基于工后沉降的冲击碾压技术处治公路地基应用研究

基于工后沉降的冲击碾压技术处治公路地基应用研究摘要：软土地基承载力低、工后沉降量很大，不能满足公路路基强度性、稳定性和路面使用性能要求。本文以阿荣旗至博客图高速公路K123+000~+200段为依托，采用以冲击碾压为主的方式对软土地基进行了处理，对其压实度进行检测控制施工质量。工后沉降通过埋设沉降板对沉降进行跟踪，工后总沉降用泊松曲线法对其进行计算。结果表明，冲击压实技术用于软基地区的路基施工不仅明显改善了路基压实质量，对减小路基施工工后沉降也有明显的效果。关键词：公路路基；地基处理；冲击碾压；沉降预测；压实度0引言冲击压实技术是将振动压路机的高频率、低振幅的工作形式改为高振幅、低频率工作形式，在充分压实作用下增加对土石方的冲击、振动功能；深度深、压实厚度大是冲击压实技术的主要特点之一。冲击碾压机械最早出现在20世纪50年代，并于1995年在我国机场的场道建设中得到应用及推广，该项技术在我国内地的公路等工程建设中得到应用。如被用于处理湿陷性黄土地基、含砂低液限粉土路基、粗粒土路基，还被用于路基补强以及用于处理浅层软粘土地基的机场工程等。然而在对冲击压实技术处治公路地基效果的评价方面，多是通过表层（约20cm～30cm）压实度进行检测、或者用动态弯沉仪检测、或者用贯入仪等方法对地基处治效果进行检测试验[1-3]。其检测深度较小，使冲击压实技术在深厚度范围内对公路地基的影响难以综合评价，用来进行设计和施工指导的检测试验结果会存在一定的盲目性。因此，为了综合评价冲击碾压技术对公路地基的处治效果，有必要对冲击碾压后的公路地基的工期沉降进行长期观测，通过分析其总沉降和工后沉降来验证冲击碾压技术的处治效果，以指导公路地基处治设计和施工。1冲击压实原理及特点冲击式压实机对地表的综合作用为揉压—碾压—冲击，从上部至下部随着力波的传递使土体得到压实。根据牛顿碰撞定理，其冲击力相当于压实轮自重对地表产生静压力的20倍～30倍。在这种“揉压—碾压—冲击”综合作用下土颗粒重新组合，强迫排出土颗粒之间的空气和水，细颗粒逐渐填充到粗颗粒孔隙之中，从而使土体得到压实[4]。冲击压实是用瓣状非圆柱凸轮来产生集中的冲击能量，交替冲击路基，从而达到压实填料的目的，具有压实和击实两种作用。冲击压实以其静能量来标定，能量按下式计算[5]：Emgh式中：E—能量（kJ）；m—动力部件的质量（kg）；g—重力加速度（9.8m/s2）；h—轮子外半径与内半径的差值。冲击碾压减小土体的孔隙比，提高土体密实度。冲击式压路机具有冲击能量高、冲击压力强、影响深度深、压实厚度大、生产效率高、对土的含水量要求低等特点，远远强于传统式压路机。上述特点使得冲击式压路机能有效提高路基土压实度和压实度的均匀性；减少公路路基变形，保证公路路用性能。2工程概况绥满国道主干线内蒙古阿荣旗至博克图高速公路全线长161.36km，属中低山、丘陵漫岗地貌，地貌形成的方式主要是侵蚀构造地形和堆积地形，地质情况比较复杂，其中K123+000~+200段表层为亚粘土，层底深度为0.3m～1.2m，软塑状态，局部为泥炭质土及有机土，高压缩性；下层为亚粘土（含砾），层底深度5.0m～9.2m，砾石含量约在20%。路基设计填土高度为4.0m～6.5m。地基存在的工程地质问题主要有以下三个方面：（1）地下水位高，地基土含水量大，冬季气温低，地基抗冻性差，容易引起路基的冻胀、融沉等病害；（2）表层土质多呈软塑状态，下层土虽然含有较多的圆砾，然而由于冻土经常不化，导致土层在融化后土质疏松，空隙较大，地基承载力差，容易导致路基的沉陷；（3）表层土软弱，下层土为亚粘土和圆砾土，地基土总体压缩性大，工后沉降量大，容易引起路基路面的下沉甚至结构的破坏。3地基处理方案设计针对地基存在的工程地质问题，结合运用冲击碾压法在其他地区处理软基的工程经验，采用以预融、挖除软基换填砂砾并用冲击碾压法压实路基的方式，以减小地基工后沉降、增强路基抗冻性、提高路基整体稳定性。（1）预融：由于春季冻土尚未完全融化，需要清除保温层，以融化冻土；因此施工前先将原地表草皮清除，并将表面软弱土挖除，晾晒。（2）换填砂砾：对于表层土，多呈软塑状态，且厚度较浅，待冻土全部融化后，挖除软土，换填砂砾；软土平均换填厚度为1.0m。以增强地基承载力，减小地基变形。（3）冲击碾压：为了保证换填砂砾的压实度，提高压实效率，同时减小下层土的空隙率，以增强路基的抗冻性、提高路基的承载力以及减小路基的工后沉降，因此，采用了影响深度较大、效率较高、经济好的冲击碾压施工工艺。4施工工艺及施工质量控制为了保证施工质量，检验以冲击碾压法为主的处理方案的效果，对冲击碾压的施工工艺进行了严格控制，并在冲击碾压完成后采用了灌砂法对处理后的地基进行压实度检测及分析。4.1冲击碾压施工工艺为了消除地基土的湿陷性，提高地基土的整体强度和减小路基工后沉降变形，不仅施工机具要选择合理的，而且在施工工艺上采取合理的压实方案。冲击式压实机对于土体表面的冲击作用，由于凸形轮的数量不同，其冲击机率也不相同，得到效果也不同。本次施工过程中采用了3YCT3型三边形冲击碾压机对换填砂砾分两层碾压，每层压实厚度为50cm。施工时采用装载机车牵引，碾压3至5遍后，用平地机整平，以保证地基的压实效果；碾压遍数以20遍为基准，碾压速度控制在12~15km/h。在实际施工中，分稳压、冲击压实、封面碾压三个阶段：先用轻型压路机（6～8t的光钢轮静碾压路机）碾压1～2遍，使松铺土层有基本的承压能力；再用冲击式压路机压实，至最后沉降小于1cm为止；最后用轮胎压路机进行封面碾压(或称终压)，以消除振动压路机带来的表面不平整和裂纹，使密实度进一步提高。4.2压实度检测及分析压实度反应了路基填料的密实程度，密实的路基能减小水分对路基的侵害；在路基的冲击碾压过程中，土的空隙率减小，密实度增加，从而可以减小路基的冻胀和融沉的发生，保证路基稳定。根据《公路路基路面现场测试规程》（JTGE60-2008）[6]采用灌砂法对冲击碾压完成后的地基压实度分层进行检验，每个段落每个压实层取12个点。试验结果见表1。表1冲击碾压后换填砂砾层的压实度检测结果桩号k123+005025040065080105120125140155170185标准差平均值变异系数代表值第一层压实度（%）94.597.294.097.796.895.995.093.693.194.097.395.41.4195.751.4795.75第二层压实度（%）95.494.097.796.895.995.496.397.295.095.496.897.7根据相关文献[7-8]本路段处理地基位于路床顶面以下3～5m处，其压实度设计值为93%，变异系数小于2%。根据表2可知路基压实度检测值和变异系数都满足相关规范，表明地基压实的整体均匀性较高，有助于减小路基差异沉降。5沉降观测及分析由冲击碾压后地基沉降观测的实测值，用泊松曲线法预测处理后地基的总沉降量，并同采用分层总和法推算的原地基总沉降量进行对比，分析结果，找出软基处理效果。5.1实测沉降为了观察冲击碾压后地基的变形情况，在经冲击碾压的砂砾层上，路中线位置埋设了沉降板。在路基填筑期间，每填筑一层观测一次沉降变形；填筑结束后，每15天观测一次沉降变形。表2现场实测沉降值观测时间（2012年）6.106.257.107.268.48.239.29-139-2710-4K123+050累计沉降（mm）10.216.823.529.630.433.136.438.740.544.8K123+09015.220.324.526.427.330.831.333.935.237.4K123+12013.618.619.425.726.830.433.534.737.640.25.2预测沉降在公路路基的填筑过程及公路工后运营过程中，由于地基本身的压缩变形性质，在地基上施加荷载的过程及施加荷载完成后，地基的沉降变形基本呈发生—发展—成熟—极限的过程。而泊松曲线反映的实际上是事物的发生、发展、成熟并达到极限的过程，这一过程与逐级加载下地基沉降相似，能够反映全过程沉降量与时间的关系。因而可以利用泊松曲线法预测地基沉降量。5.2.1泊松曲线法通过在冲击碾压面上埋设沉降板对地基的沉降进行长期观测，再采用泊松曲线模型预测路基沉降量[9]。泊松曲线也被称为生长曲线或皮尔曲线，是以美国人口统计学家和生物学家皮尔（RaymondPearl，1870~1940）的名字命名的曲线。泊松曲线的公式为：()1ktaytbe-=+（2）式中：a，b，k—模型的三个参数；y(t)—t时刻y的值；当t→+∞时，y→a，a为曲线的增长上限，即为路基总沉降量。因此利用y与t的数值关系就可解出模型中的待定参数，求得任意时刻的y值。本文应用最小二乘法通过ORIGIN8.0对实测数据进行曲线拟合，从而得出曲线方程参数和路基沉降随时间变化规律。5.2.2泊松曲线法预测沉降以表3实测数据做样本，利用泊松曲线方程可计算得模型参数（见表3）及沉降量随时间的变化规律（见图1）。桩号K123+050K123+090K123+120参数a57.4854.6763.31b4.382.644.12c0.0210.0140.015表3预测模型参数0501001502002503003504000102030405060实测值预测曲线沉降量/mm时间/d0501001502002503003504004500102030405060实测值预测曲线沉降量/mm时间/d050100150200250300350400450010203040506070实测值预测曲线沉降量/mm时间/da)桩号K123+050b)桩号K123+090c)桩号K123+120图1地基沉降量与时间关系由泊松曲线模型预测出的总沉降量（参数a）减去实测累计沉降量，即为剩余沉降量（见表4）。计算结果表明，软基处理后，地基剩余沉降量占总沉降量的7%～26%。剩余沉降绝对值为2.5mm～17.0mm。《公路路基设计规范》中一般路段路基容许工后沉降值为100mm。由于路基压实度人为控制，填筑路基沉降量占总沉降量比重很小，而地基沉降值为2.5mm～17.0mm，反应到路基顶面上，影响很小。这表明以冲击碾压为主的软基处理方法处理后的地基，工后沉降小，具有较高的变形稳定性。表4预测地基总沉降与剩余沉降桩号预测地基总沉降量（mm)已发生沉降量（mm)地基剩余沉降量（mm)K123+05057.4850.86.7K123+09054.6742.612.1K123+12063.3146.317.06结论（1）采用冲击压实技术处理高速公路软土地基是成功的，切实可行的。这种技术简单、压实速度快、工期短、成本低和效益高等特点，特别适合高速公路施工。（2）经以冲击碾压为主的处理方式对软基进行处理4个月后，地基的剩余沉降约为地基总沉降量的10%。地基剩余沉降较小，可有效避免工后地基变形，保证了地基的稳定性。（3）为了避免大面积开挖填筑，冲击压实技术特别适用于软土地基的大面积施工，比其他处理方法省时省力，可以提高地基承载力，能够很好地控制路基的工后沉降变形。参考文献：[1]王吉利，刘怡林，沈兴付，彭圣平.冲击碾压法处理黄土地基的试验研究[J].岩土力学，2005，（5）：755~758.[2]徐超，陈忠清等.冲击碾压法处理粉土地基试验研究[J].岩土力学，2011，32（2）：389~392.[3]邢玉东.冲击碾压法处理辽西湿陷性黄土路基的试验研究[J].工程勘察，2008，（3）：17~20.[4]徐超，吴芳.冲击碾压法及其在处理虹桥机场浅层软粘土地基中的应用[J].勘察科学技术，2009，（5）：25~28.[5]杨世基，吴立坚.冲击压实粗粒土路基[J].公路交通科技，1999，(1):1~6.[6]《公路路基路面现场试验规程》（JTGE60-2008）[S].北京：人民交通出版社.2008.[7]《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80-1-20