強(qiáng)夯法及沖擊碾壓在高速鐵路濕陷性黃土路基處理中的應(yīng)用

巨亞剛

摘要：隨著高速鐵路的迅猛發(fā)展，越來越多高速鐵路修筑在濕陷性黃土地帶，目前，國內(nèi)對處理高速鐵路濕陷性黃土路基的處理技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)方面均相對較為缺乏，如何進(jìn)行高速鐵路濕陷性黃土路基的有效處理將成為建設(shè)者們急需解決的難題。本文結(jié)合工程實(shí)踐，詳細(xì)闡述了采用強(qiáng)夯法及沖擊碾壓對高速鐵路濕陷性黃土路基進(jìn)行處理的研究成果及技術(shù)方法，為其它類似項(xiàng)目處理提供借鑒資料。

Abstract： With the rapid development of high-speed railway， more and more high-speed railways are built in the collapsible loess area. At present， the processing technology and experience of dealing with high-speed railway collapsible loess subgrade are relatively scarce in China， so the effective treatment of collapsible loess subgrade in railway will be an urgent problem for the workers. Based on engineering practice， this paper expatiates on the research results and technical methods of treating high-speed railway collapsible loess subgrade by dynamic compaction and impact rolling， in order to provide references for other similar projects.

關(guān)鍵詞：高速鐵路；濕陷性黃土路基；強(qiáng)夯法；沖擊碾壓；應(yīng)用

Key words： high-speed railway；collapsible loess roadbed；dynamic compaction method；impact rolling；application

中圖分類號：U238 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）07-0147-03

0 引言

濕陷性黃土具有土體多垂直大孔、結(jié)構(gòu)松散和土顆粒間的聯(lián)結(jié)凝聚力在遇水即降低或消失等特性，是黃土產(chǎn)生濕陷性的內(nèi)在因素。承受外部壓力及遇水是產(chǎn)生濕陷性的外部條件。針對濕陷性黃土的以上特征進(jìn)行處理加固，改善土體特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大密實(shí)度及承載力，減少壓縮性及滲水性，達(dá)到消除及控制其濕陷性的發(fā)生。

強(qiáng)夯法及沖擊碾壓最初應(yīng)用于軟弱土地基的加固，經(jīng)過多年發(fā)展及應(yīng)用，在加固濕陷性黃土地基方面得到較為廣泛的應(yīng)用，具有效果顯著、施工簡便、設(shè)備簡單及經(jīng)濟(jì)節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)。

本文對作者施工的強(qiáng)夯法及沖擊碾壓處理濕陷性黃土工程施工實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)，研究了強(qiáng)夯加固機(jī)理及在不同地質(zhì)情況下強(qiáng)夯施工參數(shù)的選擇。以與從事濕陷性黃土地基處理的同行共同探討提高。

1 強(qiáng)夯法及沖擊碾壓處理濕陷性黃土機(jī)理

強(qiáng)夯法也常稱做動力加固法，為了提高軟土地基的承載能力，將夯錘提升到一定高度后自由落下，在強(qiáng)大沖擊波的作用下，壓縮土中孔隙，同時部分土體液化，使夯點(diǎn)周邊土體在一定范圍及深度內(nèi)出現(xiàn)裂縫，土體中孔隙水（氣）從裂隙順利排出，從而使土體迅速產(chǎn)生壓縮、固結(jié)，提高了土體承載力。強(qiáng)夯法在鐵路、公路、房屋等各工業(yè)與民用建筑的軟基處理方面應(yīng)用廣泛，強(qiáng)夯法通常適用于非飽和粘性土、砂性土、碎石土、雜填土及陷性黃土等軟弱地基的處理。具有施工簡便、設(shè)備簡易、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)易行、效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。以往施工實(shí)踐表明，強(qiáng)夯法在處理濕陷性黃土方面也是效果顯著，其加固有效深度達(dá)10m以上，能夠清除黃土深層處的濕陷性。

沖擊碾壓是利用了非圓形的多邊形（三邊形或五邊形）對地表施以揉壓～碾壓～沖擊的綜合作用，以每秒兩次的低頻率高振幅沖擊壓實(shí)土體。使土體從表層至深層隨壓力波的傳遞而得到壓實(shí)。

2 工程概況及工程地質(zhì)條件

某高速鐵路為客運(yùn)專線，正線數(shù)目為雙線，設(shè)計(jì)時速為350km/h，采用無碴軌道。要求路基的工后沉降≯15mm。鐵路線路DK198+230～DK201+520段路基所經(jīng)處為廣泛分布濕陷性黃土區(qū)域。經(jīng)對區(qū)域的現(xiàn)場地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查可知，現(xiàn)場土樣為呈灰黃色、淡黃色，中等密度狀態(tài)粉土。同時具有大孔隙、含水量低等特點(diǎn)。另外在地層表面多發(fā)育有沖溝及陷穴，具備濕陷性黃土典型特征，從宏觀方面評判區(qū)域內(nèi)為濕隱性黃土。

實(shí)測自重濕陷性量△ZS=23.6～28.2cm，自重濕陷性土層深度下限為1.5～7.6m；屬Ⅱ級（中等）自重濕陷性黃土。

為了滿足路基工后沉降要求，提高濕陷性黃土的地基承載力，消除濕陷性為施工的關(guān)鍵。根據(jù)本項(xiàng)目的濕陷黃土的濕陷性類型及其結(jié)構(gòu)特征，經(jīng)多種方案比選，最終針對不同黃土厚度，采用強(qiáng)夯法或沖擊碾壓對本段濕陷性黃土地基進(jìn)行處理加固。

3 強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土的技術(shù)研究

根據(jù)強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土的最大有效加固深度，綜合考慮在不同黃土深度情況下的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)可行性，本項(xiàng)目主要采用強(qiáng)夯法處理深度超過2.5m的濕陷性黃土。

3.1 初步確定強(qiáng)夯施工參數(shù)

強(qiáng)夯處理濕陷性黃土所采用的參數(shù)依據(jù)施工現(xiàn)場地質(zhì)情況，項(xiàng)目對地基的質(zhì)量要求，并通過試夯來確定。強(qiáng)夯施工需要確定的主要參數(shù)有有效加固深度、單位夯擊能、夯點(diǎn)布設(shè)及施工順序、單擊夯擊數(shù)及夯擊遍數(shù)等。

①強(qiáng)夯設(shè)備及夯錘的選擇。

采用履帶式起重機(jī)起吊夯錘，以保證在起落錘時起重機(jī)不會發(fā)生傾覆，并帶有自動脫鉤裝置。

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)確定所需單點(diǎn)夯擊能，并結(jié)合既有機(jī)械設(shè)備情況，決定采用的夯錘重350kN，夯錘為底面積5m2的圓形形狀，高寬比為1：2.5，落距為10m～15m。

②有效加固深度。

根據(jù)我國的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)夯處理濕陷性黃土有效加固深度采用修正的梅納公式。

H1=a■ （1）

式中：H1為強(qiáng)夯處理濕陷性黃土的有效加固深度（m）；W為夯錘重量（kN）；h為夯錘提升高度（m）；a為與夯擊能及土體特性等因素有關(guān)的修正系數(shù)，通常取0.5。

將錘重及落距代入（1）式得有效加固深度：

滿足本項(xiàng)目消除黃土濕陷性的要求。

③夯擊點(diǎn)布置與間距。

夯點(diǎn)間距通常依據(jù)本項(xiàng)目黃土特性及要求的有效處理深度并結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行布置。本項(xiàng)目初步擬定消除8m深濕陷性區(qū)段采用3.8m，6m深區(qū)段采用4.5m，4m深區(qū)段采用5m。具體布置方法為：清除表土后，采用平地機(jī)平整地面，用壓路機(jī)靜壓1遍再設(shè)計(jì)位置布設(shè)夯點(diǎn)，并用石灰標(biāo)識夯點(diǎn)。

④單點(diǎn)夯擊遍數(shù)。

按不同的夯擊遍數(shù)進(jìn)行試夯，以取得試驗(yàn)參數(shù)，試夯擊數(shù)分別按6、8、10進(jìn)行。

大面積強(qiáng)夯施工時，首先按單點(diǎn)夯擊遍數(shù)為6擊進(jìn)施工，如果最后兩擊夯沉量之和>15cm，之差>8cm。則增加單點(diǎn)夯擊遍數(shù)至滿足要求。夯擊遍數(shù)采用三遍，最后一遍為低落距滿夯，以夯實(shí)地基表層松土為目的。

⑤強(qiáng)夯間歇時間。

本項(xiàng)目采取三遍夯擊，兩遍強(qiáng)夯施工的間隔時間要足夠長，以使土體中的超靜水壓力得到消散。當(dāng)一遍夯擊完成且夯坑內(nèi)孔隙水蒸發(fā)后，用推土機(jī)將夯坑推平。達(dá)到需要的間歇時間后，以與第一遍相同的施工方法實(shí)施第二夯擊，然后用推土機(jī)將夯坑推平，進(jìn)行第三遍的低落距滿夯，將表層松土夯實(shí)。

3.2 選取試驗(yàn)進(jìn)行強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土的研究

選擇了長20m，加固寬度為25m的代表性區(qū)段進(jìn)行按初步確定的強(qiáng)夯參數(shù)進(jìn)行試夯，并鉆取地下不同深度的原狀土做室內(nèi)土工試驗(yàn)，以測試土體物理力學(xué)指標(biāo)的變化情況，判定濕陷是否消除或有效加固深度是否滿足設(shè)計(jì)要求，以評價及驗(yàn)證初步擬定的強(qiáng)夯參數(shù)在技術(shù)上是否可行性及經(jīng)濟(jì)上是否合理。當(dāng)試驗(yàn)所得結(jié)果不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求時，進(jìn)行有關(guān)參數(shù)調(diào)整（如夯錘質(zhì)量、落距、夯擊次數(shù)、夯點(diǎn)間距等），并重新進(jìn)行試夯。

每進(jìn)行一次夯擊，及時測取夯點(diǎn)處及周圍的沉降、隆起和擠出量，采取在土層不同深度內(nèi)埋設(shè)沉降管以量取不同土深的夯沉量及有效加固深度。并在最后一遍夯擊完成7天后挖取地面以下10m內(nèi)的土樣，進(jìn)行土工試驗(yàn)及原位測試，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，為強(qiáng)夯參數(shù)設(shè)計(jì)及施工提供有關(guān)參數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對強(qiáng)夯參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整及優(yōu)化，大面積施工采用的強(qiáng)夯方案如下：圓形夯錘重350kN，夯錘底面面積5m2的，落距為12m，單點(diǎn)夯擊能為4200kN·m。3遍夯擊，前兩遍為點(diǎn)夯，消除8m深濕陷性區(qū)段夯點(diǎn)間距采用3.6m，6m深區(qū)段采用4.5m，4m深區(qū)段采用5.2m。。采用跳夯法，夯擊數(shù)為8擊。最后一遍為滿夯，夯跡重復(fù)1/4環(huán)。

因本項(xiàng)目的濕陷黃土處于非飽和狀態(tài)，土體中基本沒有或僅在極少的自由水，因此在強(qiáng)夯中基本不存在超靜水壓力消散及排水固結(jié)等問題，故在兩遍夯擊施工間不需要間隔時間或短時間間隔即可。因此，本項(xiàng)目施工時，夯擊第一遍后，可以不做時間間隔，直接開始下一遍的夯擊施工，有效地提高了施工效率。

第1、第2遍夯點(diǎn)布置見圖1。

3.3 測試結(jié)果及分析

濕陷性黃土強(qiáng)夯法處理的試驗(yàn)結(jié)果見表1、圖2、圖3，由試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)對濕陷性黃土進(jìn)行強(qiáng)夯處理后，其土體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，物理力學(xué)性質(zhì)得到明顯改善，強(qiáng)夯增加了土體的干容重，顯著降低了土體孔隙比，增強(qiáng)地基承載能力，明顯降低了土體壓縮性，加固深度內(nèi)的黃土濕陷性系數(shù)（δS）均小于0.015，黃土已經(jīng)不存在濕陷性，強(qiáng)夯法加固濕陷性黃土是技術(shù)可行的。

4 沖擊碾壓處理濕陷性黃土的技術(shù)研究

4.1 沖擊碾壓處理濕陷性黃土技術(shù)要點(diǎn)

本項(xiàng)目部分地段濕陷性黃土厚度較薄，最薄處僅為1.6m。對于黃土較薄處采用沖擊碾壓進(jìn)行處理，其相對強(qiáng)夯法而言，施工工期更短，經(jīng)濟(jì)效果也更好。

本項(xiàng)目選取了典型路段作為試驗(yàn)對沖擊碾壓處理濕陷性黃土進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，其有效處理深度為2.5m，即深度2.5m內(nèi)的濕陷性黃土經(jīng)過沖擊碾壓處理后，其各項(xiàng)工地試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

沖擊碾壓在場地清理、清表完成后進(jìn)行，如土體過干，提前灌水增濕，使土體含水量達(dá)到最佳含水量附近。土體過濕則適當(dāng)晾曬。因沖擊碾壓的沖擊力量巨大，碾壓時土體的含水量可比最佳含水量低5%及高3%，大大減少增濕及晾曬的工作量。

為防止地面不平整而影響沖壓的最佳效果，每沖壓3～4遍后用平地機(jī)整平再繼續(xù)沖壓施工。沖壓施工完成后用光輪壓路機(jī)碾壓至路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 測試結(jié)果及分析

典型斷面DK200+155處（黃土深度為2.1m）進(jìn)行的沖擊碾壓處理前后土工試驗(yàn)結(jié)果見表2、圖4、圖5，由試驗(yàn)結(jié)果表明，濕陷性黃土經(jīng)沖擊碾壓處理后，改善了土體性質(zhì)及結(jié)構(gòu)，減少了壓縮性，消除了濕陷性，達(dá)到了處理目標(biāo)。

5 結(jié)束語

經(jīng)采用上述強(qiáng)夯法及沖擊碾壓對高速鐵路濕陷性黃土地基進(jìn)行了處理，施工完成后對地基加固效果進(jìn)行試驗(yàn)檢測，分別在夯坑內(nèi)、夯坑外及強(qiáng)夯處理的邊緣處選點(diǎn)進(jìn)行土工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用強(qiáng)夯及沖擊碾壓處理后，濕陷性黃土壓縮系數(shù)及濕陷性系數(shù)明顯降低，且不同深度土層的濕陷性系數(shù)均<0.015，已完全消除了黃土的濕陷性。且經(jīng)承載力、靜態(tài)變形模量Ev2等級質(zhì)量檢測的結(jié)果均達(dá)到規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。可見，采用強(qiáng)夯法及沖擊碾壓處理濕陷性黃土可以達(dá)到加固效果。

研究結(jié)果表明，對于黃土深度2.5m以內(nèi)的濕陷性黃土路基的處理，沖擊碾壓具有更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，為高速鐵路濕陷性黃土路基的處理積累了技術(shù)資料及經(jīng)驗(yàn)。

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