冲击碾压法加固石太客运专线湿陷性黄土地基的试验研究

王 铸

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 概述

黄土是第四纪干旱、半干旱气候条件下，陆相沉积的一种特殊土。在我国，黄土及黄土状土的分布面积约为64万km2，其中湿陷性黄土分布面积占到黄土分布面积的3/4。湿陷性黄土是一种非饱和的欠压密土，具有大孔隙和垂直节理发育等特点，其最大特点是在土的自重压力或土的附加压力与自重压力共同作用下受水浸湿时将发生急剧而大量的附加下沉现象。石太客运专线是我国开工最早的客运专线之一，其工后沉降控制标准为一般地段不大于100 mm，路桥过渡段不大于50 mm，沉降速率不大于30 mm/年;线路经过的大部分区域被湿陷性黄土覆盖，首次在客运专线铁路中应用冲击碾压法加固湿陷性黄土地基，取得了良好的经济效益和社会效益，结合石太客运专线工程建设，选取试验段开展冲击碾压法加固湿陷性黄土地基的试验研究，取得了丰富的研究成果。

2 冲击碾压加固原理

冲击碾压技术是1995年由南非蓝派公司引入我国。冲击碾压也称非圆碾压，是一种具有新型压实机理的压实方法，它是采用冲击压路机对地基土进行冲击碾压，是一种冲击和揉搓作用相结合的压实方法。冲击压实机是由大马力牵引机和压实轮组成，压实轮有三边、四边、五边和六边形等形状以及实体、空体及可填充式等类型。其工作原理如图1所示。

压实轮在牵引力F的作用下向前滚动，当滚动角圆弧与地面的接触点A与重心O在一条铅垂线上时，压实轮升至最高位置(图1(a))，越过此点以后，中心相对于接触点A产生压实轮坠落的冲击力矩(图1(b))，在这一力矩作用下压实轮冲击地面，而此时冲击力矩达到最大(图1(c))。随后压实轮的冲击面向前方搓挤地基土而产生强力的揉搓作用，并使地基土产生很大的反力R，在牵引力F和反力R所形成的举升力偶作用下，压实轮以滚动与地面接触的瞬时中心为转动轴心向前滚动并抬升压实轮至最高位置，然后继续这样的循环。由于碾边顺序周期性地冲击地面，产生强烈的冲击波并向地下深层传播，土颗粒之间发生位移、变形和剪切，深层土体得以密实。从而达到消除地基土的湿陷性，减小路基的工后沉降，提高路基稳定性的目的。

图1 冲击碾压加固地基土的工作原理

3 现场试验设计

3.1 试验段情况

选择了DIK148+660～DIK148+760段长100 m的路基作为试验段，地势相对平坦，地表下15 m范围内黄土具有Ⅱ级非自重湿陷性，含水率10.9% ～27.1%，干密度 1.31～1.43 g/cm3，饱和度 33% ～77%，塑性指数9.3～16.1。

3.2 试验方法

试验方法主要有室内试验、原位测试、含水量原位监测及沉降观测。室内试验主要有室内常规土工试验、击实试验、湿陷性试验以及三轴剪切试验，目的是测定路基土的密度、比重、含水量、湿陷性系数、压缩性、抗剪强度指标;原位测试采用静力触探试验和标准贯入试验;，含水量监测试运用湿度传感器进行含水量原位长期监测;沉降观测采用磁环分层沉降和基底横向剖面管两种方式进行沉降观测。并通过对试验结果的对比分析，评价冲击碾压的加固效果。

3.3 现场测试断面布置

在DIK148+700处设置一个测试断面，埋设了剖面沉降管、湿度传感器、分层沉降磁环。元器件埋设情况见表1，测点布置见图2。

表1 测试断面的元器件埋设情况

图2 测试断面测点布置(单位:cm)

3.4 施工工艺参数

(1)机械选型

冲击压路机选用YCT25型冲击压路机，冲击轮质量16 t，最大冲击能量达到25 kJ;牵引机械选用QCY360型冲击压路机牵引机。

(2)处理范围

路堤地段为路堤坡脚外3 m。

(3)碾压方法

冲击压路机行驶2次为1个压实单元，每次碾压两遍，每遍第2次的单轮由第1次的单轮内边距中央通过，第3遍再回复到第1遍的位置冲碾，依次碾压40遍。碾压时速为9～15 km，最佳碾压时速12 km。

4 试验结果及对比分析

4.1 室内试验结果

对冲击碾压加固前后的黄土地基采取现场取样，进行了相关的室内试验，得到加固前后黄土的主要物理力学性质指标，见表2、表3。

表2 冲击碾压加固前黄土物理力学性质指标

表3 冲击碾压加固后黄土物理力学性质指标

可根据表2和表3的试验结果，绘出干密度、孔隙比、湿陷系数、渗透系数、压缩模量、黏聚力及内摩擦角沿深度的变化情况。

4.2 原位试验结果

(1)静力触探试验

冲击碾压前后的静力触探曲线见图3。

图3 冲击碾压前后静力触探曲线

(2)标准贯入试验

标准贯入试验数据见表4。

表4 冲击碾压前后的标准贯入击数

4.3 现场测试结果

对DIK148+700处测试断面进行了长时间的黄土地基的含水量监测和基底沉降观测。基底不同位置处含水量随时间变化曲线见图4和图5，基底不同位置处磁环沉降随时间变化曲线见图6，基底横向各点沉降随时间变化曲线见图7(0位置为路基左侧沉降管头的沉降值)。

4.4 对比分析

图4 DIK148+700路基中心不同位置处含水量随时间变化曲线

图5 DIK148+700左侧坡脚不同位置处含水量随时间变化曲线

图6 路基中心基底以下不同位置处沉降随时间变化曲线

图7 路基基底横向各点沉降值随时间变化曲线

从表2和表3的试验结果分析可以看出:(1)从干密度的变化情况来看，冲击碾压的有效处理深度在250 cm以内;(2)从孔隙比的变化情况来看，冲击碾压的有效处理深度在250 cm以内;(3)从湿陷系数的变化情况来看，冲击碾压的有效处理深度在150 cm以内;(4)从渗透系数的变化情况来看，冲击碾压的有效防渗处理深度在100 cm以内，效果明显;(5)从压缩模量的变化情况来看，冲击碾压的有效处理深度在250 cm以内;(6)从黏聚力的变化情况来看，冲击碾压的有效处理深度在150 cm以内;(7)从内摩擦角的变化情况来看，冲击碾压的有效处理深度在150 cm以内。

从图3分析可以看出，从土体比贯入阻力的变化情况来看，冲击碾压的有效处理深度在120 cm以内。

从表4可以看出，冲击碾压影响范围在200 cm以内，作用效果从地表往下逐渐减弱。

从图4、图5分析可以看出，路基中心不同位置处的含水量及左侧坡脚基底下3 m和5.5 m以下含水量与初始值相比，基本保持不变，左侧坡脚基底0.5 m范围内受地表降水影响较大，在施工前期发生局部变化，以后基本保持不变，说明地基内不同位置处的含水量在测试期间含水量稳定，没有出现顶部水下渗和底部水份向上迁移现象。

从图6、图7分析可以看出，磁环分层沉降趋势与基底横向剖面管沉降趋势相比基本相同，从沉降曲线来看，2007年1月以后沉降速率变小，至2007年11月后沉降趋于稳定，最大沉降值在路基中心，为24.7 cm。并根据测试数据运用双曲线预测模型进行沉降预测，总沉降量为28.12 cm，工后沉降量为3.42 cm。

通过以上分析可以得到以下结论:(1)冲击碾压法作为黄土地基浅层处理方法，有一定的效果，干密度、力学强度均有所提高，孔隙比、湿陷系数、渗透系数明显减小;(2)冲击碾压法对黄土地基的处理深度，消除湿陷性的作用在150 cm深度范围内;(3)渗透系数在100 cm范围内明显减小，明显提高土体的抗渗性能;(4)土体内的体积含水量基本上不发生变化，表明冲击碾压结束后，及时施工封闭层，做好防排水工程，可以起到良好的防渗效果。(5)冲击碾压法对于减小地基沉降的作用不明显。

5 结语

通过本次进行的冲击碾压法加固湿陷性黄土地基的试验研究，表明冲击碾压法加固湿陷性黄土地基是有效和实用的，是湿陷性黄土地基加固中工期最短、成本最低的一种施工方法，适用于施工面积较大、较平坦的加固场地，在黄土地区路基工程中具有广阔的应用前景，值得推广应用。

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