強夯+沖擊碾壓在高填方地基處理中的應用

賈靜靜 徐國富

(1.安徽天潤建筑工程有限公司，安徽 利辛 236700； 2.解放軍理工大學，江蘇 南京 210007)

強夯+沖擊碾壓在高填方地基處理中的應用

賈靜靜1徐國富2*

(1.安徽天潤建筑工程有限公司，安徽 利辛 236700； 2.解放軍理工大學，江蘇 南京 210007)

通過對強夯和沖擊碾壓的工作原理及應用效果分析，結合強夯和沖擊碾壓兩項技術優化組合在高填方地基強化處理技術應用實踐，進一步研究分析了強夯+沖擊碾壓技術的加固機理。

強夯，沖擊碾壓，高填方加固

隨著城市建設步伐的加快，東南沿海以及南部、西部的許多建設工程不得不在山區進行勘選。山區地形地貌復雜，起伏較大，往往需要深挖高填，如何對高填方實施有效地加固，消除大面積高填方填筑體的沉降和不均勻沉降，日益成為眾多施工單位和設計、研究部門關注的焦點[1，2]。本文首先對地基處理方法中的強夯法和沖擊碾壓技術進行介紹，在此基礎上，從三個方面重點分析了強夯+沖擊碾壓技術在高填方地基處理中的應用機理。

1 強夯法

強夯加固處理地基的方法，是由法國人梅納(L.Menard)于1970年首先提出的，該法具有加固效果顯著、設備簡單、施工方便、節省勞力、施工期短、節約材料、施工文明和施工費用低等優點，得到國內外工程界的廣泛采用[3]。它通常以80 kN～300 kN的重錘(最重可達2 000 kN)和落距為8 m～20 m(最高可達40 m)的夯擊能量對地基進行加固。當重錘提高到一定高度時，機械能轉化為重力勢能，然后重錘自由落下，重力勢能又轉化為動能，重錘作用到土體上時，在極短的時間內對地基土體施加一個巨大的能量，這種突然釋放的巨大能量將使土體產生動應力與位移，重錘的動能最終轉化為土體的變形能而使土體得到壓密，沿重錘四周產生沖切破壞，形成夯坑，坑底與坑周受擠壓而產生沉降—水平位移，土體相應地發生一系列物理變化，如土體結構破壞或液化，排水固結壓密，觸變恢復等。其作用結果是使一定范圍內地基強度提高、孔隙擠密、消除濕陷性及降低土的壓縮性。強夯過程中地基土壓密狀態如圖1所示，強度提高較明顯的是Ⅱ區，壓密區深度即是加固深度。

2 沖擊碾壓技術

沖擊碾壓技術是南非人在二十世紀七八十年代首先提出來的。我國于20世紀90年代也開始使用一種沖擊式非圓滾輪的壓路機(沖擊壓路機)，這是一種不同于傳統的靜碾壓實、振動壓實和打夯機壓實原理的新型壓實設備，沖擊壓路機的滾輪形狀主要有三邊形和五邊形兩種。沖擊碾壓技術是一種將沖擊和搓揉作用相結合的壓實方法，它靠機械沖擊力將土體擊實[4]。沖擊壓路機在牽引車的牽引下，其凸塊輪的凸塊棱角抬起與落下時，對地面產生了一個勢能和動能聯合沖擊的壓實作用，從而提高了壓實能量。與強夯法的大厚度(4.0 m～6.0 m)強夯擊實相比，使用沖擊壓路機分層(一般一層厚1.0 m～1.5 m)沖擊碾壓土石料填方，能較好的提高高填方填筑體的整體強度與均勻性[5]。正常情況下，地基沖碾20遍后，1.5 m層厚范圍內壓實度均增加3個～5個百分點，并形成1.0 m～1.5 m厚的連續、均勻、密實的加固層，從而使道面下地基的綜合強度與穩定性得到全面提高。

3 強夯+沖擊碾壓技術的加固機理

通過對強夯和沖擊碾壓的工作原理及應用效果分析，可將強夯和沖擊碾壓兩項技術優化組合應用在高填方地基強化處理技術中，其加固機理可概括為以下三點。

3.1 強夯法用于原地基處填方和高填方的加固處理機理

1)對于填方區的原地基，為防止高填方填筑體對原地基產生的大附加應力使其發生很大的沉降變形，需在拋填填筑體之前先對原地基進行加固處理。根據現場地勘發現原地基的軟弱土層厚度普遍在1.0 m～2.0 m左右，再清除表層腐殖土后拋填2.0 m左右的土石混合料作為強夯的墊層，爾后采用2 000 kN·m～3 000 kN·m的大夯擊能進行強夯。其總厚度在2.5 m～3.5 m左右，完全在強夯的有效加固深度范圍內，在夯錘的沖擊作用下，土石混合料中大塊石被擠入原地基的軟弱層中，軟弱土體又被擠入土石混合料的塊石骨架的空隙中，使原地基的軟弱土體和拋填的土石混合料互相嵌入和填塞，二者產生機械混合，改變原地基的土石組成，使其得到充分的加固處理，從而改善其工程性質，基本上可以消除二者的變形和沉降，壓實度和整體強度都可以達到設計要求。2)高填方地基是一層一層一米一米填筑起來的骨架結構很不穩定的疏松的新地基，其自重產生的壓縮變形很大，對此需自上而下進行多層次的分層拋填，并進行分層強夯加固處理，強夯只要求點夯而無需滿夯，只有到道槽頂層才進行沖碾加固處理。根據上述機理分析，2 000 kN·m～3 000 kN·m大夯擊能強夯的有效加固深度約5 m～7 m，在采用多層次的分層拋填和分層強夯加固處理時，取每一分層的厚度為4.0 m～5.0 m左右，這可使每一個分層的填筑體完全在2 000 kN·m～3 000 kN·m的大夯擊能的有效加固深度范圍內，因而整個分層填筑體在多次強夯后上上下下基本上都可以得到充分的加固[6]；雖然每一個分層填筑體在強夯的面波作用下，夯后的填筑體表面的0.2 m～0.5 m仍是一個疏松層，表層的深0.5 m～1.0 m的夯坑，雖然填入石料推平后也還是疏松的，但是下層填筑體表面的疏松層仍處在上層填筑體的強夯有效加固深度范圍內，從而能夠通過土層填筑體的強夯對下層填筑體表面的疏松層進行再一次加固處理。

3.2 沖擊碾壓用于道槽以外的平地區下填筑體加固處理機理

考慮到沖擊壓路機的壓實厚度可達1.0 m～1.5 m，因而沖擊碾壓的分層厚度規定為1.0 m～1.5 m左右。每個分層直接使用25 kJ或32 kJ的三邊形沖擊壓路機進行沖擊碾壓施工，在位能落差與行駛動能相結合下對工作面進行靜壓、搓揉、沖擊，效率高、速度快。這種高振幅、低頻率的沖擊碾壓產生的高達200多噸的巨大沖擊力使土石混合料中的石塊逐漸破碎，改善了土石混合料的級配，石塊之間嵌鎖密實，土石混合料的密實度和強度不斷增加。填筑體承受沖擊荷載所產生的沉降變形遠大于填筑體自重與外荷載引起的沉降變形，使被沖碾的填筑體更接近于彈性狀態，從而避免填筑體產生的差異沉降變形，提高了填筑體的穩定性。

3.3 強夯+沖擊碾壓技術加固機理

以塊石料為主的土石料填筑體的強夯+沖擊碾壓加固是基于動力壓密理論。在強夯或沖擊碾壓過程中，填筑體中的塊石料在強夯或沖碾的強力沖擊下被擊碎，改善了土石混合料的級配；另一方面，強夯或沖碾的沖擊力克服了影響深度范圍內石料間的摩阻力，使填筑體中塊石從點線接觸的不穩定狀態轉變成緊密嵌鎖的穩定狀態，塊石料重新排列組合，拋填的混合料顆粒間產生較大的相對位移，填筑體空隙中氣相(空氣)被排出，空隙體積減少(可減少60%)，填筑體被進一步擠密，承載力提高。隨著夯擊次數或沖碾遍數的增加，填筑體的壓實度和強度就不斷提高。此外，強夯施工時的震動波會在強夯作業面表層產生松動層(夯坑周圍的膨脹、隆起的疏松土體)和加固不到的“盲區”，再加上夯坑內的回填材料，在強夯作業面表層形成一個如圖1所示的疏松層。對這個疏松層，即使實施低夯擊能且錘錘搭接1/4錘徑的“滿夯”，滿夯后仍會使表層10 cm～50 cm深的土體擾動而變得疏松，其強度和壓實度達不到設計要求。工程實踐發現，對填筑體的表層采用沖擊壓路機進行地毯式的均勻沖碾壓實，不會在填筑體表面留下被擾動的疏松層，使土體表層有較高的均勻的強度，可以很好地解決這一問題。而當填筑體最上面需要加固處理的填筑體的厚度不足4 m時，為了加快施工進度，保證工程質量，節省工程費用，對這一層可直接采取分層沖擊碾壓加固處理[4]。由此可見，對填筑體表層一定厚度內的土石混合料采用沖擊碾壓進行加固處理，其效果遠比滿夯加靜碾的效果好，可以為道面結構層提供一個均勻密實、強度足夠的地基。

4 結語

強夯法和沖擊碾壓技術，是高填方地基強化處理新技術中最主要的兩項施工技術。對土石混合料采用多層次的分層拋填，控制石料粒徑和均勻鋪填，然后對4.0 m～5.0 m厚的填筑體進行強夯加固處理，在高高落下的夯錘的強力沖擊下，土石混合料中的塊石逐漸破碎，塊石之間嵌鎖緊密，填筑體的密實度和強度不斷提高。由于強夯在上下兩層填筑體中的有效加固深度互相搭接重疊，保證高填方填筑體的上下不同部位的密實度和強度基本一致。通過高振幅、低頻率的沖擊碾壓對工作面進行地毯式的均勻地靜壓、揉搓和沖擊，對填筑體表層進行強化加固處理，徹底加固處理了強夯加固留下的疏松面層，為道面結構層提供了均勻密實的地基。

對高填方地基進行強化處理的過程中，在提高填筑體的強度和消除其沉降變形，以及在形成均勻密實、強度高的填筑體頂層等方面，強夯和沖擊碾壓起主導作用。通過土石方工程一次成優的網絡化管理，抓住強夯和沖碾兩個分部工程的控制節點，做到相互協調配合，相輔相成，實現面層以下加固強夯，面層強化沖碾，兩者強強聯合，優勢互補，最終發展成為組合式的高填方地基強化處理技術。

[1] 何兆益.山區高填方回填地基處理效果的現場試驗評價[J].重慶交通學院學報，2002(2)：67-68.

[2] 甘厚義.關于山區高填方工程地基處理問題[J].建筑科學，1996(6)：91-93.

[3] 高 蓉.強夯法處理地基的問題探討[J].山西建筑，2006，32(17)：100-101.

[4] 王海燕.強夯+沖擊碾壓在高填方地基處理過程中的研究應用[D].南京：解放軍理工大學碩士學位論文，2010.

[5] 李 冰，焦生杰.振動壓路機與振動壓實技術[M].北京：人民交通出版社，2001.

[6] 蔡 萍.分層回填壓實在強夯加固深填土地基中應用[J].湘潭大學自然科學學報，1999(2)：111-112.

[7] 趙銘媛.談強夯法在地基施工中的應用[J].山西建筑，2012，38(6)：80-81.

Research on the application of the dynamic consolidation with impact rolling in the high embankment treatment

JIA Jing-jing1XU Guo-fu2*

(1.AnhuiTianrunArchitecturalEngineeringCo.,Ltd,Lixin236700,China;2.PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

By analyzing the working principle and application effect of dynamic consolidation and impact rolling, rolling dynamic compaction and impact, then baced on practice of the optimized combination of two technologies in high embankment. The paper further studies the reinforcement mechanism of dynamic consolidation with impact rolling.

dynamic consolidation, impact rolling, high embankment reinforcement

1009-6825(2014)11-0114-03

2014-02-05

賈靜靜(1985- )，女，助理工程師； 徐國富(1982- )，男，助理工程師

TU472.31

A