冲击碾压技术在处理砂土地基中的应用分析

谷亮

韶关市城乡规划市政设计研究院 广东 韶关 512000

引言

我国于19世纪90年代引入冲击碾压技术，由于其效能高、工期快、造价低的技术特点，近年来已广泛应用于各种不良地质的处理及压实。冲击碾压作用机理是滚轮下落的重力势能与抬升过程中轮部边缘产生的挤压作用结合，通过不断的冲击及挤压达到加固效果。目前国际及国内主流冲击压路机类型为三角形，冲击能量为25KJ为主，其余还有四边形及五边形，冲击能量以20KJ、15KJ为主。从近些年已实施工程实例来看，不同型号及类型的冲击压路机有其各自优缺点及适用范围。三边形双轮冲击压路机冲击量能最大，适合于路基冲压及软基处理，对路基承载力及压实度提高作用十分明显[1]。根据实验数据分析，25KJ三角形冲击压路机处理深度约为150cm。

1 工程概况

项目位于韶关市某工业园区外围，是园区内的主要通道，道路等级为次干路，红线宽度25m，双向四车道。项目紧邻河畔，地下水位较高，距地表深度约1.2m。据区域地质资料和钻探揭露，表层地基为粉质砂土，厚度约3～5m，颗粒呈松散状，分布不连续，该土层做标贯试验6次：修正击数范围值N=7.1～9.3击、平均值N=8.5击、标准差0.797、变异系数0.094、统计修正系数0.923、标准值N=7.8击，土的承载力低，工程性能较差。未经处理不能作为拟建道路基础持力层，地基承载力特征值在80～100Kpa之间，该土层多易于开挖，自稳性差；底层地基为圆砾，厚度约5～7m，颗粒呈密实状，分布连续，圆砾层的重型圆锥动力触探试验参与统计数据106个，修正击数范围值N63.5=2.6～12.7击，平均值N63.5=6.2击，标准差2.658，变异系数0.427，统计修正系数0.929，标准值N63.5=5.8击。土的承载力中等，压缩性低，通常可以直接作为道路持力层，地基承载力特征值约200Kpa。

表1 地基土层物理力学指标

为保证工程方案科学合理，应从工程投资、处理效果、施工工期、对环境影响等方面进行综合考虑，拟定适宜的方案。目前地基处理常用方法主要有：换填垫层法、堆载预压法、水泥搅拌桩、强夯法、冲击碾压等。各种地基处理方法优缺点及适用范围见下表：

表2 地基处理方法比较表

本项目施工工期紧，不适宜采用堆载预压法。加之项目周边村落较多，强夯法对周边建筑及居民均有影响，同时由于砂土地基深度超过3m，本着经济适用的原则，拟定采用经济性更好的冲击碾压法处理地基[2]。

2 工程方案

发展至今冲击碾压技术虽然已比较成熟，但不同地区的土质，设备型号，外部环境、施工工艺及质量控制等也不相同，为保证碾压工艺具有针对性及适用性，正式施工前应通过实验段进行数据采集，通过分析研究，制定适宜的碾压方案。

本项目试验段位于道路起点附近，具体桩号里程为DK0+20～DK0+220，长200m，宽30m。实验段的目的是为了确定适合的冲击碾压设备型号、施工工艺、检测方法及质量控制标准。试验段内容主要包括检测项目及碾压遍数，其中必做检测项目包括沉降量、压实度及贯入值，选做项目包括土的物理力学参数及承载力，本次项目土的物理力学参数参照勘察报告，并选做地基承载力实验，碾压遍数则根据沉降量进行控制。

2.1 降水系统

由于项目区域毗邻水域，地下水位较高，根据地质情况及现状地貌，拟定采用井点降水法进行降水，降水系统由管井、潜水泵、出水管、排水总管、地面排水系统等组成，通过降低地下水位高度，减少孔隙水压力，提升冲击碾压效果。降水井点布置在碾压区域两侧，间距15m，深度为6.5m，同时在两侧布置水位观测井，用于监测地下水位的变化情况，间距50m，深度5m。

2.2 监测系统

沉降量是确定碾压效果的主要指标，清表后铺筑30cm厚碎石层，并在表面间隔30m埋设用于监测地表沉降的沉降钉，为方便观察沉降钉可系上彩色布条进行标示，检测点样本个数不小于20个[3]。

图1 降水及检测系统布置图

2.3 碾压方案

砂土在振动荷载作用下会出现液化现象，主要是因为在外力作用下土颗粒被挤密压实，颗粒间孔隙减小，存在与土体内部的孔隙水来不及消散，孔隙水压力急剧升高，土体抗剪能力降低甚至消失，土体由固体向液态转换，地基承载力大幅下降。因此，碾压过程中的关键是控制孔隙水压力，通过降低土体含水量来降低孔隙水压力。

设计采用三角形冲击压路机，冲击能量为25KJ，处理范围路堤段为坡脚外1m，路堑段为坡脚，冲击碾压速度控制在10～12km/h。冲击碾压前应调查清楚施工范围内的地下管线及构造物，如无法迁移应根据构造物特点控制适宜的保护距离和制定相应的保护方案，对特殊困难路段可通过降低行驶速率并增加碾压遍数的进行处理。为降低土体含水率，首先开启管井降水系统，将地下水抽至两侧排水沟引入现状水系，通过水位监测井观察水位，待地下水位降至地表以下4m时，方可进行冲击碾压，碾压过程中随着冲击荷载的作用，地下水位会逐渐上升，应注意观测地下水位高度。当地下水位距离地表高度接近1.5m时，暂停冲击碾压，待地下水位降低，孔隙水压力消散后再恢复冲击碾压。

碾压遍数应根据地表沉降量来控制，通常不少于20遍，冲击碾压前应进行标高、贯入值及压实度测量，其后每5次碾压进行一次标高测量，每10次碾压进行一次贯入值及压实度测量。最后5遍沉降量10mm方可结束碾压。冲击碾压达到设计碾压遍数后应检测地基承载力及压实度检测，根据项目特点及相关规范要求，处理后地基承力应不小于120Kpa，1.2m深度范围内砂土的压实度不低于92%，如不满足要求，应进行补压补测，直至检测结果合格[4]。

2.4 检测结果

地表沉降量应按要求及时记录，测量仪器可采用水准仪测定，测量精度≤1mm，测量结果如下图所示：

图2 沉降量与碾压次数对应图

地基承载力检验通过静载荷试验并结合标准贯入试验结果进行综合判定。贯入值采用动力圆锥贯入仪（DCP）进行检测，检测点数不少于6个。压实度采用挖坑灌砂法进行检测，检测点数不少于4个，检测结果见下表：

表3 冲击碾压遍数与压实度关系表

表4 冲击碾压遍数与贯入值（DN）关系表

表5 地基土承载力处理前后对比表

由实验结果可知，冲击碾压法处理砂土地基效果显著，在最后5遍冲击碾压完成后，地表沉降已不足1cm，达到了地基土加固目的。实验段经过冲击碾压后，地基承载力大于120Kpa，压实度大于92%，相关参数指标均能满足设计要求[5]。

3 结束语

目前项目已竣工通过，运营期间道路沉降满足规范及使用要求。因此，采用合理的冲击碾压施工工艺处理砂土地基是可行的，可以显著提高路基承载力及压实度。其中控制地下水位高度及孔隙水压力是关键，井点降水法能够有效降低土层含水量，消散空隙水压力，保证冲击碾压处理效果。