■鄭偉宏(福建君達(dá)建設(shè)有限公司,漳州363000)
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公路濕陷性地基處理中的沖擊壓實(shí)技術(shù)分析
■鄭偉宏
(福建君達(dá)建設(shè)有限公司,漳州363000)
通過(guò)公路地基處理中的沖擊壓實(shí)技術(shù)實(shí)例,對(duì)濕陷性、孔隙比、干密度、影響深度、壓縮模量以及路基的沉降變形等進(jìn)行系統(tǒng)地研究。研究結(jié)果表明,沖擊壓實(shí)技術(shù)在濕陷性地區(qū)道路施工中應(yīng)用,不但可以有效改善地基質(zhì)量,而且有效降低了路基施工后沉降。
濕陷性地基處理沖擊壓實(shí)
關(guān)于黃土地基的研究,國(guó)內(nèi)外的研究數(shù)量已經(jīng)很多了,但是系統(tǒng)、完整性還不夠,很多問(wèn)題還需要深入探討。隨著我國(guó)公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)地快速發(fā)展,黃土路基中出現(xiàn)了更多的問(wèn)題,針對(duì)處理方法的設(shè)計(jì)、施工以及處理的效果是否理想,經(jīng)濟(jì)效益是否合理,新技術(shù)和新工藝的開(kāi)發(fā)和利用等問(wèn)題都需要深入進(jìn)行研究。
沖擊式壓實(shí)機(jī)在我國(guó)近幾年的發(fā)展中逐漸成為了一種新型的筑路機(jī)械,與一般的壓實(shí)機(jī)對(duì)比,沖擊式壓實(shí)機(jī)在路基的壓實(shí)中很好地發(fā)揮了自身重量作用,碾壓輪前進(jìn)過(guò)程中,一部分勢(shì)能將會(huì)有效轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,對(duì)路基產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊,對(duì)壓實(shí)厚度和壓實(shí)體積都有所增加,減少了壓實(shí)次數(shù),提升路基壓實(shí)效果[1]。對(duì)比強(qiáng)夯,加固的深度較小,但沖擊壓實(shí)際上沖擊能不大,很好的避免了對(duì)土體結(jié)構(gòu)的破壞,并發(fā)生連續(xù)性沖擊,此外機(jī)械行走的速度比較快,壓實(shí)成本比較低等優(yōu)勢(shì)。
沖擊式壓實(shí)機(jī)的沖擊能可以通過(guò)以下公式(1)進(jìn)行計(jì)算。
E=mgh
(1)
(1)式中的E表示沖擊式壓實(shí)機(jī)的沖擊能;m是壓實(shí)機(jī)中輪軸的組件質(zhì)量;g為重力加速度,取值是9.81m/s2;h壓實(shí)輪的外半徑和內(nèi)半徑的差。
實(shí)踐表明,壓實(shí)輪對(duì)地面所造成的沖擊量和壓實(shí)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的線速存在聯(lián)系,依據(jù)沖量定理公式(2)對(duì)沖擊量N進(jìn)行計(jì)算:
(2)
(2)式中的v′代表沖擊初速度(m/s),v指的是沖擊末速度,t是沖擊作用時(shí)間。
三角邊的沖擊式壓實(shí)機(jī)的沖擊力在3×103~4×103kN區(qū)間。該振幅的沖擊力作用在土體上,將會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)大沖擊波向深層土體傳播,造成土體顆粒間的相互位移、變形和剪切,壓實(shí)深層土體結(jié)構(gòu)。消除地基土濕陷性,減小路基施工后沉降,達(dá)到提升路基穩(wěn)定性的目的。
本次研究中的工程為某施工公路,該公路需要經(jīng)過(guò)濕陷性黃土地區(qū),依據(jù)線路巖土工程的勘察資料,該地區(qū)為第四系風(fēng)積黃土狀砂土,其中有支離破碎狀黃土溝梁地形,土體結(jié)構(gòu)松散,土質(zhì)存不均一,且有孔隙和蟲(chóng)孔,含水量低。該地區(qū)的濕陷等級(jí)為II類,程度中等。在路堤施工之前需要對(duì)濕陷性實(shí)行處理,反之,將出現(xiàn)路基的大面積變形和干裂,引起交通安全隱患[2]。
實(shí)施沖擊壓實(shí)之前,要將地基表面的植物根系等進(jìn)行清除,隨后整平,沖擊壓實(shí)設(shè)備為25T3-25KJ型三邊形碾壓輪沖擊式壓實(shí)機(jī)。為了了解處理沖擊壓實(shí)之后的濕陷性地基質(zhì)量,在施工過(guò)程中以及后期,要測(cè)試不同物理力學(xué)參數(shù)數(shù)值和地基沉降變形情況。
2.1地基土濕陷性測(cè)試分析
為了檢驗(yàn)濕陷性地基的處理效果,需要測(cè)試施工前后不同深度的地基土含水、孔隙比和濕陷性系數(shù)等,結(jié)果如圖1至圖3。
圖1 干密度與沖擊壓實(shí)遍數(shù)的關(guān)系
圖1中,不同沖壓遍數(shù)下,地基土干密度會(huì)在不同深度上出現(xiàn)相應(yīng)的改變,沖擊壓實(shí)后,地基土的密實(shí)度提升,在0~0.6m范圍沖擊20和40次后,地基土干密度所提升的百分比分別是10%~20%和15%~27%,由此可知沖擊壓實(shí)能夠明顯改善地基土密度,在整體上提升地基強(qiáng)度。
圖2 孔隙比與沖擊壓實(shí)遍數(shù)的關(guān)系
圖2顯示的是不同沖擊遍數(shù)對(duì)地基孔隙比在深度上的變化。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果得知,沖擊壓實(shí)前后地基土含水量未出現(xiàn)過(guò)大的改變,間接證明沖擊壓可以改善地基土結(jié)構(gòu),土顆粒會(huì)錯(cuò)動(dòng)或重新排列,對(duì)顆粒之間的空隙進(jìn)行有效減少,保證土顆粒之間更為緊密。
圖3 濕陷性系數(shù)與沖擊壓實(shí)遍數(shù)的關(guān)系
圖3代表的是不同沖擊壓遍數(shù)下的地基土實(shí)現(xiàn)系數(shù)的變化。從試驗(yàn)結(jié)果中得知,在沖壓后,地基土的濕陷性系數(shù)接近或是小于0.015。依據(jù)相關(guān)規(guī)范,當(dāng)≤0.015情況下,該地區(qū)為非濕陷性黃土。因此,采用沖擊式壓實(shí)機(jī)沖擊濕陷性地基的過(guò)程中可以消除或改善濕陷性土地,顯著降低濕陷性地基土的系數(shù)[3~4]。
3.2地基土壓縮模量測(cè)試分析
在沖擊壓實(shí)機(jī)在實(shí)際過(guò)程中的振動(dòng)、沖擊、壓實(shí)等措施的結(jié)果顯示,地基土壓縮模量出現(xiàn)了明顯升高。從圖4中可知,在0~0.6m情況下的提升幅度最大,地面1m內(nèi)地基土壓縮模量提高在15MPa以上。
圖4 壓縮模量與沖擊壓實(shí)遍數(shù)的關(guān)系
3.3沖擊壓實(shí)影響地基土深度分析
被沖擊壓實(shí)范圍內(nèi),地基土隨著壓實(shí)遍數(shù)的增多被均勻壓實(shí),檢測(cè)沖擊壓實(shí)前后干密度,結(jié)果顯示隨著沖擊壓實(shí)次數(shù)的增加,處理會(huì)將上層土體壓實(shí),下層土體也會(huì)受到相應(yīng)的影響被追密,進(jìn)而提升地基土干密度。沖擊壓實(shí)的次數(shù)與其影響的深度之間存在聯(lián)系,且該關(guān)系在一定范圍內(nèi)是正比關(guān)系[5]。
3.4地基沉降的檢測(cè)與分析
了解和分析沖擊壓實(shí)后濕陷性地基的沉降,在沖擊壓實(shí)技術(shù)施工中,選擇3個(gè)有著代表性橫斷面。且選擇不同位置為觀測(cè)點(diǎn),實(shí)行一定的沖擊壓實(shí)次數(shù)后,觀測(cè)同一點(diǎn)的沉降觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果,觀測(cè)結(jié)果如表1。依據(jù)表中數(shù)據(jù)可知,沖擊式壓實(shí)機(jī)的強(qiáng)大作用下沉降變形增大。沖擊式壓實(shí)機(jī)在地基表面的沖擊壓實(shí)中,沖擊波傳播向深層土壤,孔隙水得到消散,土顆粒重新排列,實(shí)現(xiàn)了地基土的孔隙比的有效降低,使土顆粒更緊密。
表1 沖擊壓實(shí)中的地基沉降觀測(cè)結(jié)果
試驗(yàn)段長(zhǎng)度取280m,寬40m,路段內(nèi)沖擊壓實(shí)試驗(yàn)道的寬度是4m,在路段平面的兩側(cè)部位縱向兩側(cè)各取24m寬度,兩端為半徑20m的半圓。10遍沖擊壓實(shí)作為一個(gè)壓實(shí)單元,共實(shí)行60遍的壓實(shí)。4.1試驗(yàn)結(jié)果
沖擊壓實(shí)路基0~10遍,主要沿著雙邊長(zhǎng)240m兩端半圓形車道進(jìn)行,沖擊壓實(shí)速度為12km/h,最終形成了10、20、30、40、50、60遍數(shù),寬度為4m的沖擊壓實(shí)車道,在直線段的測(cè)點(diǎn)位置測(cè)定幾種不同遍數(shù)的下沉量,測(cè)定方式為采用水平儀直接測(cè)量,最終結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 不同壓實(shí)遍數(shù)的平均下沉量
4.2沖擊壓實(shí)前后的干重差異
沖擊碾壓前對(duì)地面的15cm處的干重進(jìn)行測(cè)定,最終得到在不同的沖擊遍數(shù)以后,測(cè)定各點(diǎn)的沖擊壓地面15cm干重度,選取一測(cè)點(diǎn)挖試坑,對(duì)地面以下30cm、60cm、80cm、120cm等位置的干重度進(jìn)行測(cè)定。土重型擊實(shí)最大的干重度是18.23kN/m3,最佳含水量是11.7%。在沖壓試驗(yàn)前后的干重度差異可知,沖壓40遍后的60cm深度內(nèi)K=98%,80cm內(nèi)的K=91%,50遍的和60遍的增長(zhǎng)程度不大。從干重度隨著沖壓遍數(shù)的增加同時(shí)增加的情況來(lái)觀察,填充前的沖壓變數(shù)最好采取40遍。
4.3濕陷系數(shù)隨著深度發(fā)生的變化
為了實(shí)現(xiàn)沖擊壓實(shí)對(duì)天然狀態(tài)下的黃土濕陷性造成的影響展開(kāi)研究,在沖擊壓實(shí)后不同深度的取樣可以對(duì)干重度以及濕陷系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。
天然的狀態(tài)下的土性指標(biāo)為:ω=8.0%~14.6%,δs= 0.0006~0.0961,γd=12.54kN/m3~13.13kN/m3,Ip=6.0~10.0。
依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,10cm深度的δs全部小于0.015,濕陷性完全消失,60cm深處存在1個(gè)土樣沒(méi)有消除濕陷性,在80cm出,存在3個(gè)土樣沒(méi)有消除濕陷性,120cm處濕陷性基本上都在,只是比天然狀態(tài)下的0.0961這一值稍低一些。
4.4靜力觸探結(jié)果分析
為了對(duì)沖擊壓實(shí)的效果進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn),分別在沖擊壓實(shí)區(qū)域中以及沒(méi)有經(jīng)過(guò)沖擊壓實(shí)的區(qū)域中進(jìn)行靜力觸探,從靜力觸探的曲線圖可以看出沖擊壓實(shí)后的地表深度在1.0m深度范圍內(nèi)的地基土的貫入阻力存在較大程度的提升,最大值可以達(dá)到105×102kPa,平均值是81×102kPa。但是在1m深度以下幾乎不存在任何的影響。4.5沉降理論值和實(shí)際值的比較
此次的試驗(yàn)段中一共埋入了6個(gè)沉降杯,其中每隔斷面的左、右車道的中線部位分別埋設(shè)了一個(gè),埋設(shè)時(shí)的路基填高為1.5m。在后期的施工階段內(nèi),沉降杯被破壞而失去效果,不能對(duì)實(shí)際的測(cè)量沉降量進(jìn)行觀測(cè),在路況的調(diào)查中可知,該試驗(yàn)段的路基情況較為穩(wěn)定,路況十分良好。實(shí)際的沉降值同理論值對(duì)比會(huì)稍小一些,造成這一情況的主要原因是實(shí)測(cè)沉降值使用只是沉降量中的一小部分,并不能全面反映完整的沉降量。并且相同斷面的3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)存在的誤差較小。
綜上可知,沖擊壓實(shí)是處理濕陷性黃土地基的良好手段,該技術(shù)有施工效率高,處理后路基性能穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。
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