沖擊碾壓技術在地基處理中的應用

李 谷 香

(中鐵二十局集團有限公司第四工程公司，山東 青島 266061)

0 引言

與固有的靜壓實或一般振動壓實全然不同的沖擊碾壓是一種新型土體壓實技術。最先在南非開始使用的沖擊碾壓屬于非圓碾壓，它是對傳統圓形碾壓設備進行改良，將壓實輪改為非圓形，非圓壓實輪輪廓曲線對路基面施加揉壓—碾壓—沖擊作用，該壓實方法實質上是將沖擊和揉搓作用相結合。沖擊碾壓是通過沖擊波傳播形式達到壓實土體目的，沖擊波頻率為大振幅低頻段，隨著碾壓次數的增加，壓實深度將逐漸變深。沖擊碾壓就是將路基填料通過機械手段和施工技術手段使壓實度和平整度達到規范要求，該技術是機械工程和土木工程兩個交叉學科的綜合應用。

沖擊碾壓工藝具有壓實度高，壓實深度大和生產效率高等優點。它適用于要求高，面積大且鋪層厚的基礎壓實作業。本文總結了部分典型高速公路地基的具體施工，其合理應用了沖擊壓實技術[1-5]，并進行了相關試驗檢測和數值模擬分析，得到對路基的沖擊壓實有效的施工方法：確定合理碾壓工藝和碾壓遍數[6-10]。

1 工程概況

施工路線主要位于魯西北黃泛平原，該工程地質區較為穩定。該地屬于以亞砂土、亞粘土夾粉細砂為主的第四系沖擊物區，大多數土體為多層結構，上層多為粉性土，一般允許地基承載力在90 kPa～200 kPa。

根據區域工程地質調查和現場地質鉆探的結果，選定在K37+000～K37+300段路基地基進行沖擊碾壓處理。地基處理路段上部為硬塑～可塑的濕陷性黃土，深度約2 m～3 m范圍內；下部為深厚的高壓縮性的粉質粘土。

2 路基處理施工方案

2.1 施工機械設備

施工機械采用宇通6830型拖式三邊形雙輪沖擊壓路機，沖擊輪的內、外部寬度分別為90 cm和296 cm，輪隙寬度116 cm，沖擊勢能30 kJ。

2.2 壓實要求

根據設計要求，填土路基表層20 cm范圍內的壓實度要求在90%以上，地表沉降滿足規范規定的地表沉降標準。

2.3 碾壓方法

1)用平地機對試驗段進行場地清理并平整。按照設計要求放出路基中線及邊坡腳線外1 m作為沖擊碾壓范圍，并在中線及邊坡腳線外1 m撒白灰線及竹竿做明顯標記。在試驗段內隨機選擇12個點檢測地基表層30 cm以內土的含水量。

2)碾壓速度控制在10 km/h～12 km/h之間，沖擊碾壓順序為路基一側至道路中線，再依次進行到另一側。每圈的沖擊比前一圈向前推進1/3輪，沖擊碾壓一次意味著輪軌完全覆蓋整個路基表面。沖擊碾壓一次后，應使用平地機進行調平，之后對路基表面使用壓路機進行靜壓，最后對基地標高進行量測。

3)沖擊碾壓施工處理時，需交替碾壓施工，分為順時針以及逆時針方向進行。每沖擊碾壓12遍后間歇1 d。如果路基表面有揚塵產生，可用灑水車灑水，達到適量均勻效果后，繼續沖擊碾壓。

4)在經過20次碾壓之后，根據規范規定的地表沉降量標準，采用平整機、同型號光輪壓路機進行一遍碾壓，通過檢測兩次標高所得差值作為表面沖擊碾壓地表沉降量。并檢測地表20 cm內壓實度，壓實度應達到90%以上。

3 試驗檢測方案

3.1 施工前試驗檢測

1)在沖擊碾壓區至少布設4個人工探孔，距地面20 cm，60 cm，100 cm，140 cm取一原狀土樣，檢測土的含水量、孔隙比、干密度、濕密度、塑限和液限等常規試驗參數。

2)首先開始擊實試驗，求得場地土的最佳含水量，最大干密度，進而確定沖擊碾壓次數。

3)沖碾前測定地面下30 cm的天然干密度，地基表層土最佳含水量嚴格控制在-4%～+2%范圍內。對含水量過高的地基土應進行翻曬。

3.2 施工后試驗檢測

1)沉降量檢測。

根據測點平面布置圖布置檢測點，按20 m一個斷面布設并于每個斷面設置5個檢測點，同時將顯眼的標志埋設在施工段內，便于測量。對沖碾前后的地基標高進行檢測，沖碾的地表沉降量取相鄰兩個地基高程差。

2)壓實度檢測。

根據測點平面布置圖，取與沉降量檢測相同的布設方案，每個測點檢測20 cm，40 cm,60 cm深度的壓實度。壓實度測點與沉降量測點適當錯開。

施工現場需要：電子天平、灌砂筒(4套)和配套工具等實驗儀器。同時采用酒精燃燒法，得到含水量。

3)承載力檢測。

現場用標貫儀對地基承載力進行檢測，每斷面設左中右三個檢測點，每個測點檢測地表20 cm，40 cm，60 cm三個不同深度的承載力。

4 試驗結果及分析

4.1 沖擊碾壓的處治效果

1)減小路堤的工后沉降率。

當達到規范要求的路基壓實度時，對室內模型試驗與現場路堤沉降量試驗進行觀測，路基施工后沉降率為0.4%左右。

2)提高路基整體強度與均勻性。

沖擊壓路機可以提高路基的整體強度和均勻性，能避免路堤局部發生軟弱和不均勻沉降。

在得到其施工后路基沉降量后，可采用下式計算求得路基壓實度的增加值：

(1)

通過計算可知，在沖碾20遍后，壓實度在0.6 m范圍的層厚內會提升3%～5%。由于沖擊壓路機均勻地壓實了整個路基基地，實現了可以直接檢測和壓實整個路基，從而在地面下方形成連續、均勻且致密的0.6 m～1.0 m的增強層，改善路基的整體強度和穩定性。

4.2 試驗數據結果分析

1)由圖1可知，分析不同點數數據或者平均值對其沖壓數據的影響可知，沖擊次數與路基沉降增量存在不均勻正向線性關系。經過20次沖擊后，沉降變化已經十分微小，即填料層的密實度已趨于穩定。之后沉降量開始出現異常數據，數據有負值、突增等趨向出現，這表明經過20次沖擊碾壓后，再增加沖擊碾壓次數對沉降影響不大。

2)由圖2可知，隨著沖擊壓實次數的增加，路基壓實度逐漸增大，達到約16倍～20倍的最大值，然后再次減小，表明沖擊碾壓20次后地基土的壓實效果最好；路基壓實度隨深度的增加而逐漸減小，這也說明沖擊壓實對深度有一定影響，現場實測有效影響深度為0.9 m。

3)由圖3可知，沖擊碾壓處理后，連續動力觸探試驗次數增加到地層埋深0.6 m左右，試驗前后動力觸探試驗次數接近并逐漸重疊。在0.6 m以上，承載力增加較快，隨著深度的增加，承載力提高不明顯。在沖擊碾壓20遍左右時，承載力可滿足工程的要求。

4)從試驗段現場和收集的數據中可以看出，沖擊碾壓處理地基的主要物性指標都有變化，含水量、壓縮模量以及濕、干密度與沖壓遍數成正向線性關系，孔隙度、孔隙比以及壓縮系數與沖壓遍數成反向線性關系；且處理后含水量隨深度變化沒有規律，孔隙度、孔隙比隨深度變化逐漸接近。

綜合以上數據，使用時速為12 km/h且功率為30 kJ的拖式三邊形沖擊壓路機沖壓路基時，在沖擊20遍時達到最優效果。其有效深度及路基壓實度均得到最優化，路基下沉量為0.15 m～0.25 m，沖擊碾壓的有效影響深度為0.90 m。

5 數值模擬分析

5.1 模型建立

根據工程實際情況，施工監測布置是20 m一個斷面，所以模型取20×20×16，取一個典型斷面模擬，模型如圖4所示，每個斷面布置5個測點(圖中圓圈所示，從左到右編號依次為1～5)，豎向區域16 m深，水平方向都是20 m，路基上部硬塑～可塑的濕陷性黃土層取2 m，下部粉質粘土層取14 m，共7 200個網格，8 379個節點。模型一半是沖擊壓實區(黑色半部區)，一半為初始狀態對比區，沖擊荷載采用動力分析計算，沒考慮孔隙水壓力，邊界為靜態邊界條件，只考慮沖擊作用力，不考慮牽引車本身重量。

5.2 計算結果分析

5.2.1應力分析

力的傳遞過程和影響范圍如圖5所示(圖5a)，圖5b)分別是碾壓5次和15次的應力圖)，可以看出，隨著碾壓次數的增加，受沖擊荷載影響區域也逐漸由地表向下移動，并不斷擴大，不過最終受荷影響較大區在3 m以上范圍，此處易形成密實的加固層。有效影響深度和現場實測有一定的出入，但在規律上是一致的。碾壓后的區域承載力基本都在200 kPa以上，所以從應力分析可知，碾壓20遍時是滿足要求的。

5.2.2位移分析

1)不同深度時。

監測點全部位于加沖擊荷載區，濕陷性黃土層每0.5 m深設一個測點，粉質粘土層每1 m深設一個測點，主要監測每個測點的沉降位移，圖6是不同深度的位移(X軸表示碾壓次數，Y軸是位移，單位是m)。碾壓20遍左右時，深度與唯一沉降成不均勻反比線性關系，此時地表沉降為最大值，20 cm左右，如果繼續加荷，沉降變化緩慢，有些地方出現了位移下降，說明出現了隆起，所以碾壓20遍是比較合理的，滿足了承載力的要求；沉降在不同深度處受碾壓敏感性也是不同的，隨深度逐漸遞減，開始碾壓的時候，深度淺處發生沉降的速度較快，而深處幾乎不受影響，隨著淺層逐漸被壓實，深層處沉降也逐漸增加，但沉降值卻逐漸減小，4 m處不到1 mm。

2)不同位置時。

圖7是不同測點處的沉降曲線，通過比較可知，在地表處，沉降在碾壓前幾次比較大，基本前5次碾壓應達到最終沉降的60%以上，碾壓到20次時，沉降曲線趨于水平，有些地方的沉降值出現下降，說明此時已達到最大密實度，繼續碾壓密實度將會減小，沉降出現部分回彈。不同測點的最終沉降大約在20 cm，與現場實測數據基本符合。不管是數值模擬結果，還是現場試驗段實測結果，都可以說明沖擊20遍時處理效果較好，滿足了工程各方面要求。

6 結論

通過對以上試驗的分析，得到如下結論：

1)沖擊碾壓地基處理方法是可行的，效果明顯，具有施工速度快的優點。沖擊壓路機在地基處理工程中的應用越來越普遍，并逐漸推廣應用于地基處理中。

2)使用時速為12 km/h且功率為30 kJ的拖式三邊形沖擊壓路機沖壓路基時，沖擊壓實20遍時，其有效深度及路基壓實度均得到最優，且地基土的干密度和壓縮模量與沖壓次數成正向線性關系，孔隙比和濕陷系數成反向線性關系。沖擊碾壓顯著改善了地基土的物理力學性能，提高了地基土的整體強度。

3)試驗結果表明，沖擊壓實技術特別適用于硬塑性濕陷性黃土上部和深層高壓收縮粉質粘土地基的下部，施工效率高，應用前景良好。