基于沖擊碾壓技術(shù)的黃土路基試驗研究

任新濤，趙占成

（1.西安國際陸港市政配套公司，陜西 西安 710000；2.山西交通控股集團有限公司 臨汾南高速公路分公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

為了更好地建設(shè)我國西部、帶動西部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，21世紀(jì)初我國明確提出了西部大開發(fā)這一戰(zhàn)略。在政策的落實過程中，首當(dāng)其沖的是基礎(chǔ)建設(shè)與交通發(fā)展。鑒于我國西部地區(qū)黃土分布較為廣且土質(zhì)較差，在這種地區(qū)高速公路路基碾壓方法和施工工藝的合理選擇對于保證施工質(zhì)量、提高施工效率具有非常重要的意義[1-3]。

目前黃土路基加固常用的方法有靜力碾壓法、振動碾壓法和沖擊碾壓法。靜力碾壓法需依據(jù)平行施工作業(yè)法應(yīng)嚴(yán)格分層填土、碾壓，導(dǎo)致工作量大、工期冗長，且加固深度直接限制了它的應(yīng)用推廣；振動碾壓法具有加固效果好、深度大的振動壓實法，卻因為振動影響、土石飛濺等原因限制其發(fā)展；沖擊碾壓技術(shù)作為一種新型的淺地表層基礎(chǔ)加固技術(shù)，逐漸在公路、機場、港口等工程軟基中得到了應(yīng)用，但由于這一新工藝的理論研究較少，到目前為止還沒有形成一套完整的技術(shù)經(jīng)濟評價體系[4-7]。

綜上所述，黃土路基在公路工程的建設(shè)、運營養(yǎng)護中具有重要作用，故合理選擇黃土地區(qū)路的基壓方法，深入了解施工工藝特點，合理處理、解決黃土地區(qū)公路建設(shè)中的黃土病害，對減少工程質(zhì)量事故、后期病害均具有重要意義。

1 黃土路基壓實的室內(nèi)模型試驗研究

由于黃土路基地質(zhì)條件的原因，在對其進行路基壓實時，其內(nèi)部在外力作用下受力十分復(fù)雜，僅僅依靠目前的理論分析很難對其進行準(zhǔn)確的判斷；由于施工場地鋪筑的試驗路段樣本量較少，很難對整個施工路段的地質(zhì)條件及黃土路基的受力性能進行預(yù)判，因此理論分析和試驗段都具有其弊端。相比之下，依托長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，模型試驗具有理論分析法和鋪筑試驗路無法比擬的優(yōu)勢：模型試驗的試件可以根據(jù)施工現(xiàn)場的實際地質(zhì)情況進行模擬的，與實體原型較為接近；模型試驗由于經(jīng)濟性能較好，并且試件可以重復(fù)利用，因此可以獲得黃土路基在不同的壓實條件下的受力性能，通過變參分析，對參數(shù)進行優(yōu)化，從而可以對現(xiàn)場施工進行更合理的指導(dǎo)[8-12]。

1.1 模型試驗概況

本文的模型試驗在長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室中進行，試驗場地為長108 m、寬7 m、深2 m的大土槽，如圖1所示。

圖1 長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室

為了保證試驗的高效與精確，該實驗室中安裝了起重量為10 t的龍門吊，從而在試驗過程中可以方便地搬運壓路機，其中龍門吊的最大提升高度為4.6 m。實驗室土槽中的試件采用的黃土填料來自某高速施工現(xiàn)場的取土場。該取土場典型土體的基本參數(shù)如表1所示。

表1 土體基本參數(shù)指標(biāo)

分別采用靜力碾壓法、振動壓實法以及沖擊碾壓法進行了壓實對比試驗。本文通過預(yù)先在試驗土體相應(yīng)測點埋設(shè)壓力盒，在不同的碾壓工況下對土體內(nèi)部的壓應(yīng)力進行監(jiān)測，同時在碾壓試驗結(jié)束后，對距離土體表面不同深度的土體進行壓實度的測量。

為了保證試驗數(shù)據(jù)的合理性及可對比性，本文在試驗過程中，針對試驗條件進行了歸一化處理：靜力碾壓法、振動壓實法以及沖擊碾壓法3種方案選擇滾輪尺寸相同的壓路機進行壓實，其中滾輪直徑為450 mm，輪寬為500 mm，工作重量384 kg，靜線壓力q=7.7 N/mm，振動頻率29 Hz，振幅0.45 mm，激振力的大小為3 kN，沖擊能量為42.4 J，在壓實過程中保持勻速，速度為1 km/h，試驗時的試驗路段長12 m，同時，為了保證壓實效果選擇在最佳含水量的狀態(tài)下進行試驗。

1.2 壓實方法對比及選擇

1.2.1 3種壓實方式下壓實度隨深度的變化規(guī)律

靜力碾壓法、振動壓實法以及沖擊碾壓法3種不同工況條件下，壓實度隨距離土體表面深度的變化規(guī)律如圖2所示。

不同壓實方式下壓實度隨深度的變化規(guī)律并不一致。從圖2可以看出：靜力碾壓對于距離土體表面15 cm深度處作用明顯，而對距離土體表面15 cm深度以下壓實度變化趨勢逐漸減??；對于振動碾壓法來說，25 cm深度內(nèi)作用明顯，25 cm深度對應(yīng)壓實度為79.3%，25 cm深度以下壓實度急劇減小，壓實效果減弱；沖擊碾壓法對應(yīng)距離土體表面35 cm土體壓實度為78.2%，而靜力碾壓法和振動碾壓法分別僅為67.3%和72.6%。通過對比可知，在保證壓實深度一致的前提下，沖擊碾壓法的壓實效果要比靜力碾壓法和振動碾壓法都更加明顯。

1.2.2 3種壓實方式下壓應(yīng)力變化規(guī)律

靜力碾壓法、振動壓實法以及沖擊碾壓法3種不同工況條件下，壓應(yīng)力隨碾壓遍數(shù)變化規(guī)律如圖3所示。

圖2 3種壓實方式下壓實度沿深度變化規(guī)律

圖3 3種壓實方式下壓應(yīng)力變化規(guī)律

圖3為距離試驗土體表面15 cm深度處土體的壓應(yīng)力隨碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律。從圖3可以看出，3種壓實方法作用下，土體內(nèi)部的壓應(yīng)力隨著碾壓遍數(shù)的增加均增大，但增加的速率與選擇的方法有很大的關(guān)系，黃土路基首次碾壓時，采用沖擊碾壓法對應(yīng)的壓應(yīng)力值為2.2 kg/cm2，靜力碾壓法和振動碾壓法分別為2.0 kg/cm2和1.4 kg/cm2；黃土路基碾壓第12遍時沖擊碾壓法、靜力碾壓法和振動碾壓法分別為 4.2 kg/cm2、2.6 kg/cm2和1.7 kg/cm2，其壓應(yīng)力增長率分別為0.182 kg/（cm2·次）、0.055 kg/（cm2·次）和0.027 kg/（cm2·次）。通過對比可知，在碾壓遍數(shù)相同的前提下，沖擊碾壓法的壓實效果要優(yōu)于振動壓實法和靜力碾壓法。

結(jié)合壓實度和壓應(yīng)力的對比結(jié)果可知，沖擊碾壓法在壓實度和壓應(yīng)力等壓實效果方面要優(yōu)于靜力碾壓法和振動壓實法；同時，在施工效率、施工成本以及操作性等方面沖擊碾壓法更具有自身優(yōu)勢。因此對于黃土路基優(yōu)先選用沖擊碾壓法進行壓實施工。

2 沖擊碾壓法現(xiàn)場試驗研究

2.1 試驗段概況

陜西省西漢高速公路是陜西境內(nèi)“米”字形狀的公路骨架中很重要的一部分，也是陜西省內(nèi)的一重要路段。該路段的建成對發(fā)揮道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)模效益及“五縱七橫”的國道主干線系統(tǒng)會有很明顯的經(jīng)濟及實用意義。該路段按照平原區(qū)的高速公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，設(shè)計車道為雙向四車道，設(shè)計車速為120 km/h，道路總長度為92 269 m，路基的寬度為28 m。整條線路上路基多數(shù)為填方，中間只有少數(shù)為挖方。

2.2 試驗方案

a）對試驗路段范圍內(nèi)的道路底基層實施碾壓。K171+690—K172+530段和 K174+178—K175+280段為高填方段。碾壓過程中每填0.8 m或1 m，通過壓實路基使得壓實度達到要求，然后用沖擊壓路機再次對路基補壓，以保證碾壓過程中路基的穩(wěn)定性。

b）在對路基進行碾壓前，需要通過撒灰方式對壓實的路線進行布置，布置原則要滿足壓路機行走原則和路基寬度要求。現(xiàn)場撒灰布線如圖4所示。

圖4 沖擊碾壓現(xiàn)場撒灰布線圖

c）在緩區(qū)范圍內(nèi)，要用牽引車拖著沖擊碾前進，要保證機械前進的速度大于等于12 km/h。碾壓時每次在縱向上錯開1/6的車輪距，一共碾壓6次。然后再在橫向上錯開，橫向上的車輪應(yīng)重合20～30 cm范圍內(nèi)，這是一個周期。沖擊碾壓行走路線參考圖5。

圖5 沖擊碾壓行走路線示意圖

2.3 主要試驗結(jié)果及分析

沖擊碾壓路段時，要時刻觀測沉降量大小，并且進行動力觸探。而當(dāng)沖擊碾壓結(jié)束時，需要進行開挖試坑驗算，分別在2.00 m、1.50 m、1.00 m及0.50 m等不同深度的地方取樣，對不同深度的樣品檢測其壓實度、濕陷系數(shù)、孔隙比、沉降量和壓縮模量。

2.3.1 孔隙比

圖6 不同深度孔隙比隨碾壓遍數(shù)變化圖

孔隙比是用來描述土體緊密度的一個重要指標(biāo)。從圖6中可以看出，碾壓遍數(shù)和土體深度是影響沖擊碾壓法土體孔隙率的兩個重要指標(biāo)。當(dāng)未進行沖擊碾壓時，50 cm、100 cm、150 cm和200 cm深度土體的孔隙率分別為0.82、0.83、1.01和0.79，當(dāng)碾壓遍數(shù)為40時其不同深度土體孔隙率分別為0.72、0.39、0.45和 0.13，分別降低了 12.2%、53.0%、55.4%和83.5%。由上可知，土層碾壓次數(shù)越多，土層的孔隙比就越?。煌馏w深度越深，孔隙比減小的速率就越快。

2.3.2 濕陷系數(shù)

圖7 不同深度濕陷系數(shù)隨碾壓遍數(shù)變化圖

對于黃土路基來說，處理路基的主要目的是消除或較小濕陷性的影響。由圖7看出，在未進行沖擊碾壓時各深度黃土土層濕陷性系數(shù)均大于0.12，碾壓遍數(shù)達到40次后上部土層1 m范圍內(nèi)濕陷性基本消除，1 m以下黃土土體濕陷性系數(shù)得到了很好的改善。即隨著碾壓次數(shù)的增加各深度黃土土層濕陷性系數(shù)均得到了不同程度的減小，且土體深度越小黃土濕陷系數(shù)改善的程度就越大。

2.3.3 壓縮模量

土體的壓縮模量是非常重要的一個力學(xué)指標(biāo)，一方面，它可以用來確定地基容許承載力，另一方面它還可以計算地基變形程度及大小。由表2可知，沖擊遍數(shù)越多，土層在2 m范圍以內(nèi)時，土的壓縮模量均增加，只是增加的程度各不相同。其中在1 m以內(nèi)的，壓縮模量明顯增加。顯而易見的，土層在沖擊碾壓結(jié)束后，承載力明顯提高。

表2 壓縮模量前后變化表

2.3.4 沉降量

圖8 沉降量變化圖

土體的沉降變化值是土層進行沖擊碾壓最明顯的效果。由圖8，當(dāng)碾壓次數(shù)在6～24遍時黃土樣本下沉量變化幅度較大，下沉量由6遍時的7.6 cm提高到22.7 cm，平均沉降速率達到了0.84 cm/遍；而碾壓遍數(shù)在24～40遍時其平均沉降速率為0.55 cm/遍。由上可知，碾壓遍數(shù)越多土體累積的沉降量就越大；同時，沖擊碾壓可提前達到施工后要求的沉降量，碾壓遍數(shù)以24遍為宜，超過24遍后沉降速率會減小降低施工效率。

2.3.5 壓實度

圖9 壓實度變化圖

黃土路基各層土體的壓實度和碾壓遍數(shù)具有非常緊密的聯(lián)系。由圖9，隨著黃土路基碾壓遍數(shù)由0 到40遍，深度為0～30 cm、30～80 cm和80～150 cm的黃土路基壓實度分別由73%、72%和68%升高到了100%、98%和 82%，其增長率分別為 37.0%、36.1%和20.6%。即黃土路基沖擊碾壓能夠有效改善各層的壓實度，且深度越淺壓實效果越好；由夯后土工試驗的結(jié)果可知，沖擊碾壓的有效深度可以達到150 cm。

3 結(jié)論

高速公路黃土路基碾壓方法的選擇對于保證施工質(zhì)量、提高施工效率具有非常重要的意義。本文基于長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，模擬了黃土路基靜力碾壓法、振動壓實法以及沖擊碾壓法3種壓實方法并對碾壓效果進行了對比；最后依托陜西省西漢高速公路實際工程對沖擊碾壓法在黃土路基的實際應(yīng)用進行了現(xiàn)場試驗。本文研究得出如下結(jié)論：

a）通過對比黃土路基壓實度隨土體表面深度增加的變化規(guī)律可以得出，沖擊碾壓法的壓實效果要比靜力碾壓法和振動碾壓法效果明顯，尤其對深層土的碾壓效果更加突出。

b）通過對比黃土路基壓應(yīng)力隨碾壓遍數(shù)增加的變化規(guī)律，采用沖擊碾壓時壓應(yīng)力增加速率最快，振動壓實次之，靜碾壓實的上升速度最慢，因此黃土路基優(yōu)先選用沖擊碾壓法進行壓實施工。

c）通過對西漢高速公路黃土路基試驗段可以得出，隨著沖擊碾壓法碾壓遍數(shù)的增加，土層的孔隙比和黃土土層的濕陷系數(shù)逐漸減小，土的壓縮模量逐漸增加，土體沉降量趨于穩(wěn)定。通過試驗研究得出沖擊碾壓次數(shù)以24遍為宜，沖擊碾壓的有效深度可以達到150 cm。