粉細砂地基沖擊碾壓施工技術應用

樊 宇 ，鄭占利 ，譚 鵬

(1.北京市公路橋梁建設集團有限公司，北京 100068；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

1 概述

文昌市東郊至龍樓公路長約17 km，全線大部分地基均為粉細砂地基。天然的粉細砂地基承載力低，在一定的上部荷載作用下極易產生過大的變形或不均勻沉降。所以，粉細砂地基處理的主要目的是加固淺層地基。目前，針對公路地基處理的方法主要包括振動碾壓法、換填法、強夯法、振沖擠密砂樁、無填料振沖、強夯水泥攪拌樁、堆載預壓法等。不同的方法在造價、工期和處理效果等方面各有不同。因此，考慮粉細砂地基的實際情況，結合工程經驗和相關研究成果，合理選擇一種或幾種組合的地基處理方法，充分發揮自身的優點，從而起到良好的加固作用，顯得格外重要。

沖擊碾壓法于20世紀80年代在國外開始投入生產使用，我國于1995年由南非引入。沖擊碾壓法是采用沖擊壓路機對地基或路基進行加固的一種新方法。在沖壓過程中，利用位能落差和行駛動能對工作面進行靜壓、搓揉、沖擊，使得工作面及其以下土層不斷加固的方法。與其他地基處理方法相比，沖擊碾壓法不僅施工快，造價低，而且在提高淺層地基(2 m深度)承載力等方面效果顯著。目前，沖擊碾壓法已廣泛用于地基處理、路基壓實和路面破碎等領域。因此，筆者所在單位提出了采用沖擊碾壓處理粉細砂地基，并在現場進行了實際應用和檢測。

2 沖擊碾壓法加固地基的工作原理

沖擊碾壓法是采用沖擊壓路機對地基土進行沖擊碾壓，利用沖擊輪的沖擊和揉搓作用相結合的地基土壓實方法。沖擊壓路機由大馬力牽引機和沖壓輪組成，沖壓輪有正三邊、正四邊、正五邊等形狀。沖擊壓路機以一種的行駛速度進行沖碾作業，每秒沖擊工作面2次，相當于低頻率大振幅、周期性地沖擊工作面。對于正三邊形沖擊壓路機，其沖擊力一般為3×103～4×103kN，沖擊波向深層土體傳播，使得土體顆粒之間發生位移、變形和剪切，從而達到壓實土體、完成地基土層的沉降、減小工后沉降和提高地基承載力的目的。沖擊壓路機的沖擊能是由壓實輪的輪軸組件的質量和壓實輪質量半徑之差所產生的。其計算公式為：

式中：E為沖擊壓路機的沖擊能，kJ；m為沖擊壓路機輪軸組件的質量，kg；g為重力加速度，9.8m/s2；h為壓實輪內外半徑之差，m。

沖擊壓路機對工作面所產生的沖擊力與壓實輪轉動的線速度有關，根據沖量計算公式得到其沖擊力N的計算公式：

式中：ν'為沖擊初線速度，m/s；ν為沖擊末線速度，m/s；t為沖擊作用時間，s。

3 現場施工工藝參數

為配合沖擊碾壓施工，粉細砂地基進行了30 cm的清表工作，并在兩側挖了1 m深的臨時排水溝進行排水和降水工作。地基清表后，采用20 t振動壓路機對場地進行穩壓，首先靜壓2遍，速度控制在3 km/h，后用小振，振幅為0.9 mm，激振力為282 kN，碾壓2遍，速度為2～2.5 km/h，保證基底表面土質壓實。現場施工的具體施工工藝及有關參數如下：

(1)工作面：粉細砂地基過于松散，承載力低，若沖擊壓路機直接在粉細砂地基上沖碾，極易導致地表破壞，以及施工機械沉陷，因此，沖碾前在粉細砂地基上鋪筑了40 cm的碎石土，為施工機械提供必要的工作面。為保證層面不積水，施工作業面設置了4%的排水橫坡。

(2)施工機械：沖擊碾壓處理粉細砂地基涉及的具體施工機械如表1所列。

表1 施工機械一覽表

(3)施工工序：施工準備→路基清表→振動壓路機碾壓→鋪筑碎石土→振動壓路機碾壓→沖擊壓路機碾壓→整平場地→振動壓路機碾壓成型→按規范要求檢測彎沉值、壓實度。

(4)沖擊碾壓施工工藝流程：沖擊碾壓處理粉細砂地基的施工工藝流程如圖1所示。

圖1 沖碾施工流程圖

(5)沖擊碾壓速度：交通部發布的《公路沖擊碾壓應用技術指南》中規定沖擊碾壓的行駛速度一般為8～12 km/h。為防止行駛速度過大，導致砂土振動液化問題的產生，同時考慮工程進度因素，現場采用10～12 km/h的沖擊碾壓速度。

(6)壓實區域：壓實區域應覆蓋整個作業面。圖1中所謂的壓實1遍是指壓實輪輪跡依次排列并將整個作業區域基本覆蓋1遍且輪跡無需重疊。

(7)“彈簧土”現象：在沖擊碾壓處理粉細砂地基中，局部路段出現“彈簧土”現象時，應立刻停止施工。

(8)沖碾后工作：達到沖擊碾壓要求時，停止沖擊碾壓，將沖擊碾壓表面松散層，采用平地機平整場地，碾壓成型，形成4%路拱橫坡，向外側傾斜。碾壓根據先輕后重，然后再輕的原則進行。碾壓分為初壓、終壓兩部分。初壓：用1臺20 t振動壓路機碾壓兩遍，靜壓，碾壓速度1.0～1.5 km/h。終壓：用1臺20 t振動壓路機振動碾壓，碾壓用小振，振幅為0.9 mm，激振力為282 kN，碾壓速度為2～2.5 km/h。若用大振，激振力為400 kN，碾壓完成后測量壓實度及彎沉值。

4 檢測內容及結果

4.1 檢測內容

為了準確掌握沖擊碾壓處理粉細砂地基的效果，沖碾結束后，對地表沉降量、彎沉和壓實度進行了檢測工作。沖碾結束的判定標準：當沖碾15遍后觀測地表總沉降量，再沖碾5遍后觀測地表沉降量，如16～20遍的沉降量不小于0.5 cm，則以5遍為一個檢測單元繼續沖碾直至達到上述標準。當某個檢測單元沉降量不大于0.5 cm時，則對地基土進行壓實度、彎沉、回彈模量等試驗檢測，各項試驗檢測結果均應滿足現行規范要求或所施工的工程實際控制標準。

4.2 檢測結果

4.2.1 地表沉降量

沖碾前、沖碾15遍后、沖碾20遍后的地表沉降觀測數據如表2所列。

由表2可知，現場沖擊碾壓15遍后平均累計沉降量11.6 cm，20遍后平均累計沉降量12.02 cm，最后5遍沉降量為0.43 cm，滿足《公路沖擊碾壓應用技術指南》和該項工程實際控制標準的要求。

4.2.2 彎沉測量值

現場采用5.4m貝克曼梁彎沉儀測試路基彎沉值，總測點48個，經計算彎沉代表值為231.83(0.01 mm)，對應路基回彈模量約為40 MPa，可以滿足基底承載力要求。

4.2.3 壓實度測量值

經現場測量，碎石土壓實度達到98%，滿足基底壓實度96%的要求。

5 結語

施工現場偶有“彈簧土”現象出現，嚴重影響工程進度，有待科研人員對此加以研究解決。現場檢測結果顯示，沖擊碾壓處理20遍后，粉細砂地基沉降量基本穩定；基底的回彈模量和壓實度滿足規范的相關要求。沖擊碾壓處理粉細砂地基達到了預期效果。

表2 地表沉降觀測值一覽表

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