砂土地基冲击碾压加固效果影响因素的试验研究

陈忠清，朱文韬，吕 越，黄 曼，李明东

(1.绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000;2.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江 绍兴 312000)

冲击碾压技术(Rolling Dynamic Compaction，RDC)源自南非，成形于20世纪80年代，主要利用冲击压路机的非圆形冲击轮在工作过程中快速滚动实现土体压实的目的[1-2]。作为一种浅层地基处理及路基填筑技术，冲击碾压具有施工效率高、成本低以及对环境影响较小等特点，已在公路工程、机场工程、铁路工程及港口码头工程等不同行业得到广泛应用[3]。澳大利亚于2007年将冲击碾压技术作为一种土方工程压实方法列入有关规范[4]，而我国在2012年也将其列入《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2012)[5]，作为一种压实地基的方法。

虽然冲击碾压技术在工程实践中应用很多，但高填方压实处理仍主要采用强夯等手段[6-7]，这与冲击碾压技术的加固机理及加固效果影响因素与影响规律尚不完全清楚，以及冲击碾压加固效果预测方法及施工质量实时控制方法尚不够完善密切相关[1,8]。目前冲击碾压技术的研究比较多的是利用现场试验手段对冲击碾压处理不同类型地基土的加固效果进行分析，比如研究了软土地基[9-10]、砂土地基[11-12]、粉土地基[13]及黄土地基[14-15]的冲击碾压处理效果。Avalle等[16]通过现场试验对四边形冲击轮在滚动冲击过程中冲击接触应力的分布形式进行了分析。Kim等[17]采用LS-DYNA软件对不同形状压实轮的加固效果进行了数值模拟，分析了压实轮形状及接触面积对地基土加固效果的影响；Kuo等[18]采用LS-DYNA软件进行了四边形冲击压路机加固尾矿填土的数值模拟，分析了不同冲击碾压遍数下土中密度和应力随深度的变化，以及泊松比等土性参数、冲击轮宽度和质量对冲击碾压加固效果的影响；Chen等[19]通过冲击碾压加固干砂的模型试验，初步探讨了冲击轮重量及外接圆尺寸、牵引速度对砂土冲击碾压加固效果的影响。可以看到，关于冲击碾压加固效果影响因素及影响规律的研究报道尚不多，现有的研究也尚不够充分。本文主要基于改进后的冲击碾压模拟试验系统，通过室内模型试验手段，针对冲击轮重量、冲击轮形状、牵引速度、土体的初始密实状态及冲击碾压(简称冲碾)遍数对冲击碾压加固效果的影响展开研究。

1 试验材料及仪器设备

1.1 试验材料

试验材料采用厦门ISO标准砂，其颗粒级配曲线如图1所示。该标准砂的最小干密度为1.69 g/cm3，最大干密度为1.88 g/cm3，相应的最大和最小孔隙比分别为0.57和0.41，土粒比重Gs为2.66，土中含水率w为0%(即为干砂)。

图1 标准砂颗粒级配曲线

1.2 仪器设备

(1)冲击碾压模拟试验系统(图2)。本试验系统保留了笔者原先研制的冲击碾压模拟试验设备的基本组成部分和功能[20]，但在满足式(1)和式(2)所示的模型试验相似性要求基础上，对设备的各个部分进行了改进。

Cm/(CρCl3)=1

(1)

(CvCt)/Cl=1

(2)

式中：Cm——质量相似常数；

Cρ——密度相似常数；

Cl——几何相似常数；

Cv——速度相似常数；

Ct——时间相似常数。

①模型箱内部尺寸为2 500 mm×550 mm×750 mm，两端承台尺寸为700 mm×660 mm，箱内设有隔板，可用于调整模型箱内部制样尺寸。

②模型冲击轮按1∶12设计(即几何相似常数Cl取12)，包括三边形、四边形及五边形三种形状，外接圆直径分别为192 mm、175 mm及175 mm，轮宽分别为75 mm、108 mm及75 mm，质量为4.13～7.91 kg(Cρ=1，由式(2)得Cm=Cl3=1 728)，内部配重采用与外轮廓形状相似的钢块(图3)。模型冲击轮通过轴承与缓冲装置连接。

③缓冲装置主要包括缓冲杆、升降螺纹杆及连接杆，其中缓冲杆内设缓冲弹簧，杆两端分别与模型冲击轮轮轴和连接杆相连，并可绕连接杆自由转动，而升降螺纹杆连接牵引主机和连接杆，并可调节缓冲杆的高度。

④牵引系统主要包括牵引主机(内含电机)、牵引轨道、导向杆及限位开关等，其中牵引主机用于提供牵引动力，可实现前后双向牵引，而限位开关用于快速自动切断电源，约束牵引主机的运动行程。

⑤试验系统控制箱可控制牵引主机的前后运行，具有调节牵引速度以及试验系统紧急制动功能。

图2 冲击碾压模拟试验设备

图3 模型冲击轮形状及内部结构

图4 试验系统缓冲装置

(2)小型单桥静力触探仪。探头锥底直径为25.2 mm，锥头截面积为5 cm2，有效侧壁面积10.3 cm2，测试范围0～30 MPa，测试精度≤0.5%F.S.。用于对不同冲击碾压遍数下砂土试样的冲击碾压效果进行检测。

2 试验方案及试验过程

2.1 试验方案

采用正交设计的试验分组方法，展开不同因素对砂土地基冲击碾压加固效果的影响研究。选定的四个影响因素分别为单轮冲击轮重量(W)、冲击轮形状(S)、牵引速度(V)以及土体的初始相对密实度(Dr)，每个因素采用三个水平来衡量。正交因素-水平表为L9(34)，并基于模型试验相似性分析确定因素水平，如表1所示。

表1 冲击碾压加固效果影响因素及其水平

注：根据相似性分析，4.21 kg、6.25 kg及7.74 kg分别相当于原型的7.3 t、10.8 t及13.4 t，而0.4 m/s、0.7 m/s及1.0 m/s分别相当于原型的5 km/h、9 km/h及12 km/h。

2.2 试验过程

采用分层压实法在模型箱中制备砂土试样，以50 mm为一层，并按干密度控制要求计算每层砂土所需质量。每组试验开始前，先在非冲碾区域处进行一次静力触探试验(CPT)，以获取该组试验的初始CPT数据，然后分别在完成第3遍、6遍、9遍及12遍冲碾后，在不同冲击区域进行CPT测试(图5)，其中相邻两次冲击区域的间隔(L)一般为190 mm。试验中CPT测试深度为40 cm(对应的原型深度为4.8 m)，从距离砂土试样初始表面6 cm处开始贯入(该深度为CPT探头所处的初始位置)。

图5 冲击位置及CPT测试点示意图

为避免冲击轮在砂土表面滚动时发生打滑以及拖拽砂土颗粒，试验过程中提前在砂土试样表面铺设一层3 mm厚的橡胶。Rajarathnam等[21]研究表明3 mm厚的橡胶垫层可以有效地传递冲击轮滚动产生的冲击能量。

3 试验结果分析

采用不同冲碾遍数时相对于冲碾前的比贯入阻力增长率来反映砂土的冲击碾压加固效果，如式(3)所示。

(3)

式中：Ps(n)——冲碾n遍时的比贯入阻力/kPa；

Ps(0)——冲碾0遍时(即冲碾前)的比贯入阻力/kPa；

R(n,0)——冲碾n遍时相对于冲碾前的比贯入阻力增长率。

3.1 方差分析

采用方差法判断各个因素水平变化对冲击碾压加固效果的影响程度，得到40 cm深度范围内比贯入阻力加权平均值方差计算结果(表2)。可以看出：不同冲碾遍数下，冲击轮重量因素对砂土地基冲击碾压加固效果的影响贡献率最大，平均为63%；土体初始相对密实度对砂土地基冲击碾压加固效果的平均影响贡献率为24%；冲击轮形状和牵引速度对砂土地基的冲碾加固效果的平均影响贡献率分别为9%和4%。

由此可得，冲击轮重量对砂土地基冲击碾压加固效果的影响起主要作用，其次为土体初始密实状态的影响，冲击轮形状和牵引速度对砂土地基冲碾加固效果的影响相对较小。

3.2 冲击轮重量对冲击碾压加固效果的影响

重量不同的冲击轮在完成不同冲碾遍数下的比贯入阻力值相对于土体初始状态时的增长率随深度变化情况如图6所示。可以看到：(1)在40 cm的试验深度范围内，R值随着冲击轮重量增加明显增大；(2)总体上，4.21 kg时的R值随深度增加而减小，而6.25 kg和7.74 kg时的R值随深度增加表现为先增大后减小，其中20～30 cm深度范围的增长率是4.21 kg时的4～6倍；(3)在40 cm的试验深度范围内，R值随着冲碾遍数增加而增大，其中当冲碾遍数达到12遍时，浅层20 cm深度范围内的R值明显增大。

表2 40 cm深度范围内加权平均值方差分析结果

图6 不同冲击轮重量下R随深度的变化

由此可得：(1)冲击轮重量越大，冲碾遍数越多砂土地基的冲碾加固效果越好，当冲击轮重量增加48%～84%时，砂土地基中4.8 m深度范围内的平均冲碾加固效果可以增长18.2%～29.46%；(2)不同的冲击轮重量对砂土地基冲碾加固效果的影响规律不完全相同，表现为：当冲击轮重量大于10 t时2.4～3.6 m深度范围的冲碾加固效果最好，而当冲击轮重量在7 t左右时浅层2.4 m深度范围的冲碾加固效果最好。

3.3 冲击轮形状对冲碾加固效果的影响

不同形状的冲击轮在完成不同冲碾遍数下的比贯入阻力相对于土体初始状态时的增长率在不同深度处的变化情况如图7所示。可以看到：(1)在40 cm的试验深度范围内，三边形冲击轮的R值明显大于四边形和五边形冲击轮，而四边形和五边形冲击轮的R值较为接近；(2)当冲碾遍数小于12遍时，不同冲击轮形状下的R值随深度表现为先增大后减小，均在20～30 cm深度范围内达到最大值；(3)当冲碾遍数达到12遍时，浅层20 cm深度范围内的R值明显增大，使R值随深度表现为先减小后增大再减小。

由此可得：(1)三边形冲击轮对砂土地基的冲碾加固效果明显优于四边形和五边形冲击轮，后两者的加固效果接近；(2)砂土地基中2.4～3.6 m深度范围的冲碾加固效果最明显，随着冲碾遍数的增加，尤其当冲碾遍数达到12遍时浅层2.4 m深度范围的加固效果得到明显增长。

图7 不同冲击轮形状下R随深度的变化

3.4 牵引速度对冲碾加固效果的影响

不同牵引速度的冲击轮在完成不同冲碾遍数下的比贯入阻力相对于土体初始状态时的增长率在不同深度处的变化情况如图8所示。可以看到：(1)总体上，在40 cm深度范围内R值随着牵引速度增加而增大，其中1 m/s时的R值明显较大；(2)当冲碾遍数小于12遍时，不同牵引速度下的R值随深度表现为先增大后减小，均在20～30 cm深度范围内达到最大值；(3)当冲碾遍数达到12遍时，浅层20 cm深度范围内的R值明显增大；(4)不同冲碾遍数下(超过3遍时)，0.7 m/s对应的R值在浅层12 cm深度范围内表现为最大。

由此可得：(1)牵引速度在12 km/h范围内时，砂土地基的冲碾加固效果随牵引速度的增加而增长，但浅层1.4 m左右深度范围的砂土地基在9 km/h时的加固效果最好；(2)不同冲碾遍数下砂土地基中2.4～3.6 m深度范围的冲碾加固效果最明显，且随着冲碾遍数的增加，浅层2.4 m深度范围的加固效果得到明显增长。

图8 不同牵引速度R随深度的变化

3.5 土体初始密实状态对冲碾加固效果的影响

初始相对密实度不同的土体在完成不同冲碾遍数下的比贯入阻力相对于土体初始状态时的增长率在不同深度处的变化情况如图9所示。可以看到：(1)不同冲碾遍数下，密实度较小的砂土地基中R值明显较大，且均在20～30 cm深度范围内达到最大值；(2)当冲碾遍数达到12遍时，浅层20 cm深度范围内的R值明显增大。

由此可得：(1)砂土地基的初始密实度较小时冲碾加固效果较好，且2.4～3.6 m深度范围内的冲碾加固效果最明显；(2)随着冲碾遍数的增加，尤其是达到12遍时，浅层2.4 m深度范围的冲碾加固效果得到明显增长。

3.6 讨论

从冲击碾压加固地基过程的能量分析来看，传递给地基土的冲击能量主要有冲击轮的重力势能E1和转动动能E2，如式(4)和式(5)所示。

E1=Mgh

(4)

(5)

式中：M——冲击轮的质量/kg；

h——冲击轮重心的落距/m；

J0——绕冲击轮轮轴的转动惯量/kg·m2；

ω1——冲击轮重心位于最高点时的转动角速度/(rad·s-1)；

ω2——冲击轮重心位于最低点时的转动角速度/(rad·s-1)。

不难看出，冲击轮重量与E1和E2密切相关，直接影响M和J0的大小；冲击轮形状也与E1和E2有关，在一定程度上影响h和J0的大小；牵引速度则仅与E2有关，影响ω1和ω2的大小。因此，冲击轮重量、冲击轮形状及牵引速度对砂土地基冲击碾压加固效果的影响与冲击能量的传递直接相关。

另外，冲击碾压遍数是影响加固效果的重要现场施工因素，如本研究所得，砂性土地基的冲碾加固效果通常随着冲碾遍数增加而增长。但是受场地条件(如土性、地下水位等)及冲击能量等因素制约，地基加固过程中往往存在最佳冲碾遍数，一般需要通过现场试验来确定。

4 结论

(1)冲击轮重量对砂土地基冲击碾压加固效果的影响起主要作用，冲击轮重量增加48%～84%时，4.8 m深度范围的平均冲碾加固效果可以增长18.20%～29.46%，且不同的冲击轮重量对砂土地基冲碾加固效果的影响规律不完全相同，其中冲击轮重量(单轮质量)在7 t左右时浅层2.4 m深度范围的冲碾加固效果最好，而大于10 t时2.4～3.6 m深度范围的冲碾加固效果最明显。

(2)土体初始密实状态、冲击轮形状和牵引速度对砂土地基冲碾加固效果的影响相对较小，其中初始密实度较小时(即松散至中密砂土)冲碾加固效果较好；三边形冲击轮的冲碾加固效果明显优于四边形和五边形冲击轮；而牵引速度在12 km/h范围内时，砂土地基的冲碾加固效果随牵引速度的增加而增长，并在9 km/h时表现出浅表层1.4 m左右深度的砂土有较好的冲碾加固效果，宜作为冲碾施工后期的牵引速度。

(3)不同影响因素条件下，2.4～3.6 m深度范围的砂土地基冲碾加固效果最明显，随着冲碾遍数的增加，浅层2.4 m深度范围的加固效果得到明显增长。