冲击碾压与土工格室在软弱土路基处理的应用

谭 练 武

(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

杂填土是由于人类的生活和生产活动而形成的地面填土层，是道路建设尤其是市政道路建设中常见的一种软弱土。杂填土的厚度一般变化较大，在大多数情况下，杂填土颗粒尺寸相差较为悬殊，颗粒之间的孔隙大小不一，往往都比较疏松，抗剪强度低，压缩性较高，一般还具有浸水湿陷性[1]。正因为杂填土工程性能差，路基填筑中通常需要根据杂填土特性的不同采取换填、强夯或碎石桩挤密等方法进行处理。

在工程实践中，换填法一般适用于厚度不大于3 m的杂填土，该方法具有施工速度快，处理效果可靠的优点，但其经济性随着杂填土厚度的增加逐渐降低，同时也会带来废弃土堆放的问题。强夯处理法的处理深度一般可达6 m～8 m，且经济性好，但因为其夯击能巨大，对周边建筑影响严重，通常在周边建筑密集的市政道路工程中难以适用。碎石挤密桩在杂填土深度较大(通常不小于8 m)的工程中，适用性较好，能够有效解决杂填土沉降大且不均匀的问题。然而，由于碎石桩施工较为繁杂，施工周期较长，具有明显的规模效益，经济效益随着杂填土厚度和范围的减小而急剧下降。因此，碎石桩在工期紧张、杂填土厚度或处理范围较小的情况下并不适用。

综上，有没有一种能适用于软弱杂填土深度适中(深度6 m～8 m)、施工对周边影响小且在各种规模软弱土均能较高发挥经济效益的处理方案，是一个值得探讨的问题。

1 冲击碾压技术

冲击碾压技术在我国古代就早有应用，其主要应用形式为人工打夯，由于纯人工生产效率低，压实效果不明显，在很长一段时间内该种施工方法的使用受到很大的限制，逐步被能够实现连续压实作业的光轮压路机和振动压路机取代。然而这两种常规压实方法由于压实功能有限，通常难以取得深层压实的效果。因此，一种兼具高效率连续压实作业和巨大冲击压实功能的新型压实机械的研制被提上日程。直至20世纪中叶，南非Aubrey Berrang首先开发出了连续式冲击压实技术和设备，并以南非蓝派公司为典型代表在后续工程实践中该压实技术和设备得到大规模应用。

连续式冲击碾压技术于20世纪90年代在我国开始应用，先后应用于内地和香港的机场、公路等基础设施建设，取得较好的应用效果。连续式冲击碾压技术设备由牵引机和压实车两部分组成，其主要原理是：由机器牵引拖动非圆形压实轮滚动，非圆形压实曲线轮对地表产生冲击、碾压、揉压的综合作用[2]。压实轮在滚动过程中，当滚轮以最大半径与地面接触时，滚轮重心位于最高点，滚轮转过最大至最小半径该过程对地表产生冲击，此时的冲击力除本身的势能外还有冲击产生的动能，数量值相当于压实轮20倍～30倍自重；在滚轮继续滚动过程中，滚轮的非圆曲线轮廓持续对地表进行揉压、碾压，此过程中作用于土体的功能是压实轮滚动时平动和转动的动能之和。

连续冲击碾压技术突破了传统的静压和振动压实技术，以全新的方法达到对路基的深层压实和补强压实，相对于传统压实技术具有明显的优点。例如：可以大幅提高路基的压实度、承载力和整体强度；能够加快土体固结，显著减小工后沉降；可提高路基的均匀性、整体性和防渗性能。有研究表明，连续冲击碾压技术的影响深度可达5 m，远大于约30 cm的路基分层填筑厚度[3]。连续冲击碾压技术相较于传统压实技术的优点如表1所示。根据对比结果可知，连续冲击碾压技术在填筑较厚路基土及整体压实性能方面有着明显的优势。

表1 冲击碾压技术与传统压实技术对比表

2 土工格室

土工格室是一种常见的由高分子聚合物宽条带经强力焊接而成的三维网状土工特种材料，它常被铺设在地基中以达到改善地基抗拉和抗剪能力，提高土体承载力，降低地基沉降的目的[4,5]。

土工格室用于加固软土地基时的作用机理是：地基中未加入土工格室筋体时，地基在荷载的直接作用下形成一个楔形主动受压区，主动受压区的应力通过过渡区传递到被动受压区，被动受压区在受到力的作用下发生破坏向上隆起，从而地基发生不均匀沉降。当加入土工格室筋体时，土体和土工格室之间产生横向侧限力和竖向摩阻力，可有效限制主、被动受压区的变形，避免被动区发生隆起破坏，减小不均匀沉降，同时形成网兜效应，提高土体的承载能力[6]。土工格室软土地基加固机理如图1所示。

由于土工格室工程性能优越，其被广泛应用于软土路基处理领域以解决工后沉降大或不均匀沉降问题[7]，相对于其他软弱土路基处理方案主要特点如表2所示。

表2 软土路基处理方案对比表 m

根据对比可知，土工格室处理软弱土地基具有较好的经济性，但单独应用时处理深度有限，在处理深度较厚软土时(>5 m)，为保证处理效果应考虑采用其他技术措施联合应用。

3 应用实例

湖南省长沙市竹隐路为开福区高岭国际商贸城中的一条城市主干道，主要服务于长沙北城区的商贸物流，该道路K2+320～K2+470路基区域为软弱杂填土，填土厚度约6 m～8 m。道路临近已建商贸城，商贸城建筑距离道路红线约5 m，为配合商贸城开业道路建设工期紧张。原施工图设计该区域采用碎石桩处理，但工期较长无法满足商贸城开业工期需求，且造价较高，结合建设单位及主管各方意见拟变更设计方案。经各方讨论，设计单位提出采用蓝派压路机冲击碾压加土工格室处理联合处理的方案。

具体实施方案为：1)清除表层浮土厚度约1 m。2)采用蓝派压路机冲击碾压至路基无明显变形，冲击压路机型号为蓝派25T3-25KJ，该冲击压路机总体重量为27 t，输出功率为265 kW，冲击压实轮的重量为12 t，三角形压实轮的公称直径为2 m，轮径最大最小差值为22 cm，工作运行速度为12 km/h～15 km/h，最大冲击力250 t。3)采用12 t光轮压路机静压整平路面。4)铺设土工格室层，土工格室片高20 cm，材质为HDPE，抗拉强度不小于150 kN，连接点抗拉强度不小于150 kN，对应延伸率不大于15%，连接点连接直径不小于2.5 mm；土工格室网带连接方式采用U型钢钉插接编织，U型钉直径不小于2.5 mm；U型钢钉已做镀锌防腐蚀处理，土工格室张拉到位时每一个U型钢钉均为一刚性支撑点，在路基中用45°铺设。土工格室铺设宽度与路基同宽，土工格室内填充20 cm砂性土，格室填充饱满后整平以确保格室能正确张拉。整平压实后，在格室层上设置30 cm厚的集配碎石。根据以往工程经验，为更好的发挥土工格室的网兜效应，施工中保持土工格室布网主受力方向与路线纵向垂直，同时连接到位并及时填埋。土工格室施工过程中应注意防晒，以免影响土工材料性能。5)土工格室层以上土层按一般路基填筑要求分层压实。6)路基结构层顶设置沉降观测点，以观察后期路基沉降情况。沉降观测采用金属沉降板加载沉降法，为避免影响行车安全，沉降板分设与道路中心双黄线与路侧分隔带处，以二级中等精度要求进行几何水准测量高程，观测值误差小于1 mm。

竹隐路本路段于2016年12月建成通车，目前已安全运行4年，沉降观测点监测数值反馈结果显示该路段平均工后沉降约20 mm～30 mm，与一般填筑路基段基本一致，处理区域未见路面开裂情况，可见该方案处理效果明显，取得了很好的工程效果。

4 结语

冲击碾压和土工格室在路基填筑工程中都有着广泛的应用，两者均可有效减小路基的沉降、改善路基填筑性能。一般认为，冲击碾压是从路基竖向改善土体压实性能，而土工格室则是在水平向上对土体进行加强。本文将两者结合起来，形成一种路基双向加固处理方案应用于实际工程当中，并取得了良好的工程效果。