桥台涵背特殊位置路基快速液压夯实技术

司癸卯，赵建成，邵现田，陈 哲，张启龙

(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安 710064)

桥台涵背特殊位置路基快速液压夯实技术

司癸卯，赵建成，邵现田，陈 哲，张启龙

(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安 710064)

为了解决桥头跳车等工程问题，依托张承高速公路施工现场试验，研究公路桥背涵侧回填路基沉降量、压实度与夯击次数的关系，压实度与路基深度的关系，以及压实度与夯点布置方式的关系，确定了轻型液压夯实机最佳施工参数，并为不同回填土路基的补强夯实提供试验步骤，亦为相关的工程实践及现场试验中最佳施工参数的确定提供了依据。

桥头跳车;压实度;路基深度;路基沉降量

1 轻型液压夯实机

轻型液压夯实机由液压油缸、机架、夯锤和着力装置等组成，其工作原理为:液压缸将夯锤提升至一定高度后快速释放，夯锤在重力和液压蓄能器的共同作用下加速下落，击打静压在地基上的着力装置，并通过着力装置间接夯击地基［7-10］，如图1所示。

图1 轻型液压夯实机工作原理

本试验选择泰安恒大制造的快速液压夯实机［5］，其夯击能有 3个挡位，分别为一挡、二挡、三挡(也称低、中、强挡)。一挡、二挡、三挡夯锤下落高度依次为50、80、120 cm，所产生的最大夯击势能为36 kJ，夯击势能的频率为20～30次·min－1。在工程施工过程中多采用三挡进行回填土补强夯实作业，因此，此次试验也采用三挡对桥台涵侧进行夯实补强作业。

2 试验场地及填料土性质

本试验选择张承高速公路承德段9标为试验场地，填料为就近开山破碎的未筛分碎石与土混合的碎石土。碎石土的筛分试验结果为:试样中石料最大粒径小于200 mm，碎石含量大于60%;界限含水量试验结果为:液限17.2%，塑性指数为2.1;标准击实试验结果为:试样中小于38 mm粒径的最大干密度为2．44 g·cm－3，最佳含水率为 4.2%［11-12］。

3 夯击次数与沉降量、压实度的关系

3．1 试验步骤

(1)检测碾压后路基的压实度(现状压实度)。

(2)选取5个夯点(1#～5#)，夯点位于一条直线上，间距为2 m;利用水准仪测量5个夯点初始地面高程。

(3)对每个夯点采用高挡(锤重3 t，举高1．2 m)夯击，每夯击1次采用水准仪测量1次高程，每个夯点夯击12次(初定)。

(4)根据高程检测结果分析不同夯击次数与路基沉降量的关系。找到每条沉降曲线中特殊点(沉降量拐点)对应的夯击次数，沉降量小于1 cm时试验结束。以拐点对应的夯击次数至最后一击沉降量小于1 cm的夯击次数为范围，测定每点的压实度(为确保检测数据准确，每点检测2次，取其平均值)，绘制夯击次数与压实度的关系曲线。

根据上述曲线确定满足压实度要求所需的夯击次数，以及对应该夯击次数的沉降量，以该沉降量控制施工［13-16］。

3．2 试验数据分析

3．2．1 夯击次数与累计沉降的关系

由于填料粒径较大(≤20 cm)，采用灌水法测定路基碾压后的压实度，共检测3个点，压实度平均值为94.6%;选取5个夯点测定初始高程，采用轻型夯高档对每个夯点进行夯击试验，试验结果如表1及图2所示。

可以看出，夯点处累计沉降量随着夯击次数的增加而增加，夯击第8次后平均累计沉降量增量已小于1 cm(相比第7次累计沉降量)，因此以8次为累计沉降量拐点，开展夯击次数与压实度的关系研究。

图2 高挡夯击次数与累计沉降的关系

3．2．2 夯击次数与压实度的关系

在同一工作面上另取14个夯点，两两一组，共7组，分别夯击6～12次，夯击结束后用灌水法测定压实度，结果如表2及图3所示。

表2 高挡夯击次数与压实度的关系

图3 高挡夯击次数与压实度的关系曲线

从表2和图3可以看出，在原压实度为94.6%的情况下，经过轻型夯补强施工，压实度提高至少2%;轻型夯追加密实作用明显，能够提高涵背路基的压实度，减少路基沉降引起的桥头跳车病害。

同时，通过数据分析可以发现，夯击7次与夯击6次的压实度变化幅度将近1%，而夯击8、9、10、11、12次压实度基本维持在97%～98%范围内，增加的幅度较小，可初步判断7次为最高夯击能量作用的最佳夯实次数。通过现场检测发现，夯击10、11、12次后夯点周围有小范围地表隆起，说明该夯点的土体竖向挤压接近极限。

因此，综合判断该能量下的最佳夯击次数为7次，夯击7次后，原压实度为94.6%的路基能补强增加到97%～98%，满足施工质量要求，同时也符合施工的经济性。

3．2．3 沉降量与压实度的关系

汇总每个夯点沉降量与压实度数据，结果如表3及图4所示。

表3 高挡累计沉降量与压实度的关系

图4 高挡累计沉降量与压实度的关系

可以看出，当累计沉降量达到14 cm左右，压实度能保证在97%以上。一般采用高挡压实7次就能使沉降量达到14 cm以上，因此，推荐原路基压实度在94%时采用高挡压实7次。

4 压实度沿深度的变化

检测高挡7次夯击后路基的压实度。分层填筑(松铺40 cm)，分层碾压(18 t压路机振动碾压6遍)，填筑5层(碾压结束后预计填筑高度达1．5～1．8 m)，填筑结束后采用轻型夯高挡夯实7次，取2个夯点。夯实结束后，清除夯点表面的浮土，检测夯点处的压实度，采用钩机及人工辅助开挖的方式沿夯点竖向开挖至50 cm，检测压实度，再行开挖至1.0 m处检测压实度。分析压实度沿深度的变化情况。

填高1．2 m后取4个夯点，采用高挡夯实7次，夯实结束后，清除表面松散土，每个夯点沿深度方向每开挖50 cm(钩机开挖并辅以人工开挖控制)检测一次压实度，取平均值。结果如图5及表4所示。

图5 压实度沿深度检测位置及结果

表4 开挖后压实度检测结果 %

可以看出:清除表层20 cm的松土后进行第1次检测，4个夯点的平均压实度为97.5%，比碾压前增加3%，夯实效果明显;第1次开挖50 cm后(相当于开挖了70 cm)，4个夯点的压实度平均值为96.7%，即70 cm深度范围内夯实效果明显，压实度提高了2%;第2次开挖50 cm(相当于开挖了120 cm)，此时4个夯点压实度平均值为94.8%，几乎与压路机碾压后的结果相同(94.6%)。综合以判断，在高挡能量的影响深度范围内(≥1.5 m)，路基1 m深度内压实度增加明显，提高2%～3%，至此可确定轻型夯的最经济夯实厚度为1.0 m，即每填高1 m后采用轻型夯夯实补强能保证该深度范围的压实度满足质量要求。

5 夯点布置方式与压实度的关系

检测振动碾压结束后的原状压实度;选取7个夯点，分为紧密布置及等边三角形布置2种情形(图6)，采用轻型夯高挡依次对夯点进行7次夯实;对7个夯点依次进行压实度检测，其中等边三角形情形增加夯点中间的路基压实度检测;分析检测数据，结果见表5。

图6 夯点布置

表5 夯点布置方式不同的压实度检测结果 %

从压实度的检测结果可以看出，轻型夯夯击之后，紧密型夯点布置方式只有最后1个夯点压实度满足质量要求，其他3个夯点压实度相比原状压实度有所降低。主要原因是:高挡夯击能量作用下，夯击作用对邻近的路基有扰动，特别在浅层扰动明显(压实度检测也是浅层压实度检测)，深层扰动因时间关系未进一步研究。采用三角形布置方式，各夯点压实度较原状压实度均提高了2%以上，只是夯点中间的路基压实度有所减小，但减小的幅度较小，与原状压实度较为接近，即夯击对其扰动影响较小。综合分析得出，采用等边三角形的方式布置夯点最佳，夯点间距为轻型夯底座半径，不建议采用紧密型布置方式。

6 结语

当路基碾压结束后(碾压后的压实度为94.6%)，轻型夯采用高挡夯击7次后累积沉降量达到14 cm左右，此时压实度能保证在97%以上，达到以沉降量控制施工质量的目的。

采用轻型夯高挡夯击7次的工艺，可以保证路基1 m深度内的压实度提高2%～3%，满足施工质量要求;轻型夯的最经济夯实厚度为1．0 m，每填高1 m后采用轻型夯夯实补强能保证该深度范围的压实质量。

采用等边三角形的方式布置夯点最佳，夯点间距为轻型夯底座半径，此时夯点处的压实度均能满足要求，同时夯击对夯点间的路基扰动较小。

［1］ 刘 莉．采用液压夯实机补强高速公路台背路基施工参数的试验研究［J］．铁道建筑，2009(6):84-87．

［2］ 周 杰．浅谈高速公路桥头跳车的成因及防治［J］．公路交通科技，2010(Z1):100-103．

［3］ 张燕飞．快速液压夯实机结构设计和有限元分析［D］．西安:长安大学，2013．

［4］ 张秋香，谭玉荣，郑朝辉，等．弱碾压区冲压补强技术与液压夯实机［J］．建设机械技术与管理，2014(7):90-92．

［5］ 王良发，卿海园，蒋 为．HHT-3连续式强夯机在公路三背回填施工中的应用［J］．西部交通科技，2014(7):95-98．

［6］ 刘本学，郝 飞，张志峰，等．高速液压夯实机动力学模型试验［J］．长安大学学报:自然科学版，2009，29(1):95-98．

［7］ 张 成．1 t快速液压夯实机关键结构有限元分析及液压系统仿真［D］．西安:长安大学，2013．

［8］ 李 仁．高速液压强夯机在“三背”回填施工中的应用［J］．科技与企业，2015(9):118．

［9］ 冯忠绪，刘本学，赵 侃，等．高速液压夯实机(RHIC)夯实效果试验研究［J］．郑州大学学报:工学版，2007，28(1):56-59．

［10］ 司癸卯，张燕飞，张 成．快速液压夯实机在地基处理中的应用分析［J］．中国工程机械学报，2013，11(2):175-178．

［11］ 张伍民，翟卫军．承德市径流分析［J］．河北水利，2008(1):5-8．

［12］ 薛 飞．承德高新技术产业园区土地集约利用评价研究［D］．保定:河北农业大学，2012．

［13］ 陈 超．强夯加固回填土地基的三维数值分析［D］．杭州:浙江大学，2006．

［14］ 刘松凯．强夯动态模拟及性能监测研究［D］．大连:大连理工大学，2008．

［15］ 赵树青．桥头跳车病害防治技术研究［D］．济南:山东大学，2009．

［16］ 程 翀．三背填土施工质量的控制探讨［J］．科学之友，2009(11):52-53．

Rapid Hydraulic Tamping Technology for Subgrade at Special Location of Abutment and Culvert

SI Gui-mao，ZHAO Jian-cheng，SHAO Xian-tian ，CHEN Zhe，ZHANG Qi-long
(Key Laboratory for Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

In order to solve the problem of bump at the bridge-head，the relationship between the settlement of the backfill at the back of the abutment and culvert side，degree of compaction and the times of tamping，the relationship between the degree of compaction and the depth of subgrade，and the relationship between the degree of compaction and the arrangement of tamping points，were studied based on the field test conducted on the construction site of Zhangjiakou-Chengde expressway．The optimum construction parameters of the light hydraulic tamping machine were determined，and the test steps were provided for the reinforcement of backfill subgrade，which provides the basis for determining the optimum construction parameters for the relevant engineering practice and field test．

bump at bridge-head;degree of compaction;depth of subgrade;settlement of subgrade

U443．21

B

1000-033X(2017)09-0089-04

0 引 言

在高速公路的路基回填夯实中，分层碾压过多会使路面的工后沉降较大及路基承载力不足，甚至导致路堤边坡失稳;特别是在路基工程施工中的某些特殊地段，如桥台背路基，由于施工条件和夯实设备的限制，导致回填土难以压实，达不到施工要求的压实度，从而造成公路运行后出现桥头跳车、路面破损、沉降较大等各种现象［1］。轻型液压夯实机的出现为解决这些工程问题提供了设备保障，并且可以对不同作业位置进行夯实，对作业面进行单点或连续夯实，特别适于作业面狭窄的工地使用［2-6］。

本文依托张承高速公路，通过现场试验研究公路桥背涵侧回填路基沉降量、压实度与夯击次数的关系，压实度与路基深度的关系，以及压实度与夯点布置方式的关系，从而确定轻型液压夯实机与施工工艺的合理匹配，使公路桥背涵侧回填压实度和沉降量达到最佳，以解决公路修筑后出现的桥头跳车现象，保证公路的实用性和安全性。

2017-03-10

河北省交通运输厅科技计划项目(Y-2014052)

司癸卯(1963-)，男，安徽望江人，工学博士，副教授，研究方向为工程机械机电一体化。

［责任编辑:杜卫华］