黃土路基沖擊碾壓處治技術研究

程 翀

(山西省交通運輸廳公路交通工程定額站，山西 太原 030006)

0 引言

山西地區路基填料主要是黃土，更多的是濕陷性黃土，目前黃土壓實中面臨諸多技術難題，通過對黃土路基填筑中的應用技術進行研究，在保證高填方黃土路基壓實質量的同時提高路基填筑的施工效率，以期對沖擊碾壓處治黃土地基的施工提供技術支撐。

1 沖擊壓實原理

沖擊壓實技術是采用多邊形、重型、連續滾動的沖擊壓路機對地基土體進行壓實，以提高地基土的密實程度與強度的地基處理方法。行駛過程中沖擊輪內外半徑引起的勢能落差與沖擊輪動能疊加，沿地面集中向前、向下對地基土體進行沖擊、碾壓、揉搓，并通過多邊弧形輪不斷地對地基形成低頻高振幅的沖擊碾壓，產生較大的沖擊波，使地基土碾壓密實。沖擊碾壓工作原理如圖1所示。

2 沖擊壓實施工技術參數研究

2.1 現場試驗簡介

現場沖壓試驗選擇試驗段長100 m、寬20 m。該路段地基土為一般新黃土具有代表性，濕陷等級為Ⅲ級自重濕陷性。試驗采用靜態勢能為30 kJ的6830型沖擊壓路機。

2.2 具體試驗步驟

1)清表整平：對試驗場地原地面進行清表整平，并用壓路機進行初步碾壓，以保證沖擊壓路機能接近勻速進行碾壓作業，使整個場地能獲得較為均勻的沖擊力。

2)埋設高程和距離固定樁：縱向共設置3個檢測斷面，相鄰檢測斷面之間間隔30 m，并在試驗場地邊緣埋設高程和距離固定樁作為標志，試驗段兩端各20 m作為沖擊壓路機轉彎和緩沖段。

3)布設檢測點：每個檢測斷面設置2個檢測點進行下沉量和壓實度檢測，由于場地有限，為便于在各斷面進行壓實度檢測，兩高程檢測點橫向間距為16 m，在高程檢測點處埋設鋼筋頭作為標志，并對其初始相對高程進行測量，然后撒少量白灰便于鋼筋頭的尋找。

4)沖擊碾壓作業：沖擊壓路機進行沖擊碾壓作業時，實際行駛速度控制在10 km/h～12 km/h，采用來回錯輪的方式以試驗場地縱向中線對稱轉圈沖壓，輪跡之間不重疊，沖壓路線如圖2所示。輪跡覆蓋整個試驗場地為沖碾1遍，并根據需要實時灑水，以保證沖擊碾壓效果。

5)下沉量觀測和土樣采集：在沖碾10遍后分別進行下沉量與壓實度檢測，采用環刀法進行取樣檢測。在每個檢測點周圍5 m范圍內確定一個取樣點，采集土樣時表層約15 cm浮土需予以清除，沿豎向每30 cm取一個土樣，最大取樣深度為1.5 m，60 cm以下土樣借助挖掘機進行采集。

6)重復以上步驟進行15遍、20遍、25遍、30遍的沖壓試驗，高程檢測點的位置與之前相同，采集土樣時每個檢測點附近前后兩個取樣點間距不小于5 m。

2.3 試驗結果分析

2.3.1下沉量

沖壓超過20遍后，連續兩次每沖壓5遍產生的下沉量均不超過2 cm，當沖擊碾壓由25遍增加到30遍時，各點下沉量均值已接近1 cm，沉降基本穩定，此階段地基土塑性很小，彈性性質占主導地位。沖擊碾壓30遍產生的累計沉降達到22.17 cm。從下沉量的角度分析，沖擊碾壓以25遍～30遍為宜，繼續增加沖擊碾壓遍數，累計下沉量會繼續有所增大，但增加的壓實效果將不明顯，也不經濟。

2.3.2壓實度

隨著沖擊碾壓遍數的增加，不同深度處的壓實度均有所增大，上面土層壓實度相比底部土層增長較快。沖擊碾壓15遍后，0 cm～90 cm范圍內的土樣壓實度均值已接近90%，沖壓20遍后，0 cm～90 cm內土樣壓實度均值已達到93.1%，0 cm～120 cm范圍內的土樣壓實度均值達到90.6%；當沖壓增加到25遍后，0 cm～120 cm范圍內的土樣壓實度增加到92.2%，150 cm范圍內土樣壓實度均值接近90%；沖擊碾壓遍數達到30遍后，0 cm～120 cm范圍內的土樣壓實度均值已超過93%，150 cm范圍內土樣壓實度均值達到90.4%。從不同深度處土樣壓實度隨沖擊碾壓遍數變化情況看，30 kJ沖擊壓路機的有效處理深度可達120 cm～150 cm，沖擊碾壓遍數以25遍～30遍為宜。

綜合上述分析，根據地基沉降變形和密實程度，可將沖擊碾壓分為三個階段：1)沖擊碾壓初始階段：地基土密實程度較小，呈塑性狀態，在沖擊輪作用下產生較大沉降變形，沖擊能量大部分被上層土體吸收，下層土體壓實度增加幅度較??；2)沖擊壓實效果穩步增長階段：隨著沖擊碾壓遍數的增加，上層土體密實度不斷增大，吸收的沖擊能量逐漸減少，沖擊能量更多的向下傳遞，出現下層土體壓實度增長率短時增大的現象，該階段地基土處于彈塑性階段；3)沖擊壓實效果穩定階段：沖擊碾壓遍數超過20遍后，隨著沖壓遍數的繼續增加上層土體壓實度趨于穩定，并產生板體效應，沖擊能量和沖擊力向下傳遞時橫向擴散范圍較大，作用于下層土體的沖擊力降低，壓實度增長緩慢，土體處于以彈性性質為主導的彈塑性狀態。

2.3.3濕陷系數

工程實踐和試驗研究均表明：黃土壓實后濕陷系數隨含水率的降低而增大，隨干密度的增加而減小。根據其試驗統計結果可以看出，沖擊碾壓20遍后，地表以下1.5 m范圍內各層土樣濕陷系數在0.015以下，黃土濕陷性已經基本消除，隨著沖壓遍數的繼續增加，濕陷系數進一步減小?？梢?，利用30 kJ沖擊壓路機對黃土地基沖壓25遍～30遍可有效消除或降低地表以下2 m范圍內黃土的濕陷性，滿足規范要求。

3 沖擊壓實質量控制方法與標準

試驗結果表明，黃土地基填前沖擊碾壓施工過程中可以采用沉降量、表層土體壓實度、沖擊碾壓遍數來控制壓實質量。

3.1 下沉量

從控制下沉量的角度分析，使用30 kJ沖擊壓路機壓實黃土地基，最后連續兩次沖壓5遍引起的下沉量均應小于2 cm，且產生的累計下沉量不應小于20 cm。

3.2 壓實度

從控制壓實度的角度分析，采用30 kJ沖擊壓路機處治濕陷性黃土地基，表層土體含水率控制在最佳含水率附近條件下，沖擊壓實后表層0 cm～30 cm的土樣壓實度應不小于97%，且最后沖擊碾壓5遍后壓實度增量不大于1%為宜，否則繼續沖擊碾壓5遍。

3.3 沖擊碾壓遍數

從試驗結果來看，沖壓前20遍，黃土地基不同深度處的密實度均有較大的提高，地表以下1.5 m范圍內的黃土其濕陷性已基本消除。沖擊碾壓達到25遍后，不同深度處的壓實度和地表累計沉降量基本趨于穩定；繼續增加沖擊碾壓遍數，壓實度和累計沉降量會繼續有所增大，但增加的壓實效果將不明顯，也不經濟。故采用30 kJ沖擊壓路機處治黃土地基，沖壓遍數不得少于20遍，以25遍～30遍為宜。

3.4 牽引車速度

理論上沖擊碾壓速度越快，沖擊能量越大，但作業速度太快，牽引阻力消耗的功率過大也是不經濟的。當作業速度較快時，沖擊輪可能蹦離地面，導致沖擊壓實點間距增大，不利于土體的均勻壓實，壓實效果不一定好，而且也容易損壞機器。因此，牽引車行駛速度宜控制在10 km/h～15 km/h，沖碾初期由于地基土壓實度低，速度取低值，隨著沖碾遍數的增加，速度可相應提高。

3.5 含水率

沖擊壓實效果受實際施工時黃土地基含水率的影響，且該地區較為干旱，采用沖擊能量高、沖擊力較大的30 kJ沖擊壓路機對黃土地基進行壓實，可適當放寬對地基土含水率的要求，但為達到較好的壓實效果，同時避免產生“彈簧土”現象，黃土地基含水率ω應滿足ω0-5%≤ω≤ω0+2%。

4 結語

通過對30 kJ沖擊壓路機現場沖擊碾壓試驗結果的分析，得到了利用30 kJ沖擊壓路機處治山西地區濕陷性黃土地基的施工技術參數及處治效果；黃土地基填前沖擊碾壓施工過程中可以采用下沉量、表層土體壓實度、沖擊碾壓遍數來控制壓實質量；通過對現場試驗數據的分析，建立了利用30 kJ沖擊壓路機處治山西地區濕陷性黃土地基的質量控制方法及標準。

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