冲击碾压法在湿陷性黄土路基处置中的应用

郭文君

（山西省交通建设工程监理总公司，山西 太原 030012）

0 引言

近年来，随着国家公路网的不断完善及中西部大开发战略的逐步实施，我国黄土地区高速公路越来越多，湿陷性黄土路基也随之增多。目前，常用的湿陷性黄土路基处理方法主要有换填法、强夯法、冲击碾压法、振动碾压法、碎石桩挤密法、灰土桩挤密法等，其中冲击碾压法凭借其施工速度快、处理深度较大、处理后地基较为均匀、造价经济、特别适用于大面积场地处理等优势而逐渐得到工程技术人员的青睐[1-2]。

目前，学者们针对冲击碾压法处理地基技术已开展了大量的研究工作。王吉利[3]等人利用荷载试验、标准贯入试验、重型动力触探试验、静力触探试验等手段对冲击碾压法处理后的地基土物理力学参数随冲压遍数的变化规律。徐超[4]等人利用现场监测结果、标准贯入试验和静力触探试验的检测成果，研究了冲击碾压法处理地基液化的有效性和施工工艺。孙久民[5]等人结合禹闫高速公路湿陷性黄土路基的工程实例，分析了冲击碾压法处理的效果；魏方震[6]等人利用静力触探试验、室内土工试验及沉降观测手段，研究了冲击碾压法处理后的地基物理参数随深度变化规律。

本文结合山西某高速公路的湿陷性黄土路基处置工程实例，详细阐述了冲击碾压法的工作机理及施工工法，在此基础上，采用现场原位试验及室内试验对其处置效果进行全面评价，研究结果可为类似工程提供借鉴意义。

1 工程概况

山西某高速公路穿越黄土台塬区，根据黄土层厚度可将其分为一、二级黄土台塬区，其中一级台塬区黄土层厚度为10～50 m，其地形开阔，底层基本稳定；二级台塬区厚度50～100 m，其冲沟较发育，地形复杂，沟底出露河流相沉积层。

该路线带内大量分布有亚砂土和亚黏土地层，其中：a）马兰黄土层由黄灰色亚黏土组成，其孔隙较大、节理发育、结构疏松、渗水性强、遇水崩解性强、承载力低，具有较强湿陷性；b）午城黄土层由砂质黏土、砂砾层组成，其土质坚硬，节理发育，有少量钙质结核，该地层厚度为45 m左右，具有一定湿陷性，其土层物理力学特性指标如表1所示。

表1 路基土层的物理力学特性指标

2 冲击碾压法工作机理

冲击碾压法加固黄土路基的工作其利用冲击压路机对黄土路基进行冲击碾压，产生冲击、揉搓作用，从而对路基土层产生压实作用。可见，增大作用于土体的冲击能量，可以增加冲击碾压影响深度，提高土体的密实度，从而使土体达到弹性状态，冲击碾压技术正是应用了这种原理。冲击压路机的主要工作部件为牵引机和压实轮，而压实轮可分为三边式、四边式、五边式、实体式、空体式、可填充式等多种类型，其中三边式压实轮实物图及其工作机理如图1、图2所示。

图1 冲击压路机实物图

图2 三边式压实轮工作原理示意图

由图2可知，三边式压实轮在牵引机的快速推动下向前运动，其凸形轮将产生瞬间的竖向振动荷载，而振动荷载通过压缩波、剪切波、瑞利波向路基土体传递能量。在压缩波作用下，质点的运动方式为平面波阵面方向的一种拖拉运动，从而使孔隙水压力增大，土体结构由疏松变紧密；而剪切波和瑞利波的水平分量将使得土体颗粒受到剪压作用，导致土体密实。显然，冲击轮产生的冲击能量大小与压实轮重量、质点高度、转动速度等参数有关。

3 冲击碾压法施工技术

3.1 适用条件

根据文献[3]的研究成果可知，地基深度1.5 m范围内冲击碾压后的波速值比冲击碾压前有大幅提升。因此，冲击碾压法在路基深度1.5 m左右能够达到较好的压实效果。同时，根据文献[4]中冲击压实现场试验结果可知，采用冲击压实处理后的路基深度1.2 m范围内，路基土物理力学指标变化很大，并在冲击碾压30遍后，其压实度、孔隙比、湿陷性等指标均能够满足要求。总之，冲击碾压法较适用于浅层湿陷性黄土路基的处置，且其有效深度一般不大于1.5 m，冲击碾压遍数一般以30遍左右为宜。

3.2 施工场地设计

结合上述依托工程，选取100 m路段作为研究对象，该100 m路段两端各设25 m长的缓冲区，分别进行24遍、42遍两个能量级的冲击碾压，在冲击压路机工作过程中，应保持其行驶速度大于12 km/h；同时，在该段路基上布设相应监测点，对其不同行驶速度、不同碾压遍数工况下的压实效果进行跟踪监测，其场地布设情况如图3所示。

图3 冲击碾压场地平面布置示意图（单位：m）

4 处置效果评价

4.1 压实度检测

土体压实度是判断路基土体压实程度的最重要指标，本文首先选取典型路基段（K25+200，K25+250）在天然状态下的土样进行室内标准击实试验，得出该路基土样的最优含水量ωp和最大干密度ρdmax；其次在利用冲击碾压法处置后的路基上取不同深度的试样，测定其含水量和干密度值，再根据击实试验的结果换算其压实度，所得结果如表2、表3所示。

表2 天然状态下土样击实试验结果

表3 冲击碾压后土样压实度测试结果

由表3中可以看出，冲击碾压次数为24次时，黄土路基压实度普遍小于冲击碾压次数为42次时，且其有效影响深度较小，在1.0 m深处的路基土体基本达到压实度最大值；而当冲击碾压次数为42次时，黄土路基压实度在1.5 m深度处达到最大值。可见，在通常情况下，冲击碾压法有效处理深度为1.5 m。

4.2 地基承载力检测

采用现场载荷试验和浸水载荷试验检测采用冲击碾压法处理后的湿陷性黄土路基的地基极限承载力。该试验设备主要由反力梁、荷载台、加载设备组成，反力梁采用长6 m、高30 cm的槽钢焊接而成，重约300 kg，最大允许荷载40 t；荷载台由5根长6 m的槽钢和竹笆组成，上面堆放沙袋，总重约为35 t；加载设备采用100 t油压千斤顶，配80 t测力计，其现场情况如图4、图5所示，其测试结果如表4所示。

图4 现场载荷试验 图5 浸水载荷试验

表4 路基极限承载力检测结果

从表4中可以看出，原状黄土极限承载力一般为124～128 kPa，原状黄土路基在浸水条件下，其极限承载力为90～95 kPa，极限承载力减小了25.8%～27.4%，该承载力虽基本满足小于5 m的低填方地基要求，但因其沉降变形量较大，必须经处置后方可满足要求。载荷试验结果表明，经冲击碾压处理后的地基土极限承载力为250～360 kPa，比原状黄土的极限承载力提高了2倍多，其承载力较好地满足了高度为5 m的路堤承载力要求。

4.3 湿陷系数检测

由于湿陷性黄土路基沉降量主要由两部分组成，其一为路基上覆荷载作用下的土体沉降变形量，其二为路基土体在浸水作用下的湿陷沉降量，且路基湿陷沉降量与其湿陷系数呈正比关系，因此可通过测定处置后的黄土路基湿陷系数来评价其处置效果。

表5 路基湿陷系数检测结果

从表5中可以看出，未处理的路基土体湿陷系数大致随深度增加而减小。K25+200断面土体击实碾压后湿陷系数大幅下降，且碾压42遍比碾压24遍的下降幅度更大，其湿陷系数下降幅度最大值达38.1%；同样，K25+250断面土体经过击实碾压后也表现出类似的规律，其湿陷系数分布在0.03～0.06之间，最大降低幅度达30.8%。可见，冲击碾压法极大地降低了湿陷性黄土路基的湿陷系数，取得了较好的处置效果。

5 结论

本文依托山西省某高速公路湿陷性黄土路基段，总结分析了冲击碾压法工作原理及其施工技术，在此基础上对其处置效果进行全面评价，得出以下几点结论：

a）冲击碾压法适用于浅层湿陷性黄土路基的处置，有效深度不大于1.5 m，碾压遍数以30遍左右为宜。

b）当冲击碾压次数为42次时，黄土路基压实度在1.5 m深度处达到最大值。

c）经冲击碾压处理后的地基土极限承载力比原状黄土的极限承载力提高了2倍多，满足高度为5 m的路堤承载力要求。

d）冲击碾压法极大地降低了湿陷性黄土路基的湿陷系数，取得了较好的处置效果。