沖擊碾壓施工對(duì)路基壓實(shí)效果試驗(yàn)分析研究

王慧鑫

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 概述

高填方路基的填方工程量大、工藝復(fù)雜，在長期使用過程中，隨著時(shí)間的推移與行車重復(fù)荷載的作用，經(jīng)常出現(xiàn)路基整體或局部沉降、縱橫向開裂、路基滑動(dòng)或邊坡滑坍等病害，并且難以治理[1]。為減小路基竣工后沉降及不均勻沉降，提高路基的整體強(qiáng)度，目前廣泛采用的方法是對(duì)碾壓成型的采用沖擊碾壓或強(qiáng)夯進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)壓實(shí)，而長度大于100 m的高填方路基常使用沖擊碾壓進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，其優(yōu)點(diǎn)為對(duì)表層處理效果顯著，速度快，作業(yè)效率高。

2 路基沖擊碾壓施工的補(bǔ)強(qiáng)壓實(shí)試驗(yàn)方法

某項(xiàng)目設(shè)計(jì)對(duì)于長度不小于100 m的高路堤路段，在地面以上每隔2 m分別采用30 kJ沖擊式壓路機(jī)進(jìn)行補(bǔ)壓，碾壓遍數(shù)為20遍。但沖擊碾壓工藝參數(shù)依賴于普遍性原則，有必要通過試驗(yàn)，對(duì)沖擊壓路機(jī)對(duì)高填方路基的沖擊壓實(shí)效果進(jìn)行研究，通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析，用以指導(dǎo)高填路基沖擊碾壓施工及參數(shù)調(diào)整。

本次試驗(yàn)選取2段長度大于100 m的高填方路段，在進(jìn)行沖擊碾壓時(shí)分別在5遍、10遍、15遍、20遍測(cè)定碾壓頂面不同碾壓遍數(shù)的壓實(shí)度變化。同時(shí)為了解深部土層的壓實(shí)效果，另選取一段高填方路段，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備挖掘機(jī)一臺(tái)，對(duì)0遍及20遍時(shí)的碾壓遍數(shù)，隨機(jī)開挖一個(gè)試坑，測(cè)定填筑層表面、下挖50 cm、100 cm處路基密實(shí)度，了解沖擊碾壓對(duì)填筑層不同深度的壓實(shí)效果。

為了有效完成數(shù)據(jù)的采集工作，根據(jù)高填方段現(xiàn)場(chǎng)情況、施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)情況選擇合適的試驗(yàn)場(chǎng)地，為加快試驗(yàn)進(jìn)度，減少對(duì)路基施工的影響，使用灌砂法及環(huán)刀法結(jié)合相互驗(yàn)證的方法進(jìn)行壓實(shí)度的快速檢測(cè)，確保數(shù)據(jù)采集的快速性和準(zhǔn)確性。

圖1 使用環(huán)刀法進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)

圖2 使用灌砂法進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)

圖3 對(duì)不同深度土層壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 沖擊碾壓對(duì)填筑層表面壓實(shí)效果分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采集的土樣進(jìn)行烘干后求得的填筑材料的含水率，可得到選取路段在不同碾壓遍數(shù)時(shí)，在選取的一片區(qū)域內(nèi)路基填筑層表面的壓實(shí)度變化情況，其數(shù)據(jù)見表 1、表 2。

表1 第1段高填方路基沖擊碾壓不同遍數(shù)壓實(shí)度計(jì)算表

圖4 第1段高填方路基沖擊碾壓不同遍數(shù)壓實(shí)度折線圖

表2 第2段高填方路基沖擊碾壓不同遍數(shù)壓實(shí)度計(jì)算表

圖5 第2段高填方路基沖擊碾壓不同遍數(shù)壓實(shí)度折線圖

從圖4和圖5中可以看出，進(jìn)行試驗(yàn)的兩段高填方路基在經(jīng)過沖擊碾壓后，前5遍壓實(shí)度并沒有明顯的變化，反而因沖擊壓路機(jī)對(duì)表層的破壞作用，導(dǎo)致表層的壓實(shí)度稍有降低，降低的幅度不到1%。第1段高填方路基碾壓前的壓實(shí)度已經(jīng)達(dá)到95%以上，進(jìn)行沖擊碾壓5遍后的壓實(shí)度開始逐步上升，每增加5遍，約提高壓實(shí)度0.5%～0.7%，碾壓20遍后，壓實(shí)度共提高約2%。第2段高填方路基碾壓前的壓實(shí)度為93%，進(jìn)行沖擊碾壓5遍后的壓實(shí)度開始逐步上升，其中第10遍與第15遍增加幅度較小，約提高0.3%，碾壓20遍后，壓實(shí)度共提高約3.6%。從以上數(shù)據(jù)分析可以看出，沖擊碾壓20遍對(duì)路基填筑層壓實(shí)度的提高效果非常明顯。

3.2 沖擊碾壓對(duì)填筑層深部沖擊壓實(shí)效果

根據(jù)有效壓實(shí)深度的概念，假設(shè)當(dāng)使用振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)路基時(shí)，對(duì)應(yīng)路基應(yīng)力為бh2，使用沖擊壓實(shí)機(jī)時(shí)對(duì)應(yīng)路基應(yīng)力為 бh1，當(dāng) бh1=бh2時(shí)，沖擊壓實(shí)深度h1即為有效壓實(shí)深度。

依據(jù)《沖擊壓實(shí)路基有效壓實(shí)深度試驗(yàn)研究》中有效壓實(shí)深度的求取方法，假設(shè)在路基成型前，采用XS263（最大激振力P2=410 kN）碾壓，層厚為h2=30 cm，碾壓達(dá)到預(yù)定壓實(shí)度后，使用30 kJ三邊沖擊壓實(shí)機(jī)（最大激振力為P1=3000 kN）加固，求此時(shí)沖擊壓實(shí)的有效影響（加固）深度h1[2]。

30 kJ沖擊壓實(shí)機(jī)在深度h1處應(yīng)力為：

XS263型壓路機(jī)在深度h2處應(yīng)力為：

式中：K=0.4775為一常數(shù)；h2為使用振動(dòng)壓路機(jī)時(shí)壓實(shí)層厚；h1為有效壓實(shí)深度；只有應(yīng)力бh1≥бh2時(shí)才會(huì)產(chǎn)生加固效果，通過бh1=бh2，可計(jì)算出h1最大深度為81 cm。

對(duì)0遍及20遍時(shí)的碾壓遍數(shù)，開挖試坑測(cè)定填筑層表面、下挖50 cm、100 cm處路基密實(shí)度數(shù)據(jù)見表3。

表3 第3段高填方路基沖擊碾壓前后檢測(cè)不同深度壓實(shí)度計(jì)算表

圖6 第3段高填方路基沖擊碾壓前后檢測(cè)不同深度壓實(shí)度折線圖

從圖6中可以看出，路基填筑層沖擊碾壓補(bǔ)強(qiáng)20遍后1 m范圍內(nèi)的路基土層的壓實(shí)度有了較大幅度的提高，其中0.5 m處的壓實(shí)度提高最大，提高約2.7%，1 m處的壓實(shí)度僅提高0.1%，與理論計(jì)算0.81 m差別不大，可見在工地現(xiàn)場(chǎng)使用26 t振動(dòng)壓路機(jī)、30 kJ沖擊壓路機(jī)，路基松鋪厚度30 cm的情況下，沖擊碾壓20遍的有效深度為0.8～1 m左右。

4 結(jié)語

a）路基在經(jīng)過沖擊碾壓補(bǔ)壓后，前5遍填筑層表面的壓實(shí)度沒有明顯的變化，5遍以后繼續(xù)沖擊碾壓，表面的壓實(shí)度開始逐步上升，碾壓20遍后，填筑層表面的壓實(shí)度有明顯的提高，但填筑層表面碾壓前如壓實(shí)度較高，沖擊碾壓后壓實(shí)度提高的幅度則相應(yīng)地減小。沖擊碾壓對(duì)填筑層深部的壓實(shí)度也有明顯的提高，但在使用26 t振動(dòng)壓路機(jī)、30 kJ沖擊壓路機(jī)，路基松鋪厚度30 cm的情況下，沖擊碾壓20遍的有效深度為1 m左右，其中0.5 m處的壓實(shí)度提高最大。

b）通過沖擊式壓路機(jī)的沖擊碾壓，能有效減少公路路基的工后沉降量，大大改善因不均勻沉降而形成的道路病害，提高路基的整體強(qiáng)度和均勻性，對(duì)于消除路基的內(nèi)部缺陷、提高施工質(zhì)量等具有顯著的效果；同時(shí)對(duì)于保證道路的使用質(zhì)量及延長道路使用年限具有重要的作用。

c）試驗(yàn)項(xiàng)目現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)定對(duì)高路堤路段每隔2 m采用30 kJ沖擊式壓路機(jī)進(jìn)行補(bǔ)壓是不合理的，應(yīng)調(diào)整為每1 m采用30 kJ沖擊式壓路機(jī)進(jìn)行補(bǔ)壓，碾壓遍數(shù)為20遍。

d）沖擊壓路機(jī)的技術(shù)特性不是采用現(xiàn)有壓路機(jī)壓半輪或部分重疊碾壓的施工方法，而是以沖擊力向土體深層擴(kuò)散分布的性狀，在填筑材料土質(zhì)不同的情況下，沖擊碾壓對(duì)路基的壓實(shí)效果也不同，因此在實(shí)際的施工中，應(yīng)對(duì)沖擊碾壓的工藝進(jìn)行試驗(yàn)，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用以指導(dǎo)高填路基沖擊碾壓施工及參數(shù)調(diào)整。