重锤夯实在含砂低液限黄土路基压实中的应用

朱晓斌 张陈晨

(1.山西省交通科学研究院，山西太原 030006; 2.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西太原 030006;3.广东嘉应学院，广东 梅州 514000)

1 概述

中国公路自然区划的Ⅲ1a区(雁北张宣副区)以及大型河流的一级阶地广泛分布有含砂低液限黄土。此类土既不同于粉性土，又有别于砂土，其在矿物组成、颗粒分布以及压实机理方面均不同于一般土，具有独特的工程特性［1］。该土细砂和粉粒含量较多，粗粒和粘粒含量较少，由于颗粒级配均匀，保水性差，在运输、摊平、碾压工程中水分损失严重，再加上黄土地区水资源极为稀缺，气候干燥，如在施工过程中应用常用的压实方法、控制指标及施工工艺，含砂低液限黄土路基压实度无法达到要求，在公路建成通车后路基会产生过大的沉降变形，导致路面开裂［2，3］。

在建神河高速位于含砂低液限黄土地区，路基压实度经常无法达到规定要求。本文通过现场试验以及理论分析，选取K65+950～K66+120路段作为研究对象，开展了含砂低液限黄土地区路基重锤满面夯实的效果研究，获得创新性的学术研究成果，直接为神河高速公路路基的设计、施工提供指导和建议，以期能够达到控制和节省工程建设投资，提高施工效率，保证公路运营期间的安全，提高耐久性和延长使用寿命等目的，同时本研究可为黄土地区其他交通工程建设中遇到的相关问题以及公路、铁路工程规范的修编提供参考依据，研究成果可在黄土地区推广。

2 工程概况

2.1 神河高速概况

神河高速(灵河高速神池—河曲段)是山西省高速公路网规划“三纵十一横十一环”第三横的重要组成部分，项目起点位于神池县东湖乡，设东湖枢纽与拟建原平—神池高速公路及西纵高速公路十字相接，终点位于河曲县文笔镇科村，与规划的晋蒙黄河公路大桥相接，路线全长99.13 km，概算总投资81.55亿元。

全线设互通式立交6处，服务区2处、停车区1处、匝道收费站5处，养护工区2处、管理监控分中心1处。同步建设神池西互通连接线(一级公路)0.9 km、三岔互通连接线(二级公路)4.9 km、偏关互通连接线(二级公路)13.96 km、河曲互通连接线(一级公路)4.2 km。主线采用双向四车道高速公路标准，其中，K0+300～K41+330段设计速度采用100 km/h，路基宽度为26.0 m;K41+330至终点段设计速度采用80 km/h，路基宽度为24.5 m;桥涵设计汽车荷载等级采用公路—Ⅰ级。

2.2 K65+950～K66+120试验路段概况

试验路段选择在K65+950～K66+120段，全线170 m，所处高填方段最大填高76 m，路基填方近30万m3，所需填料均由K65+500～K65+688路基挖方段调入，对土的颗粒进行分析后结果显示土的不均匀系数Cu＜5，土的级配较差。试验段所在标段范围内冲沟发育，地形起伏较大，路基填方均处于V形沟，填方高度均在50 m以上。试验段填土基本试验参数见表1。

表1 神河高速K65+950～K66+120路段填土基本试验参数

3 路基重锤满面夯实试验过程

3.1 试验原理

重锤夯实法利用重锤从高空自由下落时产生的冲击能，使地面下一定深度内土层达到密实状态的地基处理方法，在黄土地区公路工程中使用较多［4］。有效夯实深度取决于锤重、锤底直径、落距和土类，可分为表层夯实法和强力夯实法两种。重锤夯实法可以提高地基承载力、消除湿陷性地基的湿陷现象［5］。

本文采用的夯实方法为表层夯实法。表层夯实法锤重与锤底面积的关系应符合锤底面上的静压力为15 kPa～20 kPa的要求，适用于夯实厚度小于3 m、地下水位以上0.8 m左右的稍湿杂填土、粘性土、砂性土、湿陷性黄土地基［6］。由于锤体较轻、锤底直径和落距较小，产生的冲击能也较小，故有效夯实深度不大，一般为锤底直径的一倍左右。夯实应在最佳含水量条件下进行，最佳含水量由室内击实试验求得。当土的天然含水量小于最佳含水量的2%以上时，应向基坑加水至最佳含水量，基坑浸水一昼夜后方可夯实。当含水量过大时，可在其上铺设顺水材料如干土、生石灰、碎砖等或换土［7］。

3.2 试验目的与方法

本试验对神河高速K65+950～K66+120段填高为3 m的含砂低液限黄土路基填方进行重锤满面夯实，夯后测量填层下沉量及该3 m范围内的土体压实度，通过对下沉量和压实度变化的分析，确定重锤满面夯实对该地区高填方减少工后沉降和保证质量的有效度。试验目的是通过对试验数据的分析，确定重锤满面夯实对填方的挤密效果，并预测能否有效的减少工后沉降的风险和保证工程质量。

3.3 试验步骤

该试验开始日期为2012年5月10日，完工日期为2012年5月15日，共计6 d。具体工序安排如下:1)对填料进行土工试验，确定填料的各项指标，按确定的工艺参数和机械组合进行路基填筑、压实施工，以最后两击平均夯沉量小于20 mm控制，确保压实度不小于93%，满足设计要求。2)因该填方段目前施工作业面较小，每层填筑压实完毕，随机选取2个点采用灌砂法检测其压实度，压实度不合格予以返工处理［8］。3)逐层施工至填高3 m，路基顶面应平整，各点高差不大于2 cm，测量路基顶面12个点高程，其平均高程即为该段路基顶面标高。4)采用单点夯击能600 kN·m将该段路基顶面重锤满面夯实，重锤满面夯实采用带自动脱钩落锤装置的35 t的液压履带式起重机，锤重15 t，其底面形状为圆形，直径2.3 m，按设计要求夯点搭接(1/4)D，见图1。5)满面夯击完成，及时将夯坑推平平整，各点高差不大于2 cm，洒水碾压至压实度不小于93%，测量路基顶面12个点高程，其平均高程即为该段路基满面夯击后的顶面标高，见图2。6)选取4个点，采用灌砂法分别检测原地面及原地面以下0.5 m，1.0 m，1.5 m，2.0 m 的压实度。

图1 重锤满面夯实施工

图2 重锤满面夯实效果

3.4 试验注意事项

1)施工过程中应对填土方压实度、平整度、横坡、纵坡、宽度、中线偏位、纵断高程、边坡等各项参数及施工过程进行详细记录并及时签认［9］;2)填筑完成标高测量时，必须采用人工整平，保证路基顶面的平整，保证各点高差控制在2 cm之内;3)夯坑整平时不得另行上土，亦不能将浮土推至边坡外，保证前后土方量的一致性，确保数据的真实性和指导性;4)为了保证夯击质量，边坡侧需加宽1 m并同步压实;5)夯击完毕整平碾压后，检测压实度时，采用挖掘机配合人工开挖的方式进行分层检测，对检测层不得扰动，确保检测数据的真实可靠。

4 路基重锤满面夯实试验结果分析

4.1 试验数据分析

4.1.1 试验前后路基下沉量

夯击前后填层顶面标高的变化为本次夯实路基的下沉量:

1)试验段分层填筑3 m后，顶面找平，12个点实测标高分别为:1 258.078，1 258.098，1 258.222，1 258.318，1 258.286，1 258.288，1 258.292，1 258.314，1 258.253，1 258.237，1 258.164，1 258.112，平均高程为1 258.222;2)满面夯击完毕后，将夯坑推平，压实整平后12 个点实测标高分别为:1 258.028，1 258.093，1 258.243，1 258.301，1 258.275，1 258.186，1 258.211，1 258.301，1 258.121，1 258.201，1 258.031，1 257.990，平均高程为 1 258.165;3)增加满面夯击后路基本体夯沉量:1 258.222 －1 258.165=0.057 m，填高 3 m，夯沉率为 0.057/3*100%=1.9%。

4.1.2 试验前后挤密效果

取夯击后不同深度压实度的平均值的变化，分析夯击对路基填层的挤密效果:1)分层填筑时，在原地面及原地面以下0.5 m，1.0 m，1.5 m，2.0 m 各选取 2 个点测得压实度平均值分别为93.2%，93.3%，93.4%，93.3%，93.4%;2)满面夯击完成后，在原地面及原地面以下0.5 m，1.0 m，1.5 m，2.0 m 各选取4 个点测得压实度平均值分别为 97.8%，97.2%，95.5%，95.3%，95.3%;3)增加满面夯击后压实度增加值分别为:4.6%，3.9%，2.1%，2.0%，1.9%，平均值为 2.9%。

4.2 试验结果

通过对满面夯击前后路基顶面标高的对比，在该地形及填料条件下满面夯实对减小高填方路基工后沉降有显著的效果，尤其是在工期紧，不能预留足够的工后沉降的情况下，增加满面夯击效果明显也非常有必要;通过对满面夯击前后相同高度处的压实度检测结果的对比，增加满面夯击不会影响已填筑的路基质量，相反对路基压实有一定的挤密效果，更能保证路基质量。通过该试验，在该地形及填料条件下路基填筑每填高3 m增加满面夯击能有效减小路基工后沉降，对路基下层的挤密压实也有一定的积极作用。

5 结语

1)阐述了含砂低液限黄土路基重锤满面夯实试验的原理、试验目的与方法，并根据现场试验，论述了试验步骤和在试验过程中应注意的问题;2)对试验数据进行了分析，结果表明:重锤满面夯实可以有效减小含砂低液限黄土高填方路基工后沉降，还可以有效提高路基压实度。

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