冲击碾压工艺在路基施工中的应用探讨

2020-09-07王宏伟李建兵

公路工程 2020年4期

戴丽，王宏伟，李建兵

（1.南通理工学院，江苏南通 226001； 2.南通经济技术开发区公用事业管理有限公司，江苏南通 226001； 3.南通元亨建设工程有限公司，江苏南通 226000）

路基作为道路主要结构，承受着路面传递的荷载，因此要求路基具有必要的强度和稳定性［1-3］。实际工程建设中，由于路基压实度不合格造成车辙、水毁、不均匀沉降等病害，导致路面使用性能下降，引起公路结构损伤［4-6］。目前，路基补强压实主要采用冲击碾压［7-8］和强夯［9］，由于冲击碾压具有较高工作效率，因此在路基补强中得到更为广泛应用。有研究表明，采用冲击碾压对1.5 m层厚度路基进行压实，能够提高路基压实度3%～5%［10］。利用冲击路压机对细粒土砂砾路基进行冲击压实试验，路基的平均弹性模量、压实密实度等都得到较好改善，有效减小了工后沉降，避免路基变形沉降而引起的路面变形开裂［11-13］。从工程实际出发，针对我国西南某特殊黄土路基结构为研究对象，分析冲击碾压工艺对黄土路基性能的影响，以期改善黄土路基使用性能。

1 工程背景

某高速公路国道主干线位于甘肃省境内，路段设计为双向四车道，道路全长92.4 km，路基宽28 m。公路段沿线经过的渭河地区，属于一级黄土平原区。该路段范围内以第4系黄土分布为主，占总路段的90%，其他包括马兰黄土、离石黄土和午城黄土。马兰黄土位于公路段K12＋000—K135＋200（该段长123 km）位置。土层结构由淡黄色和灰黄色亚粘土构成，垂直节理发育明显，空隙大，具有很强的湿陷性和高压缩性，承载能力较低。离石黄土位于马兰黄土下方，厚度几十米到一百米不等，主要由亚粘土、橘色黄土为主，土质较为均匀，结构致密，承载能力相对较高。午城黄土位于离石黄土下方，厚度约50 m，主要以棕红色和深红色砂纸粘土为主，结构紧密、柱状节理丰富，并具有微膨胀性。图1为土层结构示意图。

图1 土层结构示意图Figure 1 Schematic diagram of soil layer structure

从土层结构可以看出，该路段以高压缩性和中压缩性土层为主，黄土土层具有严重湿陷性［14］。在施工开挖过程中，需要进行大量填挖土方；为满足道路设计要求，需采取相应措施降低黄土湿陷性对路基影响，同时保证该土层的压实度。对非自重引起的湿陷性路段，可采用冲击碾压方式压实。对于填方较大的路段，每间隔一定高度对道路路基进行追密压实。对自重湿陷性较严重路段，在填方路基两边10 m范围采用振动压实，在挖方区采用冲击碾压方式碾压。

2冲击碾压工艺性能分析

2.1 试验方案

对于选定的路基段，路基底基层是粉质粘土，为湿陷性粘黄土，土层结构松软，压缩性高，具有较大的孔隙，分别以该路段中三段道路为试验对象，表1为试验路基湿陷情况。对路段底基层进行碾压，碾压过程中，每填0.8 m或1.0 m，通过压实路基达到要求，为保证碾压路基稳定性，通过冲击压路机再次对路基进行补压，避免出现不均匀沉降。

表1 试验路基湿陷情况表Table 1 Table of collapsibility of Test subgrade

在路基碾压前，采用撒灰布线布置压实路线，碾压过程尽量保证车轮分布均匀。如图2所示。压实冲击段大于200 m，路基两端设置长度约40 m缓冲区。采用光轮机压实地面，要求平整后地面坡度小于4%，高度小于0.1 m。为兼顾工作效率和工作环境，设定冲击路压机行驶速度12 km／h。在缓冲区，利用牵引车拖动冲击碾压，每次碾压过程中，在纵向错开1／6车轮距，依次前后独立碾压6次，再横向错开，保持车轮距重合度20～30 cm，完成一次碾压周期。当完成两次全周期碾压后，由起始点开始，按相同要求进行纵向碾压，即进行路基的冲击碾压。

图2 冲击碾压行走线路Figure 2 Impact rolling walking line

2.2 试验段检测

冲击碾压前，冲击过程、冲击结束后分别每隔50 m进行人工开挖取样，测量样品物理指标。一共取5个样品断面，每个断面取3个测点，测点分别布置在道路断面中线和中线左右侧15 m和20 m，共布置15个测点，图3为位测点现场布置图。分别记录测点沉降数值大小，并检测不同深度压实度。冲击结束后进行开挖试坑验算，分别取0.5、1.0、1.5、2.0 m深度样品进行相关性能参数检测。

图3 测点现场布置图Figure 3 Site layout of measuring points

2.3 结果分析

孔隙比是衡量土体紧密度的指标。图4可以看出，土层孔隙比随着碾压次数增多而减小，土体深度越深，孔隙比减小速率逐渐下降，说明土体在不断重复碾压过程中，上部土体孔隙率减小速率较快，而下部土体由于受上部的承压作用，土体的孔隙减小幅度较小。

处理路基的目的是降低湿陷性对黄土路基影响［15］。由图5可以看出，黄土土层的湿陷性系数随着冲击次数增加而不断减小；随着土层深度增加，重复碾压对湿陷性的消除作用逐渐减弱，但土体湿陷性依然能得到有效改善，满足路基使用性能需求。

土体压缩模量是衡量地基容许承载力和计算地基变形的一个重要指标［16］，由表2可以看出，在土体表层2 m范围内，随着冲击次数的增加，压缩模量得到提高，但在表层1 m内的土层压缩模量提高显著；随着土层深度增加，对压缩模量改善作用逐渐下降。整体来讲，在经过冲击碾压后，土层承载力得到显著提高。

图4 不同碾压遍数的土基孔隙率变化曲线Figure 4 Variation curve of porosity of soil foundation with different rolling times

图5 不同碾压遍数的土基湿陷系数曲线Figure 5 Collapsibility coefficient curve of soil foundation with different rolling times

表2 土层压缩模量变化Table 2 Variation of compressive modulus of soil layer

土体沉降量能显著体现冲击碾压效果。由图6可以看出，土体累积沉降量随着碾压次数增加而不断增大。其中土体沉降量在进行12遍压实前的增幅显著，当碾压第12遍至40遍时，沉降量增幅逐渐下降，当碾压至40遍后，土体沉降量几乎不再发生变化，此时最大沉降量维持在27.9 cm。因此，通过不断冲击碾压能够让路基提前达到施工要求，同时能降低土基不均匀沉降特性。