沖擊碾壓法在濕陷性黃土路基處置中的應用

郭文君

（山西省交通建設工程監理總公司，山西 太原 030012）

0 引言

近年來，隨著國家公路網的不斷完善及中西部大開發戰略的逐步實施，我國黃土地區高速公路越來越多，濕陷性黃土路基也隨之增多。目前，常用的濕陷性黃土路基處理方法主要有換填法、強夯法、沖擊碾壓法、振動碾壓法、碎石樁擠密法、灰土樁擠密法等，其中沖擊碾壓法憑借其施工速度快、處理深度較大、處理后地基較為均勻、造價經濟、特別適用于大面積場地處理等優勢而逐漸得到工程技術人員的青睞[1-2]。

目前，學者們針對沖擊碾壓法處理地基技術已開展了大量的研究工作。王吉利[3]等人利用荷載試驗、標準貫入試驗、重型動力觸探試驗、靜力觸探試驗等手段對沖擊碾壓法處理后的地基土物理力學參數隨沖壓遍數的變化規律。徐超[4]等人利用現場監測結果、標準貫入試驗和靜力觸探試驗的檢測成果，研究了沖擊碾壓法處理地基液化的有效性和施工工藝。孫久民[5]等人結合禹閆高速公路濕陷性黃土路基的工程實例，分析了沖擊碾壓法處理的效果；魏方震[6]等人利用靜力觸探試驗、室內土工試驗及沉降觀測手段，研究了沖擊碾壓法處理后的地基物理參數隨深度變化規律。

本文結合山西某高速公路的濕陷性黃土路基處置工程實例，詳細闡述了沖擊碾壓法的工作機理及施工工法，在此基礎上，采用現場原位試驗及室內試驗對其處置效果進行全面評價，研究結果可為類似工程提供借鑒意義。

1 工程概況

山西某高速公路穿越黃土臺塬區，根據黃土層厚度可將其分為一、二級黃土臺塬區，其中一級臺塬區黃土層厚度為10～50 m，其地形開闊，底層基本穩定；二級臺塬區厚度50～100 m，其沖溝較發育，地形復雜，溝底出露河流相沉積層。

該路線帶內大量分布有亞砂土和亞黏土地層，其中：a）馬蘭黃土層由黃灰色亞黏土組成，其孔隙較大、節理發育、結構疏松、滲水性強、遇水崩解性強、承載力低，具有較強濕陷性；b）午城黃土層由砂質黏土、砂礫層組成，其土質堅硬，節理發育，有少量鈣質結核，該地層厚度為45 m左右，具有一定濕陷性，其土層物理力學特性指標如表1所示。

表1 路基土層的物理力學特性指標

2 沖擊碾壓法工作機理

沖擊碾壓法加固黃土路基的工作其利用沖擊壓路機對黃土路基進行沖擊碾壓，產生沖擊、揉搓作用，從而對路基土層產生壓實作用。可見，增大作用于土體的沖擊能量，可以增加沖擊碾壓影響深度，提高土體的密實度，從而使土體達到彈性狀態，沖擊碾壓技術正是應用了這種原理。沖擊壓路機的主要工作部件為牽引機和壓實輪，而壓實輪可分為三邊式、四邊式、五邊式、實體式、空體式、可填充式等多種類型，其中三邊式壓實輪實物圖及其工作機理如圖1、圖2所示。

圖1 沖擊壓路機實物圖

圖2 三邊式壓實輪工作原理示意圖

由圖2可知，三邊式壓實輪在牽引機的快速推動下向前運動，其凸形輪將產生瞬間的豎向振動荷載，而振動荷載通過壓縮波、剪切波、瑞利波向路基土體傳遞能量。在壓縮波作用下，質點的運動方式為平面波陣面方向的一種拖拉運動，從而使孔隙水壓力增大，土體結構由疏松變緊密；而剪切波和瑞利波的水平分量將使得土體顆粒受到剪壓作用，導致土體密實。顯然，沖擊輪產生的沖擊能量大小與壓實輪重量、質點高度、轉動速度等參數有關。

3 沖擊碾壓法施工技術

3.1 適用條件

根據文獻[3]的研究成果可知，地基深度1.5 m范圍內沖擊碾壓后的波速值比沖擊碾壓前有大幅提升。因此，沖擊碾壓法在路基深度1.5 m左右能夠達到較好的壓實效果。同時，根據文獻[4]中沖擊壓實現場試驗結果可知，采用沖擊壓實處理后的路基深度1.2 m范圍內，路基土物理力學指標變化很大，并在沖擊碾壓30遍后，其壓實度、孔隙比、濕陷性等指標均能夠滿足要求。總之，沖擊碾壓法較適用于淺層濕陷性黃土路基的處置，且其有效深度一般不大于1.5 m，沖擊碾壓遍數一般以30遍左右為宜。

3.2 施工場地設計

結合上述依托工程，選取100 m路段作為研究對象，該100 m路段兩端各設25 m長的緩沖區，分別進行24遍、42遍兩個能量級的沖擊碾壓，在沖擊壓路機工作過程中，應保持其行駛速度大于12 km/h；同時，在該段路基上布設相應監測點，對其不同行駛速度、不同碾壓遍數工況下的壓實效果進行跟蹤監測，其場地布設情況如圖3所示。

圖3 沖擊碾壓場地平面布置示意圖（單位：m）

4 處置效果評價

4.1 壓實度檢測

土體壓實度是判斷路基土體壓實程度的最重要指標，本文首先選取典型路基段（K25+200，K25+250）在天然狀態下的土樣進行室內標準擊實試驗，得出該路基土樣的最優含水量ωp和最大干密度ρdmax；其次在利用沖擊碾壓法處置后的路基上取不同深度的試樣，測定其含水量和干密度值，再根據擊實試驗的結果換算其壓實度，所得結果如表2、表3所示。

表2 天然狀態下土樣擊實試驗結果

表3 沖擊碾壓后土樣壓實度測試結果

由表3中可以看出，沖擊碾壓次數為24次時，黃土路基壓實度普遍小于沖擊碾壓次數為42次時，且其有效影響深度較小，在1.0 m深處的路基土體基本達到壓實度最大值；而當沖擊碾壓次數為42次時，黃土路基壓實度在1.5 m深度處達到最大值。可見，在通常情況下，沖擊碾壓法有效處理深度為1.5 m。

4.2 地基承載力檢測

采用現場載荷試驗和浸水載荷試驗檢測采用沖擊碾壓法處理后的濕陷性黃土路基的地基極限承載力。該試驗設備主要由反力梁、荷載臺、加載設備組成，反力梁采用長6 m、高30 cm的槽鋼焊接而成，重約300 kg，最大允許荷載40 t；荷載臺由5根長6 m的槽鋼和竹笆組成，上面堆放沙袋，總重約為35 t；加載設備采用100 t油壓千斤頂，配80 t測力計，其現場情況如圖4、圖5所示，其測試結果如表4所示。

圖4 現場載荷試驗 圖5 浸水載荷試驗

表4 路基極限承載力檢測結果

從表4中可以看出，原狀黃土極限承載力一般為124～128 kPa，原狀黃土路基在浸水條件下，其極限承載力為90～95 kPa，極限承載力減小了25.8%～27.4%，該承載力雖基本滿足小于5 m的低填方地基要求，但因其沉降變形量較大，必須經處置后方可滿足要求。載荷試驗結果表明，經沖擊碾壓處理后的地基土極限承載力為250～360 kPa，比原狀黃土的極限承載力提高了2倍多，其承載力較好地滿足了高度為5 m的路堤承載力要求。

4.3 濕陷系數檢測

由于濕陷性黃土路基沉降量主要由兩部分組成，其一為路基上覆荷載作用下的土體沉降變形量，其二為路基土體在浸水作用下的濕陷沉降量，且路基濕陷沉降量與其濕陷系數呈正比關系，因此可通過測定處置后的黃土路基濕陷系數來評價其處置效果。

表5 路基濕陷系數檢測結果

從表5中可以看出，未處理的路基土體濕陷系數大致隨深度增加而減小。K25+200斷面土體擊實碾壓后濕陷系數大幅下降，且碾壓42遍比碾壓24遍的下降幅度更大，其濕陷系數下降幅度最大值達38.1%；同樣，K25+250斷面土體經過擊實碾壓后也表現出類似的規律，其濕陷系數分布在0.03～0.06之間，最大降低幅度達30.8%。可見，沖擊碾壓法極大地降低了濕陷性黃土路基的濕陷系數，取得了較好的處置效果。

5 結論

本文依托山西省某高速公路濕陷性黃土路基段，總結分析了沖擊碾壓法工作原理及其施工技術，在此基礎上對其處置效果進行全面評價，得出以下幾點結論：

a）沖擊碾壓法適用于淺層濕陷性黃土路基的處置，有效深度不大于1.5 m，碾壓遍數以30遍左右為宜。

b）當沖擊碾壓次數為42次時，黃土路基壓實度在1.5 m深度處達到最大值。

c）經沖擊碾壓處理后的地基土極限承載力比原狀黃土的極限承載力提高了2倍多，滿足高度為5 m的路堤承載力要求。

d）沖擊碾壓法極大地降低了濕陷性黃土路基的濕陷系數，取得了較好的處置效果。