王 鑄

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

黃土是第四紀(jì)干旱、半干旱氣候條件下，陸相沉積的一種特殊土。在我國，黃土及黃土狀土的分布面積約為64萬km2，其中濕陷性黃土分布面積占到黃土分布面積的3/4。濕陷性黃土是一種非飽和的欠壓密土，具有大孔隙和垂直節(jié)理發(fā)育等特點，其最大特點是在土的自重壓力或土的附加壓力與自重壓力共同作用下受水浸濕時將發(fā)生急劇而大量的附加下沉現(xiàn)象。石太客運專線是我國開工最早的客運專線之一，其工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為一般地段不大于100 mm，路橋過渡段不大于50 mm，沉降速率不大于30 mm/年;線路經(jīng)過的大部分區(qū)域被濕陷性黃土覆蓋，首次在客運專線鐵路中應(yīng)用沖擊碾壓法加固濕陷性黃土地基，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，結(jié)合石太客運專線工程建設(shè)，選取試驗段開展沖擊碾壓法加固濕陷性黃土地基的試驗研究，取得了豐富的研究成果。

2 沖擊碾壓加固原理

沖擊碾壓技術(shù)是1995年由南非藍派公司引入我國。沖擊碾壓也稱非圓碾壓，是一種具有新型壓實機理的壓實方法，它是采用沖擊壓路機對地基土進行沖擊碾壓，是一種沖擊和揉搓作用相結(jié)合的壓實方法。沖擊壓實機是由大馬力牽引機和壓實輪組成，壓實輪有三邊、四邊、五邊和六邊形等形狀以及實體、空體及可填充式等類型。其工作原理如圖1所示。

壓實輪在牽引力F的作用下向前滾動，當(dāng)滾動角圓弧與地面的接觸點A與重心O在一條鉛垂線上時，壓實輪升至最高位置(圖1(a))，越過此點以后，中心相對于接觸點A產(chǎn)生壓實輪墜落的沖擊力矩(圖1(b))，在這一力矩作用下壓實輪沖擊地面，而此時沖擊力矩達到最大(圖1(c))。隨后壓實輪的沖擊面向前方搓擠地基土而產(chǎn)生強力的揉搓作用，并使地基土產(chǎn)生很大的反力R，在牽引力F和反力R所形成的舉升力偶作用下，壓實輪以滾動與地面接觸的瞬時中心為轉(zhuǎn)動軸心向前滾動并抬升壓實輪至最高位置，然后繼續(xù)這樣的循環(huán)。由于碾邊順序周期性地沖擊地面，產(chǎn)生強烈的沖擊波并向地下深層傳播，土顆粒之間發(fā)生位移、變形和剪切，深層土體得以密實。從而達到消除地基土的濕陷性，減小路基的工后沉降，提高路基穩(wěn)定性的目的。

圖1 沖擊碾壓加固地基土的工作原理

3 現(xiàn)場試驗設(shè)計

3.1 試驗段情況

選擇了DIK148+660～DIK148+760段長100 m的路基作為試驗段，地勢相對平坦，地表下15 m范圍內(nèi)黃土具有Ⅱ級非自重濕陷性，含水率10.9% ～27.1%，干密度 1.31～1.43 g/cm3，飽和度 33% ～77%，塑性指數(shù)9.3～16.1。

3.2 試驗方法

試驗方法主要有室內(nèi)試驗、原位測試、含水量原位監(jiān)測及沉降觀測。室內(nèi)試驗主要有室內(nèi)常規(guī)土工試驗、擊實試驗、濕陷性試驗以及三軸剪切試驗，目的是測定路基土的密度、比重、含水量、濕陷性系數(shù)、壓縮性、抗剪強度指標(biāo);原位測試采用靜力觸探試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗;，含水量監(jiān)測試運用濕度傳感器進行含水量原位長期監(jiān)測;沉降觀測采用磁環(huán)分層沉降和基底橫向剖面管兩種方式進行沉降觀測。并通過對試驗結(jié)果的對比分析，評價沖擊碾壓的加固效果。

3.3 現(xiàn)場測試斷面布置

在DIK148+700處設(shè)置一個測試斷面，埋設(shè)了剖面沉降管、濕度傳感器、分層沉降磁環(huán)。元器件埋設(shè)情況見表1，測點布置見圖2。

表1 測試斷面的元器件埋設(shè)情況

圖2 測試斷面測點布置(單位:cm)

3.4 施工工藝參數(shù)

(1)機械選型

沖擊壓路機選用YCT25型沖擊壓路機，沖擊輪質(zhì)量16 t，最大沖擊能量達到25 kJ;牽引機械選用QCY360型沖擊壓路機牽引機。

(2)處理范圍

路堤地段為路堤坡腳外3 m。

(3)碾壓方法

沖擊壓路機行駛2次為1個壓實單元，每次碾壓兩遍，每遍第2次的單輪由第1次的單輪內(nèi)邊距中央通過，第3遍再回復(fù)到第1遍的位置沖碾，依次碾壓40遍。碾壓時速為9～15 km，最佳碾壓時速12 km。

4 試驗結(jié)果及對比分析

4.1 室內(nèi)試驗結(jié)果

對沖擊碾壓加固前后的黃土地基采取現(xiàn)場取樣，進行了相關(guān)的室內(nèi)試驗，得到加固前后黃土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，見表2、表3。

表2 沖擊碾壓加固前黃土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表3 沖擊碾壓加固后黃土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

可根據(jù)表2和表3的試驗結(jié)果，繪出干密度、孔隙比、濕陷系數(shù)、滲透系數(shù)、壓縮模量、黏聚力及內(nèi)摩擦角沿深度的變化情況。

4.2 原位試驗結(jié)果

(1)靜力觸探試驗

沖擊碾壓前后的靜力觸探曲線見圖3。

圖3 沖擊碾壓前后靜力觸探曲線

(2)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 沖擊碾壓前后的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)

4.3 現(xiàn)場測試結(jié)果

對DIK148+700處測試斷面進行了長時間的黃土地基的含水量監(jiān)測和基底沉降觀測?；撞煌恢锰幒侩S時間變化曲線見圖4和圖5，基底不同位置處磁環(huán)沉降隨時間變化曲線見圖6，基底橫向各點沉降隨時間變化曲線見圖7(0位置為路基左側(cè)沉降管頭的沉降值)。

4.4 對比分析

圖4 DIK148+700路基中心不同位置處含水量隨時間變化曲線

圖5 DIK148+700左側(cè)坡腳不同位置處含水量隨時間變化曲線

圖6 路基中心基底以下不同位置處沉降隨時間變化曲線

圖7 路基基底橫向各點沉降值隨時間變化曲線

從表2和表3的試驗結(jié)果分析可以看出:(1)從干密度的變化情況來看，沖擊碾壓的有效處理深度在250 cm以內(nèi);(2)從孔隙比的變化情況來看，沖擊碾壓的有效處理深度在250 cm以內(nèi);(3)從濕陷系數(shù)的變化情況來看，沖擊碾壓的有效處理深度在150 cm以內(nèi);(4)從滲透系數(shù)的變化情況來看，沖擊碾壓的有效防滲處理深度在100 cm以內(nèi)，效果明顯;(5)從壓縮模量的變化情況來看，沖擊碾壓的有效處理深度在250 cm以內(nèi);(6)從黏聚力的變化情況來看，沖擊碾壓的有效處理深度在150 cm以內(nèi);(7)從內(nèi)摩擦角的變化情況來看，沖擊碾壓的有效處理深度在150 cm以內(nèi)。

從圖3分析可以看出，從土體比貫入阻力的變化情況來看，沖擊碾壓的有效處理深度在120 cm以內(nèi)。

從表4可以看出，沖擊碾壓影響范圍在200 cm以內(nèi)，作用效果從地表往下逐漸減弱。

從圖4、圖5分析可以看出，路基中心不同位置處的含水量及左側(cè)坡腳基底下3 m和5.5 m以下含水量與初始值相比，基本保持不變，左側(cè)坡腳基底0.5 m范圍內(nèi)受地表降水影響較大，在施工前期發(fā)生局部變化，以后基本保持不變，說明地基內(nèi)不同位置處的含水量在測試期間含水量穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)頂部水下滲和底部水份向上遷移現(xiàn)象。

從圖6、圖7分析可以看出，磁環(huán)分層沉降趨勢與基底橫向剖面管沉降趨勢相比基本相同，從沉降曲線來看，2007年1月以后沉降速率變小，至2007年11月后沉降趨于穩(wěn)定，最大沉降值在路基中心，為24.7 cm。并根據(jù)測試數(shù)據(jù)運用雙曲線預(yù)測模型進行沉降預(yù)測，總沉降量為28.12 cm，工后沉降量為3.42 cm。

通過以上分析可以得到以下結(jié)論:(1)沖擊碾壓法作為黃土地基淺層處理方法，有一定的效果，干密度、力學(xué)強度均有所提高，孔隙比、濕陷系數(shù)、滲透系數(shù)明顯減小;(2)沖擊碾壓法對黃土地基的處理深度，消除濕陷性的作用在150 cm深度范圍內(nèi);(3)滲透系數(shù)在100 cm范圍內(nèi)明顯減小，明顯提高土體的抗?jié)B性能;(4)土體內(nèi)的體積含水量基本上不發(fā)生變化，表明沖擊碾壓結(jié)束后，及時施工封閉層，做好防排水工程，可以起到良好的防滲效果。(5)沖擊碾壓法對于減小地基沉降的作用不明顯。

5 結(jié)語

通過本次進行的沖擊碾壓法加固濕陷性黃土地基的試驗研究，表明沖擊碾壓法加固濕陷性黃土地基是有效和實用的，是濕陷性黃土地基加固中工期最短、成本最低的一種施工方法，適用于施工面積較大、較平坦的加固場地，在黃土地區(qū)路基工程中具有廣闊的應(yīng)用前景，值得推廣應(yīng)用。

［1］鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

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［4］王吉利，劉怡林，沈興付，等.沖擊碾壓法處理黃土地基的試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2005，26(5):755-758.

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［7］TB10012—2001，鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［8］TB10038—2001，鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程［S］.

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