李 谷 香

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司第四工程公司，山東 青島 266061)

0 引言

與固有的靜壓實(shí)或一般振動(dòng)壓實(shí)全然不同的沖擊碾壓是一種新型土體壓實(shí)技術(shù)。最先在南非開始使用的沖擊碾壓屬于非圓碾壓，它是對(duì)傳統(tǒng)圓形碾壓設(shè)備進(jìn)行改良，將壓實(shí)輪改為非圓形，非圓壓實(shí)輪輪廓曲線對(duì)路基面施加揉壓—碾壓—沖擊作用，該壓實(shí)方法實(shí)質(zhì)上是將沖擊和揉搓作用相結(jié)合。沖擊碾壓是通過沖擊波傳播形式達(dá)到壓實(shí)土體目的，沖擊波頻率為大振幅低頻段，隨著碾壓次數(shù)的增加，壓實(shí)深度將逐漸變深。沖擊碾壓就是將路基填料通過機(jī)械手段和施工技術(shù)手段使壓實(shí)度和平整度達(dá)到規(guī)范要求，該技術(shù)是機(jī)械工程和土木工程兩個(gè)交叉學(xué)科的綜合應(yīng)用。

沖擊碾壓工藝具有壓實(shí)度高，壓實(shí)深度大和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。它適用于要求高，面積大且鋪層厚的基礎(chǔ)壓實(shí)作業(yè)。本文總結(jié)了部分典型高速公路地基的具體施工，其合理應(yīng)用了沖擊壓實(shí)技術(shù)[1-5]，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)和數(shù)值模擬分析，得到對(duì)路基的沖擊壓實(shí)有效的施工方法：確定合理碾壓工藝和碾壓遍數(shù)[6-10]。

1 工程概況

施工路線主要位于魯西北黃泛平原，該工程地質(zhì)區(qū)較為穩(wěn)定。該地屬于以亞砂土、亞粘土夾粉細(xì)砂為主的第四系沖擊物區(qū)，大多數(shù)土體為多層結(jié)構(gòu)，上層多為粉性土，一般允許地基承載力在90 kPa～200 kPa。

根據(jù)區(qū)域工程地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)鉆探的結(jié)果，選定在K37+000～K37+300段路基地基進(jìn)行沖擊碾壓處理。地基處理路段上部為硬塑～可塑的濕陷性黃土，深度約2 m～3 m范圍內(nèi)；下部為深厚的高壓縮性的粉質(zhì)粘土。

2 路基處理施工方案

2.1 施工機(jī)械設(shè)備

施工機(jī)械采用宇通6830型拖式三邊形雙輪沖擊壓路機(jī)，沖擊輪的內(nèi)、外部寬度分別為90 cm和296 cm，輪隙寬度116 cm，沖擊勢(shì)能30 kJ。

2.2 壓實(shí)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，填土路基表層20 cm范圍內(nèi)的壓實(shí)度要求在90%以上，地表沉降滿足規(guī)范規(guī)定的地表沉降標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 碾壓方法

1)用平地機(jī)對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行場(chǎng)地清理并平整。按照設(shè)計(jì)要求放出路基中線及邊坡腳線外1 m作為沖擊碾壓范圍，并在中線及邊坡腳線外1 m撒白灰線及竹竿做明顯標(biāo)記。在試驗(yàn)段內(nèi)隨機(jī)選擇12個(gè)點(diǎn)檢測(cè)地基表層30 cm以內(nèi)土的含水量。

2)碾壓速度控制在10 km/h～12 km/h之間，沖擊碾壓順序?yàn)槁坊粋?cè)至道路中線，再依次進(jìn)行到另一側(cè)。每圈的沖擊比前一圈向前推進(jìn)1/3輪，沖擊碾壓一次意味著輪軌完全覆蓋整個(gè)路基表面。沖擊碾壓一次后，應(yīng)使用平地機(jī)進(jìn)行調(diào)平，之后對(duì)路基表面使用壓路機(jī)進(jìn)行靜壓，最后對(duì)基地標(biāo)高進(jìn)行量測(cè)。

3)沖擊碾壓施工處理時(shí)，需交替碾壓施工，分為順時(shí)針以及逆時(shí)針方向進(jìn)行。每沖擊碾壓12遍后間歇1 d。如果路基表面有揚(yáng)塵產(chǎn)生，可用灑水車灑水，達(dá)到適量均勻效果后，繼續(xù)沖擊碾壓。

4)在經(jīng)過20次碾壓之后，根據(jù)規(guī)范規(guī)定的地表沉降量標(biāo)準(zhǔn)，采用平整機(jī)、同型號(hào)光輪壓路機(jī)進(jìn)行一遍碾壓，通過檢測(cè)兩次標(biāo)高所得差值作為表面沖擊碾壓地表沉降量。并檢測(cè)地表20 cm內(nèi)壓實(shí)度，壓實(shí)度應(yīng)達(dá)到90%以上。

3 試驗(yàn)檢測(cè)方案

3.1 施工前試驗(yàn)檢測(cè)

1)在沖擊碾壓區(qū)至少布設(shè)4個(gè)人工探孔，距地面20 cm，60 cm，100 cm，140 cm取一原狀土樣，檢測(cè)土的含水量、孔隙比、干密度、濕密度、塑限和液限等常規(guī)試驗(yàn)參數(shù)。

2)首先開始擊實(shí)試驗(yàn)，求得場(chǎng)地土的最佳含水量，最大干密度，進(jìn)而確定沖擊碾壓次數(shù)。

3)沖碾前測(cè)定地面下30 cm的天然干密度，地基表層土最佳含水量嚴(yán)格控制在-4%～+2%范圍內(nèi)。對(duì)含水量過高的地基土應(yīng)進(jìn)行翻曬。

3.2 施工后試驗(yàn)檢測(cè)

1)沉降量檢測(cè)。

根據(jù)測(cè)點(diǎn)平面布置圖布置檢測(cè)點(diǎn)，按20 m一個(gè)斷面布設(shè)并于每個(gè)斷面設(shè)置5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，同時(shí)將顯眼的標(biāo)志埋設(shè)在施工段內(nèi)，便于測(cè)量。對(duì)沖碾前后的地基標(biāo)高進(jìn)行檢測(cè)，沖碾的地表沉降量取相鄰兩個(gè)地基高程差。

2)壓實(shí)度檢測(cè)。

根據(jù)測(cè)點(diǎn)平面布置圖，取與沉降量檢測(cè)相同的布設(shè)方案，每個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)20 cm，40 cm,60 cm深度的壓實(shí)度。壓實(shí)度測(cè)點(diǎn)與沉降量測(cè)點(diǎn)適當(dāng)錯(cuò)開。

施工現(xiàn)場(chǎng)需要：電子天平、灌砂筒(4套)和配套工具等實(shí)驗(yàn)儀器。同時(shí)采用酒精燃燒法，得到含水量。

3)承載力檢測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)用標(biāo)貫儀對(duì)地基承載力進(jìn)行檢測(cè)，每斷面設(shè)左中右三個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)地表20 cm，40 cm，60 cm三個(gè)不同深度的承載力。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 沖擊碾壓的處治效果

1)減小路堤的工后沉降率。

當(dāng)達(dá)到規(guī)范要求的路基壓實(shí)度時(shí)，對(duì)室內(nèi)模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)路堤沉降量試驗(yàn)進(jìn)行觀測(cè)，路基施工后沉降率為0.4%左右。

2)提高路基整體強(qiáng)度與均勻性。

沖擊壓路機(jī)可以提高路基的整體強(qiáng)度和均勻性，能避免路堤局部發(fā)生軟弱和不均勻沉降。

在得到其施工后路基沉降量后，可采用下式計(jì)算求得路基壓實(shí)度的增加值：

(1)

通過計(jì)算可知，在沖碾20遍后，壓實(shí)度在0.6 m范圍的層厚內(nèi)會(huì)提升3%～5%。由于沖擊壓路機(jī)均勻地壓實(shí)了整個(gè)路基基地，實(shí)現(xiàn)了可以直接檢測(cè)和壓實(shí)整個(gè)路基，從而在地面下方形成連續(xù)、均勻且致密的0.6 m～1.0 m的增強(qiáng)層，改善路基的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

1)由圖1可知，分析不同點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)或者平均值對(duì)其沖壓數(shù)據(jù)的影響可知，沖擊次數(shù)與路基沉降增量存在不均勻正向線性關(guān)系。經(jīng)過20次沖擊后，沉降變化已經(jīng)十分微小，即填料層的密實(shí)度已趨于穩(wěn)定。之后沉降量開始出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有負(fù)值、突增等趨向出現(xiàn)，這表明經(jīng)過20次沖擊碾壓后，再增加沖擊碾壓次數(shù)對(duì)沉降影響不大。

2)由圖2可知，隨著沖擊壓實(shí)次數(shù)的增加，路基壓實(shí)度逐漸增大，達(dá)到約16倍～20倍的最大值，然后再次減小，表明沖擊碾壓20次后地基土的壓實(shí)效果最好；路基壓實(shí)度隨深度的增加而逐漸減小，這也說明沖擊壓實(shí)對(duì)深度有一定影響，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)有效影響深度為0.9 m。

3)由圖3可知，沖擊碾壓處理后，連續(xù)動(dòng)力觸探試驗(yàn)次數(shù)增加到地層埋深0.6 m左右，試驗(yàn)前后動(dòng)力觸探試驗(yàn)次數(shù)接近并逐漸重疊。在0.6 m以上，承載力增加較快，隨著深度的增加，承載力提高不明顯。在沖擊碾壓20遍左右時(shí)，承載力可滿足工程的要求。

4)從試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)和收集的數(shù)據(jù)中可以看出，沖擊碾壓處理地基的主要物性指標(biāo)都有變化，含水量、壓縮模量以及濕、干密度與沖壓遍數(shù)成正向線性關(guān)系，孔隙度、孔隙比以及壓縮系數(shù)與沖壓遍數(shù)成反向線性關(guān)系；且處理后含水量隨深度變化沒有規(guī)律，孔隙度、孔隙比隨深度變化逐漸接近。

綜合以上數(shù)據(jù)，使用時(shí)速為12 km/h且功率為30 kJ的拖式三邊形沖擊壓路機(jī)沖壓路基時(shí)，在沖擊20遍時(shí)達(dá)到最優(yōu)效果。其有效深度及路基壓實(shí)度均得到最優(yōu)化，路基下沉量為0.15 m～0.25 m，沖擊碾壓的有效影響深度為0.90 m。

5 數(shù)值模擬分析

5.1 模型建立

根據(jù)工程實(shí)際情況，施工監(jiān)測(cè)布置是20 m一個(gè)斷面，所以模型取20×20×16，取一個(gè)典型斷面模擬，模型如圖4所示，每個(gè)斷面布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖中圓圈所示，從左到右編號(hào)依次為1～5)，豎向區(qū)域16 m深，水平方向都是20 m，路基上部硬塑～可塑的濕陷性黃土層取2 m，下部粉質(zhì)粘土層取14 m，共7 200個(gè)網(wǎng)格，8 379個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型一半是沖擊壓實(shí)區(qū)(黑色半部區(qū))，一半為初始狀態(tài)對(duì)比區(qū)，沖擊荷載采用動(dòng)力分析計(jì)算，沒考慮孔隙水壓力，邊界為靜態(tài)邊界條件，只考慮沖擊作用力，不考慮牽引車本身重量。

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

5.2.1應(yīng)力分析

力的傳遞過程和影響范圍如圖5所示(圖5a)，圖5b)分別是碾壓5次和15次的應(yīng)力圖)，可以看出，隨著碾壓次數(shù)的增加，受沖擊荷載影響區(qū)域也逐漸由地表向下移動(dòng)，并不斷擴(kuò)大，不過最終受荷影響較大區(qū)在3 m以上范圍，此處易形成密實(shí)的加固層。有效影響深度和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)有一定的出入，但在規(guī)律上是一致的。碾壓后的區(qū)域承載力基本都在200 kPa以上，所以從應(yīng)力分析可知，碾壓20遍時(shí)是滿足要求的。

5.2.2位移分析

1)不同深度時(shí)。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)全部位于加沖擊荷載區(qū)，濕陷性黃土層每0.5 m深設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，粉質(zhì)粘土層每1 m深設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，主要監(jiān)測(cè)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降位移，圖6是不同深度的位移(X軸表示碾壓次數(shù)，Y軸是位移，單位是m)。碾壓20遍左右時(shí)，深度與唯一沉降成不均勻反比線性關(guān)系，此時(shí)地表沉降為最大值，20 cm左右，如果繼續(xù)加荷，沉降變化緩慢，有些地方出現(xiàn)了位移下降，說明出現(xiàn)了隆起，所以碾壓20遍是比較合理的，滿足了承載力的要求；沉降在不同深度處受碾壓敏感性也是不同的，隨深度逐漸遞減，開始碾壓的時(shí)候，深度淺處發(fā)生沉降的速度較快，而深處幾乎不受影響，隨著淺層逐漸被壓實(shí)，深層處沉降也逐漸增加，但沉降值卻逐漸減小，4 m處不到1 mm。

2)不同位置時(shí)。

圖7是不同測(cè)點(diǎn)處的沉降曲線，通過比較可知，在地表處，沉降在碾壓前幾次比較大，基本前5次碾壓應(yīng)達(dá)到最終沉降的60%以上，碾壓到20次時(shí)，沉降曲線趨于水平，有些地方的沉降值出現(xiàn)下降，說明此時(shí)已達(dá)到最大密實(shí)度，繼續(xù)碾壓密實(shí)度將會(huì)減小，沉降出現(xiàn)部分回彈。不同測(cè)點(diǎn)的最終沉降大約在20 cm，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本符合。不管是數(shù)值模擬結(jié)果，還是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段實(shí)測(cè)結(jié)果，都可以說明沖擊20遍時(shí)處理效果較好，滿足了工程各方面要求。

6 結(jié)論

通過對(duì)以上試驗(yàn)的分析，得到如下結(jié)論：

1)沖擊碾壓地基處理方法是可行的，效果明顯，具有施工速度快的優(yōu)點(diǎn)。沖擊壓路機(jī)在地基處理工程中的應(yīng)用越來越普遍，并逐漸推廣應(yīng)用于地基處理中。

2)使用時(shí)速為12 km/h且功率為30 kJ的拖式三邊形沖擊壓路機(jī)沖壓路基時(shí)，沖擊壓實(shí)20遍時(shí)，其有效深度及路基壓實(shí)度均得到最優(yōu)，且地基土的干密度和壓縮模量與沖壓次數(shù)成正向線性關(guān)系，孔隙比和濕陷系數(shù)成反向線性關(guān)系。沖擊碾壓顯著改善了地基土的物理力學(xué)性能，提高了地基土的整體強(qiáng)度。

3)試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊壓實(shí)技術(shù)特別適用于硬塑性濕陷性黃土上部和深層高壓收縮粉質(zhì)粘土地基的下部，施工效率高，應(yīng)用前景良好。