沖擊碾壓技術在處理砂土地基中的應用分析

谷亮

韶關市城鄉規劃市政設計研究院 廣東 韶關 512000

引言

我國于19世紀90年代引入沖擊碾壓技術，由于其效能高、工期快、造價低的技術特點，近年來已廣泛應用于各種不良地質的處理及壓實。沖擊碾壓作用機理是滾輪下落的重力勢能與抬升過程中輪部邊緣產生的擠壓作用結合，通過不斷的沖擊及擠壓達到加固效果。目前國際及國內主流沖擊壓路機類型為三角形，沖擊能量為25KJ為主，其余還有四邊形及五邊形，沖擊能量以20KJ、15KJ為主。從近些年已實施工程實例來看，不同型號及類型的沖擊壓路機有其各自優缺點及適用范圍。三邊形雙輪沖擊壓路機沖擊量能最大，適合于路基沖壓及軟基處理，對路基承載力及壓實度提高作用十分明顯[1]。根據實驗數據分析，25KJ三角形沖擊壓路機處理深度約為150cm。

1 工程概況

項目位于韶關市某工業園區外圍，是園區內的主要通道，道路等級為次干路，紅線寬度25m，雙向四車道。項目緊鄰河畔，地下水位較高，距地表深度約1.2m。據區域地質資料和鉆探揭露，表層地基為粉質砂土，厚度約3～5m，顆粒呈松散狀，分布不連續，該土層做標貫試驗6次：修正擊數范圍值N=7.1～9.3擊、平均值N=8.5擊、標準差0.797、變異系數0.094、統計修正系數0.923、標準值N=7.8擊，土的承載力低，工程性能較差。未經處理不能作為擬建道路基礎持力層，地基承載力特征值在80～100Kpa之間，該土層多易于開挖，自穩性差；底層地基為圓礫，厚度約5～7m，顆粒呈密實狀，分布連續，圓礫層的重型圓錐動力觸探試驗參與統計數據106個，修正擊數范圍值N63.5=2.6～12.7擊，平均值N63.5=6.2擊，標準差2.658，變異系數0.427，統計修正系數0.929，標準值N63.5=5.8擊。土的承載力中等，壓縮性低，通常可以直接作為道路持力層，地基承載力特征值約200Kpa。

表1 地基土層物理力學指標

為保證工程方案科學合理，應從工程投資、處理效果、施工工期、對環境影響等方面進行綜合考慮，擬定適宜的方案。目前地基處理常用方法主要有：換填墊層法、堆載預壓法、水泥攪拌樁、強夯法、沖擊碾壓等。各種地基處理方法優缺點及適用范圍見下表：

表2 地基處理方法比較表

本項目施工工期緊，不適宜采用堆載預壓法。加之項目周邊村落較多，強夯法對周邊建筑及居民均有影響，同時由于砂土地基深度超過3m，本著經濟適用的原則，擬定采用經濟性更好的沖擊碾壓法處理地基[2]。

2 工程方案

發展至今沖擊碾壓技術雖然已比較成熟，但不同地區的土質，設備型號，外部環境、施工工藝及質量控制等也不相同，為保證碾壓工藝具有針對性及適用性，正式施工前應通過實驗段進行數據采集，通過分析研究，制定適宜的碾壓方案。

本項目試驗段位于道路起點附近，具體樁號里程為DK0+20～DK0+220，長200m，寬30m。實驗段的目的是為了確定適合的沖擊碾壓設備型號、施工工藝、檢測方法及質量控制標準。試驗段內容主要包括檢測項目及碾壓遍數，其中必做檢測項目包括沉降量、壓實度及貫入值，選做項目包括土的物理力學參數及承載力，本次項目土的物理力學參數參照勘察報告，并選做地基承載力實驗，碾壓遍數則根據沉降量進行控制。

2.1 降水系統

由于項目區域毗鄰水域，地下水位較高，根據地質情況及現狀地貌，擬定采用井點降水法進行降水，降水系統由管井、潛水泵、出水管、排水總管、地面排水系統等組成，通過降低地下水位高度，減少孔隙水壓力，提升沖擊碾壓效果。降水井點布置在碾壓區域兩側，間距15m，深度為6.5m，同時在兩側布置水位觀測井，用于監測地下水位的變化情況，間距50m，深度5m。

2.2 監測系統

沉降量是確定碾壓效果的主要指標，清表后鋪筑30cm厚碎石層，并在表面間隔30m埋設用于監測地表沉降的沉降釘，為方便觀察沉降釘可系上彩色布條進行標示，檢測點樣本個數不小于20個[3]。

圖1 降水及檢測系統布置圖

2.3 碾壓方案

砂土在振動荷載作用下會出現液化現象，主要是因為在外力作用下土顆粒被擠密壓實，顆粒間孔隙減小，存在與土體內部的孔隙水來不及消散，孔隙水壓力急劇升高，土體抗剪能力降低甚至消失，土體由固體向液態轉換，地基承載力大幅下降。因此，碾壓過程中的關鍵是控制孔隙水壓力，通過降低土體含水量來降低孔隙水壓力。

設計采用三角形沖擊壓路機，沖擊能量為25KJ，處理范圍路堤段為坡腳外1m，路塹段為坡腳，沖擊碾壓速度控制在10～12km/h。沖擊碾壓前應調查清楚施工范圍內的地下管線及構造物，如無法遷移應根據構造物特點控制適宜的保護距離和制定相應的保護方案，對特殊困難路段可通過降低行駛速率并增加碾壓遍數的進行處理。為降低土體含水率，首先開啟管井降水系統，將地下水抽至兩側排水溝引入現狀水系，通過水位監測井觀察水位，待地下水位降至地表以下4m時，方可進行沖擊碾壓，碾壓過程中隨著沖擊荷載的作用，地下水位會逐漸上升，應注意觀測地下水位高度。當地下水位距離地表高度接近1.5m時，暫停沖擊碾壓，待地下水位降低，孔隙水壓力消散后再恢復沖擊碾壓。

碾壓遍數應根據地表沉降量來控制，通常不少于20遍，沖擊碾壓前應進行標高、貫入值及壓實度測量，其后每5次碾壓進行一次標高測量，每10次碾壓進行一次貫入值及壓實度測量。最后5遍沉降量10mm方可結束碾壓。沖擊碾壓達到設計碾壓遍數后應檢測地基承載力及壓實度檢測，根據項目特點及相關規范要求，處理后地基承力應不小于120Kpa，1.2m深度范圍內砂土的壓實度不低于92%，如不滿足要求，應進行補壓補測，直至檢測結果合格[4]。

2.4 檢測結果

地表沉降量應按要求及時記錄，測量儀器可采用水準儀測定，測量精度≤1mm，測量結果如下圖所示：

圖2 沉降量與碾壓次數對應圖

地基承載力檢驗通過靜載荷試驗并結合標準貫入試驗結果進行綜合判定。貫入值采用動力圓錐貫入儀（DCP）進行檢測，檢測點數不少于6個。壓實度采用挖坑灌砂法進行檢測，檢測點數不少于4個，檢測結果見下表：

表3 沖擊碾壓遍數與壓實度關系表

表4 沖擊碾壓遍數與貫入值（DN）關系表

表5 地基土承載力處理前后對比表

由實驗結果可知，沖擊碾壓法處理砂土地基效果顯著，在最后5遍沖擊碾壓完成后，地表沉降已不足1cm，達到了地基土加固目的。實驗段經過沖擊碾壓后，地基承載力大于120Kpa，壓實度大于92%，相關參數指標均能滿足設計要求[5]。

3 結束語

目前項目已竣工通過，運營期間道路沉降滿足規范及使用要求。因此，采用合理的沖擊碾壓施工工藝處理砂土地基是可行的，可以顯著提高路基承載力及壓實度。其中控制地下水位高度及孔隙水壓力是關鍵，井點降水法能夠有效降低土層含水量，消散空隙水壓力，保證沖擊碾壓處理效果。