粉细砂地基冲击碾压施工技术应用

樊 宇 ，郑占利 ，谭 鹏

(1.北京市公路桥梁建设集团有限公司，北京 100068；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

1 概述

文昌市东郊至龙楼公路长约17 km，全线大部分地基均为粉细砂地基。天然的粉细砂地基承载力低，在一定的上部荷载作用下极易产生过大的变形或不均匀沉降。所以，粉细砂地基处理的主要目的是加固浅层地基。目前，针对公路地基处理的方法主要包括振动碾压法、换填法、强夯法、振冲挤密砂桩、无填料振冲、强夯水泥搅拌桩、堆载预压法等。不同的方法在造价、工期和处理效果等方面各有不同。因此，考虑粉细砂地基的实际情况，结合工程经验和相关研究成果，合理选择一种或几种组合的地基处理方法，充分发挥自身的优点，从而起到良好的加固作用，显得格外重要。

冲击碾压法于20世纪80年代在国外开始投入生产使用，我国于1995年由南非引入。冲击碾压法是采用冲击压路机对地基或路基进行加固的一种新方法。在冲压过程中，利用位能落差和行驶动能对工作面进行静压、搓揉、冲击，使得工作面及其以下土层不断加固的方法。与其他地基处理方法相比，冲击碾压法不仅施工快，造价低，而且在提高浅层地基(2 m深度)承载力等方面效果显著。目前，冲击碾压法已广泛用于地基处理、路基压实和路面破碎等领域。因此，笔者所在单位提出了采用冲击碾压处理粉细砂地基，并在现场进行了实际应用和检测。

2 冲击碾压法加固地基的工作原理

冲击碾压法是采用冲击压路机对地基土进行冲击碾压，利用冲击轮的冲击和揉搓作用相结合的地基土压实方法。冲击压路机由大马力牵引机和冲压轮组成，冲压轮有正三边、正四边、正五边等形状。冲击压路机以一种的行驶速度进行冲碾作业，每秒冲击工作面2次，相当于低频率大振幅、周期性地冲击工作面。对于正三边形冲击压路机，其冲击力一般为3×103～4×103kN，冲击波向深层土体传播，使得土体颗粒之间发生位移、变形和剪切，从而达到压实土体、完成地基土层的沉降、减小工后沉降和提高地基承载力的目的。冲击压路机的冲击能是由压实轮的轮轴组件的质量和压实轮质量半径之差所产生的。其计算公式为：

式中：E为冲击压路机的冲击能，kJ；m为冲击压路机轮轴组件的质量，kg；g为重力加速度，9.8m/s2；h为压实轮内外半径之差，m。

冲击压路机对工作面所产生的冲击力与压实轮转动的线速度有关，根据冲量计算公式得到其冲击力N的计算公式：

式中：ν'为冲击初线速度，m/s；ν为冲击末线速度，m/s；t为冲击作用时间，s。

3 现场施工工艺参数

为配合冲击碾压施工，粉细砂地基进行了30 cm的清表工作，并在两侧挖了1 m深的临时排水沟进行排水和降水工作。地基清表后，采用20 t振动压路机对场地进行稳压，首先静压2遍，速度控制在3 km/h，后用小振，振幅为0.9 mm，激振力为282 kN，碾压2遍，速度为2～2.5 km/h，保证基底表面土质压实。现场施工的具体施工工艺及有关参数如下：

(1)工作面：粉细砂地基过于松散，承载力低，若冲击压路机直接在粉细砂地基上冲碾，极易导致地表破坏，以及施工机械沉陷，因此，冲碾前在粉细砂地基上铺筑了40 cm的碎石土，为施工机械提供必要的工作面。为保证层面不积水，施工作业面设置了4%的排水横坡。

(2)施工机械：冲击碾压处理粉细砂地基涉及的具体施工机械如表1所列。

表1 施工机械一览表

(3)施工工序：施工准备→路基清表→振动压路机碾压→铺筑碎石土→振动压路机碾压→冲击压路机碾压→整平场地→振动压路机碾压成型→按规范要求检测弯沉值、压实度。

(4)冲击碾压施工工艺流程：冲击碾压处理粉细砂地基的施工工艺流程如图1所示。

图1 冲碾施工流程图

(5)冲击碾压速度：交通部发布的《公路冲击碾压应用技术指南》中规定冲击碾压的行驶速度一般为8～12 km/h。为防止行驶速度过大，导致砂土振动液化问题的产生，同时考虑工程进度因素，现场采用10～12 km/h的冲击碾压速度。

(6)压实区域：压实区域应覆盖整个作业面。图1中所谓的压实1遍是指压实轮轮迹依次排列并将整个作业区域基本覆盖1遍且轮迹无需重叠。

(7)“弹簧土”现象：在冲击碾压处理粉细砂地基中，局部路段出现“弹簧土”现象时，应立刻停止施工。

(8)冲碾后工作：达到冲击碾压要求时，停止冲击碾压，将冲击碾压表面松散层，采用平地机平整场地，碾压成型，形成4%路拱横坡，向外侧倾斜。碾压根据先轻后重，然后再轻的原则进行。碾压分为初压、终压两部分。初压：用1台20 t振动压路机碾压两遍，静压，碾压速度1.0～1.5 km/h。终压：用1台20 t振动压路机振动碾压，碾压用小振，振幅为0.9 mm，激振力为282 kN，碾压速度为2～2.5 km/h。若用大振，激振力为400 kN，碾压完成后测量压实度及弯沉值。

4 检测内容及结果

4.1 检测内容

为了准确掌握冲击碾压处理粉细砂地基的效果，冲碾结束后，对地表沉降量、弯沉和压实度进行了检测工作。冲碾结束的判定标准：当冲碾15遍后观测地表总沉降量，再冲碾5遍后观测地表沉降量，如16～20遍的沉降量不小于0.5 cm，则以5遍为一个检测单元继续冲碾直至达到上述标准。当某个检测单元沉降量不大于0.5 cm时，则对地基土进行压实度、弯沉、回弹模量等试验检测，各项试验检测结果均应满足现行规范要求或所施工的工程实际控制标准。

4.2 检测结果

4.2.1 地表沉降量

冲碾前、冲碾15遍后、冲碾20遍后的地表沉降观测数据如表2所列。

由表2可知，现场冲击碾压15遍后平均累计沉降量11.6 cm，20遍后平均累计沉降量12.02 cm，最后5遍沉降量为0.43 cm，满足《公路冲击碾压应用技术指南》和该项工程实际控制标准的要求。

4.2.2 弯沉测量值

现场采用5.4m贝克曼梁弯沉仪测试路基弯沉值，总测点48个，经计算弯沉代表值为231.83(0.01 mm)，对应路基回弹模量约为40 MPa，可以满足基底承载力要求。

4.2.3 压实度测量值

经现场测量，碎石土压实度达到98%，满足基底压实度96%的要求。

5 结语

施工现场偶有“弹簧土”现象出现，严重影响工程进度，有待科研人员对此加以研究解决。现场检测结果显示，冲击碾压处理20遍后，粉细砂地基沉降量基本稳定；基底的回弹模量和压实度满足规范的相关要求。冲击碾压处理粉细砂地基达到了预期效果。

表2 地表沉降观测值一览表

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[2]JTG D30—2004，公路路基设计规范［S］.

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[4]徐超，等.冲击碾压法处理粉土地基试验研究［J］.岩土力学，2011，(2).

[5]郑仲深，丁建.冲击式压路机及其应用［J］.铁道建筑技术，2000，(4).