濕陷性黃土地基沖擊壓實加固處理分析

許鴻澤

（臨汾南高速公路管理有限公司，山西 臨汾 041000）

沖擊壓實技術(shù)是利用碾壓輪自重和沖擊力對土體進(jìn)行碾壓，在碾壓過程中將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，對土體產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊作用[1]。由于沖擊式壓路機(jī)質(zhì)量大、沖擊能量大，可有效提高壓實厚度，減少碾壓遍數(shù)，并可顯著提高路基的壓實效果。沖擊壓實不會破壞土體結(jié)構(gòu)，可以對土體進(jìn)行連續(xù)沖擊壓實，施工速度快，壓實成本低[2]。通過分析沖擊壓實技術(shù)的作用機(jī)理，結(jié)合高速公路濕陷性黃土地基施工實踐，闡述沖擊壓實施工工藝，并在不同碾壓遍數(shù)下對地基土的物理力學(xué)性質(zhì)、壓實度和壓實形變情況進(jìn)行檢測，統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)作為分析濕陷性黃土地基加固效果的主要依據(jù)。

1 沖擊壓實機(jī)理

沖擊壓路機(jī)質(zhì)量大，同時具有強(qiáng)夯機(jī)和振動壓路機(jī)的性能，在沖擊壓實和滾動碾壓的綜合作用下，構(gòu)成一個復(fù)雜的壓實過程。在壓實作業(yè)中，沖擊壓路機(jī)碾壓輪對地基產(chǎn)生大振幅沖擊碾壓，以高振幅、低頻率的方式對地基進(jìn)行強(qiáng)烈沖擊，提高壓實厚度和壓實質(zhì)量，降低碾壓遍數(shù)。與傳統(tǒng)的圓形碾壓輪壓路機(jī)相比，沖擊壓路機(jī)采用三邊形、四邊形或五邊形碾壓輪，通過大功率牽引車帶動碾壓輪完成碾壓工作[3-4]。

2 沖擊壓實施工方案

2.1 工程概況

某高速公路設(shè)計采用雙向四車道，路基設(shè)計寬度為26 m，部分路段位于黃土地區(qū)。黃土厚度分布不均勻，一般為1.2～1.8 m，該路段黃土主要為第四系風(fēng)積黃土狀亞砂土，土體結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)均勻性差，孔隙發(fā)育，經(jīng)試驗確定該地區(qū)黃土為非自重濕陷性黃土，濕陷等級為Ⅱ級。為了提高濕陷性黃土地基承載力，該項目施工中擬采用沖擊壓實技術(shù)進(jìn)行地基加固。大面積鋪筑前，先鋪筑試驗段，試驗段長度為300 m，試驗段路基底寬36 m，路基邊坡坡度1∶1.5，路堤填筑高度為4.3～8.2 m。試驗段濕陷性黃土平均天然含水量為21.8%，路基填料選取碎礫石土或黏性黃土，經(jīng)擊實試驗確定最佳含水量為14.3%，實驗室最大干密度為1.92 g/cm3。

2.2 濕陷性黃土地基沖擊壓實施工工藝

本項目沖擊壓實施工選用SD25三邊形碾壓輪，沖擊能力25 kJ，設(shè)備自重12.5 t。采用ZL50裝載機(jī)或?qū)Ｓ脿恳嚑恳?，最佳沖擊碾壓速度為10～15 km/h，壓實寬度2×920 mm。壓實影響深度可達(dá)到5 m，有效壓實深度1 m，路基填筑最大分層厚度可達(dá)到1.5 m。地基沖擊壓實之前，清除地基表面的植被，挖除種植土，使用平地機(jī)整平后方可進(jìn)行沖擊壓實。

地基整平后進(jìn)行測量放樣，布設(shè)沉降標(biāo)并測量標(biāo)高，然后開始沖擊壓實。在沖擊壓實6遍后，檢測地基壓實度和壓實量。根據(jù)地基實際情況進(jìn)行整平灑水，檢查沉降標(biāo)，壓實度達(dá)不到要求繼續(xù)碾壓。

三邊形碾壓輪滾動一圈，可完成3次壓實和3次沖擊。碾壓1遍對一點的沖擊碾壓功率僅為1/6，因此每沖擊6次作為一個作業(yè)循環(huán)，計為碾壓1遍。自地基邊線以外3 m向路基中線進(jìn)行沖擊碾壓，輪跡重疊不少于1/2，碾壓速度12～15 km/h，保證每一個點都能得到壓實。每沖擊6次，即碾壓1遍進(jìn)行一次檢測，檢測土體物理力學(xué)性質(zhì)、壓實度和變形情況。另外，為了保證地基每個點都達(dá)到碾壓要求，還需要適當(dāng)增加沖擊次數(shù)。根據(jù)壓實后地基土物理力學(xué)性質(zhì)變化情況、檢測結(jié)果確定壓實效果，分析確定本項目濕陷性黃土地基沖擊36次，壓實遍數(shù)為6遍。沖擊壓實完成后，使用平地機(jī)進(jìn)行整平，鋼輪壓路機(jī)靜壓1～2遍，保證地基表面平整度和壓實度滿足設(shè)計要求。

3 地基沖擊壓實加固效果分析

3.1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)變化情況分析

為了確定不同沖擊碾壓遍數(shù)下土體的物理力學(xué)性質(zhì)變化情況，在沖擊碾壓前、每碾壓1遍后對濕陷性黃土地基的干密度、孔隙比、壓縮模量和濕陷系數(shù)進(jìn)行檢測分析，得出各指標(biāo)沖擊碾壓前、碾壓3遍和碾壓6遍數(shù)后的變化曲線如圖1～圖4所示。

圖1 沖擊壓實前后地基土干密度變化曲線

圖2 沖擊壓實前后地基土孔隙比變化曲線

圖3 沖擊壓實前后地基土壓縮模量變化曲線

圖4 沖擊壓實前后地基土濕陷系數(shù)變化曲線

分析圖1曲線，可以得出隨著碾壓遍數(shù)的增加，地基土干密度不斷提高，且隨著土層深度增加干密度增加幅度有所下降。與沖擊壓實之前相比，碾壓3遍后地基土干密度最大增加幅度達(dá)到28.9%，發(fā)生在地基土以下20 cm處。碾壓6遍后不同深度地基土干密度增加幅度達(dá)到14.2%～33.6%。說明沖擊碾壓6遍后地基土干密度提高顯著，進(jìn)而有效提高了地基強(qiáng)度。

分析圖2曲線變形情況，得出隨沖擊壓實遍數(shù)的增加，地基土孔隙比不斷變小，密實度不斷提高。地基土在沖擊壓實過程中顆粒進(jìn)行了重新排列，降低了土壤顆粒之間的空隙，加密了地基土。

分析圖3變化曲線，地基土壓縮模量隨沖擊壓實遍數(shù)的增加而提高，尤其是在地基以下0～0.8 m范圍內(nèi)，沖擊碾壓6遍后，地基土壓縮模量均達(dá)到了20 kPa以上，提高幅度達(dá)到1.2～3.6倍。

分析圖4曲線變化情況，在沖擊碾壓6遍后，地基土濕陷系數(shù)均低于0.015。結(jié)合《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025—2018）中的相關(guān)規(guī)定，濕陷系數(shù)低于0.015屬于非濕陷性黃土。說明采用沖擊壓實處理后，地基以下1.0 m深度范圍內(nèi)的土體濕陷性消除，說明沖擊壓實可有效處理濕陷性黃土地基，達(dá)到了預(yù)期效果。

綜上所述，該試驗段經(jīng)沖擊壓實處理后，地基土物理力學(xué)性質(zhì)得到了有效改善，干密度和壓縮模量大幅增加，孔隙比減小，地基以下1.0 m深度范圍內(nèi)的土體消除了濕陷性。

3.2 壓實度檢測結(jié)果分析

為了檢測地基土沖擊壓實效果，在試驗路段選取測點檢測地基土壓實度。選取測點深度為20 cm、50 cm和80 cm，對沖擊碾壓前、不同碾壓遍數(shù)后的壓實度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 不同地基土深度壓實度檢測結(jié)果 %

分析表1壓實度檢測數(shù)據(jù)可知，沖擊壓實6遍后，地基土壓實度明顯提高，其中0～50 cm深度范圍內(nèi)的地基土壓實度均超過90%，地基土密實度明顯提高，壓實效果明顯。

3.3 地基壓實形變檢測結(jié)果分析

為了檢測濕陷性黃土地基沖擊壓實作用過程中的形變情況，在試驗路段選取3個橫斷面，分別在道路中心線及其左右兩側(cè)各5 m處布置觀測點。在地基土沖擊壓實過程中，分別在沖擊碾壓1遍、2遍、3遍、4遍、5遍、6遍后進(jìn)行觀測，觀測結(jié)果如表2所示。

表2 地基壓實形變觀測結(jié)果統(tǒng)計表 cm

分析表2地基壓實形變數(shù)據(jù)可知，在沖擊碾壓過程中，3個檢測斷面地基土均產(chǎn)生了較大壓實形變。隨著沖擊碾壓次數(shù)的增加，累積壓實形變不斷增加，且沉降量較大，沖擊碾壓6遍后累積沉降量平均值達(dá)到23.1 cm。在沖擊壓路機(jī)的作用下，地基土內(nèi)部的孔隙水消散，孔隙比降低，土壤顆粒重新排列，密實度大幅提高，并接近于彈性狀態(tài)。

4 結(jié)論

結(jié)合高速公路濕陷性黃土地基處治施工實際，根據(jù)施工方案進(jìn)行沖擊壓實施工，并對地基土物理力學(xué)性質(zhì)變化情況、壓實度、壓實形變情況進(jìn)行檢測，分析總結(jié)后得出以下結(jié)論：

a）通過沖擊壓實處理，地基土干密度和壓縮模量大幅增加，孔隙比減小，地基以下1.0 m深度范圍內(nèi)的土體消除了濕陷性。

b）分析地基土沖擊壓實后壓實度檢測結(jié)果，得出地基土沖擊壓實后壓實度提高顯著，壓實效果明顯。

c）分析地基土沖擊壓實形變檢測結(jié)果，得出隨沖擊碾壓次數(shù)的增加，累積壓實形變不斷增加，且沉降量較大，地基土孔隙比降低，密實度大幅提高，強(qiáng)度和穩(wěn)定性都得到了明顯提高。