灰土對坡腳內(nèi)1.5 m 至坡腳外2 m 的范圍進(jìn)行封閉；若設(shè)置排水溝，則采用0.3 m 的灰土對坡腳內(nèi)1.5 m 至排水溝之間范圍進(jìn)行封閉。施工采用QCY-360 牽引機(jī)牽引沖擊式壓路機(jī)以5.0 km/h 的速度行駛，保證行駛速度控制在10~13 km/h 之內(nèi)。若沖擊碾壓速度過快，當(dāng)遇到坑洼不平的地段時，沖擊輪懸空難以與地面進(jìn)行有效接觸，造成壓實(shí)效果不佳，同時也會由于振幅過大而導(dǎo)致機(jī)械出現(xiàn)損壞；若沖擊碾壓速度過慢，由沖擊輪勢能轉(zhuǎn)化的動能不足，無法滿足沖擊碾壓施工的設(shè)計要求[5]。

為避免填料受沖擊散發(fā)大量灰塵導(dǎo)致沖擊能下降，利用灑水車對填料進(jìn)行灑水處理。沖擊碾壓施工過程中，遵循先慢后快的原則，由路基的一側(cè)向另一側(cè)錯輪碾壓。碾壓的縱向搭接寬度保持在碾壓輪的1/2 寬，橫向錯輪碾壓輪痕的重疊寬度則需要依照沖擊輪的寬度進(jìn)行確定，工程采用的沖擊輪單寬為0.9 m，兩輪之間的距離是1.2 m，確定輪痕的重疊寬度為0.2 m，需要確保至少經(jīng)過2 次的錯輪重疊碾壓才能將兩輪之間留出的空間完全碾壓覆蓋，待錯輪重疊碾壓至另一側(cè)路基邊緣后，結(jié)束碾壓。沖擊碾壓一個施工單位為5 遍，待一個施工單元結(jié)束后應(yīng)及時觀測沉降差，待所有施工單元結(jié)束后應(yīng)調(diào)整碾壓方向進(jìn)行反方向碾壓，碾壓施工結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)為路基沉降差在1 cm之內(nèi)。

錯輪碾壓的方式能夠保證路基均勻受力，使路基土密度更為均勻，路基的強(qiáng)度也得以提升。沖擊碾壓技術(shù)雖然對路基深層土體的密實(shí)度具有良好的加強(qiáng)作用，碾壓過程中產(chǎn)生的沖擊力相對集中，一定程度上對表層土體造成松動，引發(fā)路基表面的不平現(xiàn)象[6]。實(shí)際施工過程中必須配合推土機(jī)或平地機(jī)進(jìn)行使用，保證路基表層的平整度和壓實(shí)度。沖擊碾壓技術(shù)施工具有以下幾點(diǎn)需要注意：碾壓過程應(yīng)保證壓路機(jī)勻速行駛，不可突然變速、變向，以防對路基壓實(shí)效果造成影響；上下坡應(yīng)提前更換擋位，避免在上下坡過程換擋；如果有轉(zhuǎn)移場地施工的需要，應(yīng)先支起底部沖擊輪再駛離原場地；如果施工出現(xiàn)局部坑洼情況，及時利用推土機(jī)填平。

3 濕陷性黃土路基沖擊碾壓技術(shù)施工效果檢驗(yàn)

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

沖擊碾壓施工結(jié)束后，對案例標(biāo)段路基土采樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，表2 所示的結(jié)果為施工后路基土的物理力學(xué)性能指標(biāo)。

表2 工程案例標(biāo)段濕陷等級

從表2 結(jié)果能夠看出，濕陷性黃土路基經(jīng)沖擊碾壓施工后，路基土體的孔隙比、黏聚力和濕陷系數(shù)有所減小，壓縮模量明顯增大，隨著取樣深度越淺，土體的滲透系數(shù)降低幅度越明顯。

工程中濕陷性黃土路基經(jīng)沖擊碾壓技術(shù)處治后，對路基土含水量及沉降情況進(jìn)行觀測。從黏聚力、實(shí)現(xiàn)系數(shù)、摩擦角等參數(shù)變化情況分析，沖擊碾壓處治的有效深度在1.5 m；從孔隙比、干密度、壓縮模量等參數(shù)變化情況分析，沖擊碾壓處治的有效深度在2.5 m；從滲透系數(shù)變化情況分析，沖擊碾壓處治的有效深度在1.0 m。

總的來看，沖擊碾壓技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對高速公路工程濕陷性黃土路基的有效加固，土體各物理力學(xué)性能均得到提升，孔隙比、濕陷系數(shù)和滲透系數(shù)均下降。沖擊碾壓施工后黃土土體的含水量未發(fā)生較大變化，證明沖擊碾壓施工中封閉層及排水工程施工質(zhì)量較高，具有良好的防滲效果。

3.2 壓實(shí)質(zhì)量檢驗(yàn)

濕陷性黃土路基的土體在遭受沖擊時會產(chǎn)生一定的抗變形能力，對應(yīng)參數(shù)就是動態(tài)變形模量Evd，計算公式如下所示：

式中，r——圓形剛性荷載板半徑；σ——荷載板承受最大沖擊力；s——荷載板的沉陷值。

濕陷性黃土路基經(jīng)沖擊碾壓施工后的壓實(shí)質(zhì)量檢驗(yàn)采用動態(tài)變形模量測試儀（圖1）。檢測過程確保地面平整，局部凹凸處利用細(xì)砂找平，將此儀器平置在地面，垂直安裝導(dǎo)向桿。抬起落錘放置在掛鉤上，落錘脫鉤落下再反彈回來，重復(fù)三次進(jìn)行預(yù)沖擊。正式檢測過程中避免荷載板出現(xiàn)位移，準(zhǔn)確記錄各測點(diǎn)位置、土體類型、含水率等相關(guān)參數(shù)。

圖1 動態(tài)變形模量測試儀

該工程濕陷性黃土路基經(jīng)沖擊碾壓技術(shù)處治后的動態(tài)變形模量檢測，共設(shè)有測點(diǎn)1 008 個，每個測點(diǎn)檢測耗時為3 min，總耗時50.4 h。測量結(jié)果顯示，濕陷性黃土路基經(jīng)沖擊碾壓技術(shù)處治后，路基表土下1.0 m 深度的土體壓實(shí)度可達(dá)到90%以上，濕陷性系數(shù)在0.015 以下，證實(shí)沖擊碾壓壓實(shí)效果良好。

4 結(jié)語

為有效解決高速公路濕陷性黃土路基的加固問題，以實(shí)際工程為例，在闡明沖擊碾壓技術(shù)原理及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對沖擊碾壓施工工藝進(jìn)行分析，通過試驗(yàn)證明提出的施工工藝可實(shí)現(xiàn)對濕陷性黃土路基的有效加固，有效解決高速公路黃土路基的濕陷性問題，顯著提高路基的密實(shí)度和承載力，確保路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。濕陷性黃土作為一種特殊的黏性土，其中易溶鹽及粉質(zhì)土的含量較高，遇水沖蝕易出現(xiàn)濕陷，甚至崩解的情況。由此，在采用沖擊碾壓技術(shù)加固的過程中應(yīng)加強(qiáng)對排水工作的重視，避免因浸水造成土體的濕陷加劇。