冲击碾压法在黄土路基施工中的应用

冲击碾压法在黄土路基施工中的应用王玉贵张海燕（中铁十四局集团第三工程有限公司）【摘要】：结合青海境内某高速公路有段路基为中压缩性、II级非自重湿陷性黄土的地质情况。提出了大面积冲击碾压的施工方案，介绍该段地基采用冲击碾压法处理措施及技术要点。【关键词】：冲击碾压黄土路基应用一、工程概况：本标段内有多处II级非自重湿陷性黄土，根据勘察设计部门提供的工程地质勘察报告，湿陷性黄土厚0.5~2.6米，天然含水量ω=10.0%。由于地质条件差，要保证工程质量，地基必须进行处理。其预期要达到的目的是：消除地基土的湿陷性，提高地基土的承载力，避免填方路基的差异沉降，保持路面平整完好。二、冲击碾压原理简介及特点：冲击碾压是采用冲击式压实机（一种新型压实设备），配备压实轮，压实轮在牵引机拖动行驶滚动中产生集中的冲击能并辅以滚压、揉压的综合作用，使土石颗粒之间发生位移、变形和剪切，从而使土体深层随着冲击波的传播得到压实。压实轮在牵引机的拖动下连续作用于地面，使大面积地基得以压实。冲击碾压技术的突出特点是影响深，一般在3M，速度快，12-15KM/h，压实质量高。三、压实机的标定和冲击力的计算：1.冲击式压实机的标定：25KJ冲击式压实机是以压实轮与内组件的质量M，压实轮向量半径差h所产生的势能E来标定的。E=MghM—动力部件的质量(Kg),M=12tg—重力加速度，取g=9.8m/s2h—轮子外半径同内半径的差值h=R-r(m)=0.22m其压实能力标定值E=12*9.8*0.22=25(KJ)2.冲击力的计算压实机在行走中压实轮对地面的冲击力与压实轮转动的线速度有关，牵引车的牵引速度一般在12-15Km/h，计算出冲击的速度为3.33m/S,取作用路程为0.0333m，则冲击作用的时间t=0.01S，按动量与冲量的原理计算冲击力N：N=M（V0ˊ-V0）/tV0ˊ_冲击初速度,m/s；V0_冲击末速度,m/s,此处为0；t-冲击作用时间,s。N≈400T实际上V和t是变量,N一般在250T~400T之间,以这样大的低频高幅冲击能力作用于土体,使土体得到极大限度的压实。四、冲击碾压设备的选择：A、主要设备：采用南非蓝派公司研制开发的25KJ冲击式压实机，配备三边形压实轮。B、辅助设备：平地机、洒水车、光轮压路机。五、施工参数的确定1、冲击碾压试验冲击碾压法采用的是一种新型压实设备，目前还没有一套成熟的理论和设计计算方法，用冲击碾压法处理湿陷性黄土地基，一定要根据现场的地质条件和工程的使用要求，正确选用各个施工参数，才能达到有效而经济的目的。本工程取100米长的范围为试验区。2、冲击碾压试验通常湿陷性黄土地基较多地采取强夯法处理，这次本标段路基的湿陷性黄土地基采用25KJ冲击压实机在地表面冲碾20遍处理。冲击式压路机为高振幅低频率，对深层产生较强的冲击能量，随着土石密实度增加，其影响深度也逐渐增加。冲击压实以实测沉降量的变化为主，同时进行灌砂法密实度检测，确定合理的碾压遍数。为了总结施工经验，收集基础数据，指导大面积非自重湿陷性黄土地区路基的施工，试验段共布设10个测试横断面（10米一个测试断面），每断面三个测点（左、中、右）。分0~10遍、11~15遍、16~20遍、21~25遍进行测试。冲击碾压20遍、25遍后，分别用水准仪检测沉降量法、环刀法、灌砂法、表面波、贝克曼梁、承载板（CBR）、动态圆锥贯入仪（DCP）和落锤式弯沉仪（FWD）等检测手段对该段路基基底进行了地基下沉量、干密度，湿陷系数、弹性模量等指标的检测。检测数据如下：A、下沉量检测沉降量S的观测值（单位：厘米）冲压遍数0~10遍11~15遍16~20遍21~25遍累计下沉量一断面左16.34.61.91.424.2中10.32.71.20.2514.45右14.23.81.00.419.4二断面左27.15.41.3-0.233.6中14.32.90.90.518.6二断面右10.03.11.90.615.6左17.25.41.80.324.7三断面中12.32.80.9-0.415.6右19.74.62.40.627.3四断面左11.52.61.9016.0中17.23.82.00.423.4右9.82.51.30.614.2五断面左6.71.30.60.28.8中14.22.91.81.019.9右19.43.81.00.224.4六断面左5.61.200.57.3中15.66.42.10.824.9右29.05.42.31.037.7七断面左16.85.61.40.824.6中12.34.61.30.618.8右11.62.82.3016.7八断面左8.43.21.3-0.812.1中23.15.82.31.232.4右4.22.31.00.68.1九断面左17.45.21.70.424.7中6.32.82.11.212.4右9.23.02.7115.9十断面左3.42.12.01.08.5十断面中5.62.32.01.511.4右6.72.41.80.911.8线路左侧10测点平均沉降量S20=18.09cm,S25=18.45cm,△S=0.36cm中间10测点平均沉降量S20=18.48cm,S25=19.19cm,△S=0.71cm右侧10测点平均沉降量S20=18.52cm,S25=19.11cm,△S=0.59cmB、密实度检测。冲击碾压20遍后，采用灌砂法测定地面以下20CM、70CM、90CM、120CM深度处的压实度、干密度、含水量，数据如下表。指标干密度ρd(g/cm3)含水量W%压实度Kh%20cm深度以下1.9010.898.670cm深度以下1.8711.396.290cm深度以下1.8511.493.0120cm深度以下1.8411.490.6冲击碾压25遍后，采用灌砂法测定地面以下20CM、70CM、90CM、120CM深度处的压实度、干密度、含水量，数据如下表。指标干密度ρd(g/cm3)含水量W%压实度Kh%20cm深度以下1.9110.898.770cm深度以下1.8811.396.290cm深度以下1.8711.493.4120cm深度以下1.8411.490.6以上数据说明：土体冲碾20遍后，土的沉降量基本稳定，土的压实度、干密度等性能指标都得到很大提高，满足要求。湿陷系数由0.0438降为0.0022，消除了湿陷性，地表下土基1m内平均弹性模量E达到80MPa以上，在路基基底而下2m内经冲击压实，形成连续、均匀、密实的加固硬层，其技术指标已完全符合黄土地基加固的质量要求。由此可得：采用冲击碾压法进行湿陷性黄土地基处理是切实可行的，能高深度压实原地基。因此确定施工参数为：冲击碾压遍数为20遍。六、湿陷性黄土路基基底的处理通常湿陷性黄土地基较多地采取强夯法处理，这次本标段路基的湿陷性黄土地基采用25KJ冲击压实机在地表面冲碾20遍处理。冲击碾压20遍、25遍后，分别用水准仪-标尺检测沉降量法、环刀法、灌砂法、表面波、贝克曼梁、承载板（CBR）、动态圆锥贯入仪（DCP）和落锤式弯沉仪（FWD）等检测手段对该段路基基底进行了地基下沉量、干密度，湿陷系数、弹性模量等指标的检测，结果表明冲碾20遍后在地表下110cm内土基平均压实度达到Kh=91%,即黄土的干密度由原来的pd=1.35g/cm3提高到1.70g/cm3，其湿陷系数由0.0438降为0.0022，消除了湿陷性，地表下土基1m内平均弹性模量E达到80MPa以上，在路基基底而下2m内经冲击压实，形成连续、均匀、密实的加固硬层，其技术指标已完全符合黄土地基加固的质量要求。由此可得：采用冲击碾压法进行湿陷性黄土地基处理是切实可行的，能高深度压实原地基。七、冲击碾压的施工：1、施工工序：场地放样→场地清理→场地周边防护→碾压前密实度、高程测量、记录→洒水车洒水、平地机刮平、压路机静压（场地长度不小于100米）→冲击碾压3遍（时速＞12km/h）→平地机刮平，洒水均匀，压路机静压→冲击碾压5-8遍（时速＞12km/h）→平地机刮平，压路机静压→冲击碾压累计至20遍→平地机刮平、压路机静压处理→20cm、70cm、90cm、120cm深度密实度检测及高程测量→符合设计值进入下道工序（低于设计值增加冲击遍数）2、施工注意事项：A、该段路基属填方地段，地势平缓，冲击碾压施工前要做好清表，范围要依据边线放样进行。B、冲击碾压前，记录好清表前地面高程，水准点，中桩位置原始资料，以便以后用前后数据进行对比以确定冲击压实后的沉降量。C、为防止振动及土体侧向变形对构筑物的挤压破坏，冲击压实时冲压机距涵洞边缘保持2米的净距，与明涵台保持5米的净距，本路段两侧30米内均有民房数处，所以在施工段两侧挖深1米，宽30CM的防震沟。D、冲击碾压若干遍后，地面成波浪状，严重时会产生跳车现象，继而影响车速和冲击效果，应及时进行整平处理，并视土质含水量和扬尘状态适时洒水。E、按要求碾压20遍后，考虑到地面下有15CM的扰动层，因此适时进行整平、静压处理。八、关于冲击碾压施工的几点体会1、施工中平地机、洒水车要配合到位，一次性处理长度要尽可能大，确保机车行驶速度，从而保证处理深度。2、碾压施工完成后，要用光轮压路机再次碾压，并精平，进一步提高表层土的压实度。3、冲击碾压对II级自重湿陷性黄土的压实效果比较明显，极大地提高工作效率，降低劳动强度，缩短工期降低成本，与传统设备相比，冲击压实机速度快、冲击力强、影响深度大，可适当放宽对含水量的要求、成本低、工后沉降小。4、冲击碾压施工必须保证一定的机车行驶速度，因此很适合大面积作业，如果今后再遇到大面积自重湿陷性黄土特殊土路基，采用冲击碾压处理实属首选方案。5、冲击碾压处理的效果是否理想，与冲击碾压的设备有很大关系。从我标段施工效果来看采用蓝派（Lanpad）冲击碾机（南非产）效果较好。6、冲击碾压的效果与表层的（30cm）平整度和含水量也有较大关系。平整度好，表层的含水量接近最佳含水量则效果显著。7、从各种测试手段来看，在路基底面下2米内经冲碾压实，形成连续、均匀、密实的加固硬层，其技术指标已接近路基上路床指标，完全符合黄土地基加固质量要求。