湿陷性黄土地基冲击压实加固处理分析

2021-07-07许鸿泽

山西交通科技 2021年2期

许鸿泽

（临汾南高速公路管理有限公司，山西临汾 041000）

冲击压实技术是利用碾压轮自重和冲击力对土体进行碾压，在碾压过程中将重力势能转化为动能，对土体产生强烈的冲击作用[1]。由于冲击式压路机质量大、冲击能量大，可有效提高压实厚度，减少碾压遍数，并可显著提高路基的压实效果。冲击压实不会破坏土体结构，可以对土体进行连续冲击压实，施工速度快，压实成本低[2]。通过分析冲击压实技术的作用机理，结合高速公路湿陷性黄土地基施工实践，阐述冲击压实施工工艺，并在不同碾压遍数下对地基土的物理力学性质、压实度和压实形变情况进行检测，统计试验数据作为分析湿陷性黄土地基加固效果的主要依据。

1 冲击压实机理

冲击压路机质量大，同时具有强夯机和振动压路机的性能，在冲击压实和滚动碾压的综合作用下，构成一个复杂的压实过程。在压实作业中，冲击压路机碾压轮对地基产生大振幅冲击碾压，以高振幅、低频率的方式对地基进行强烈冲击，提高压实厚度和压实质量，降低碾压遍数。与传统的圆形碾压轮压路机相比，冲击压路机采用三边形、四边形或五边形碾压轮，通过大功率牵引车带动碾压轮完成碾压工作[3-4]。

2 冲击压实施工方案

2.1 工程概况

某高速公路设计采用双向四车道，路基设计宽度为26 m，部分路段位于黄土地区。黄土厚度分布不均匀，一般为1.2～1.8 m，该路段黄土主要为第四系风积黄土状亚砂土，土体结构松散，土质均匀性差，孔隙发育，经试验确定该地区黄土为非自重湿陷性黄土，湿陷等级为Ⅱ级。为了提高湿陷性黄土地基承载力，该项目施工中拟采用冲击压实技术进行地基加固。大面积铺筑前，先铺筑试验段，试验段长度为300 m，试验段路基底宽36 m，路基边坡坡度1∶1.5，路堤填筑高度为4.3～8.2 m。试验段湿陷性黄土平均天然含水量为21.8%，路基填料选取碎砾石土或黏性黄土，经击实试验确定最佳含水量为14.3%，实验室最大干密度为1.92 g/cm3。

2.2 湿陷性黄土地基冲击压实施工工艺

本项目冲击压实施工选用SD25三边形碾压轮，冲击能力25 kJ，设备自重12.5 t。采用ZL50装载机或专用牵引车牵引，最佳冲击碾压速度为10～15 km/h，压实宽度2×920 mm。压实影响深度可达到5 m，有效压实深度1 m，路基填筑最大分层厚度可达到1.5 m。地基冲击压实之前，清除地基表面的植被，挖除种植土，使用平地机整平后方可进行冲击压实。

地基整平后进行测量放样，布设沉降标并测量标高，然后开始冲击压实。在冲击压实6遍后，检测地基压实度和压实量。根据地基实际情况进行整平洒水，检查沉降标，压实度达不到要求继续碾压。

三边形碾压轮滚动一圈，可完成3次压实和3次冲击。碾压1遍对一点的冲击碾压功率仅为1/6，因此每冲击6次作为一个作业循环，计为碾压1遍。自地基边线以外3 m向路基中线进行冲击碾压，轮迹重叠不少于1/2，碾压速度12～15 km/h，保证每一个点都能得到压实。每冲击6次，即碾压1遍进行一次检测，检测土体物理力学性质、压实度和变形情况。另外，为了保证地基每个点都达到碾压要求，还需要适当增加冲击次数。根据压实后地基土物理力学性质变化情况、检测结果确定压实效果，分析确定本项目湿陷性黄土地基冲击36次，压实遍数为6遍。冲击压实完成后，使用平地机进行整平，钢轮压路机静压1～2遍，保证地基表面平整度和压实度满足设计要求。

3 地基冲击压实加固效果分析

3.1 地基土物理力学性质变化情况分析

为了确定不同冲击碾压遍数下土体的物理力学性质变化情况，在冲击碾压前、每碾压1遍后对湿陷性黄土地基的干密度、孔隙比、压缩模量和湿陷系数进行检测分析，得出各指标冲击碾压前、碾压3遍和碾压6遍数后的变化曲线如图1～图4所示。

图1 冲击压实前后地基土干密度变化曲线

图2 冲击压实前后地基土孔隙比变化曲线

图3 冲击压实前后地基土压缩模量变化曲线

图4 冲击压实前后地基土湿陷系数变化曲线

分析图1曲线，可以得出随着碾压遍数的增加，地基土干密度不断提高，且随着土层深度增加干密度增加幅度有所下降。与冲击压实之前相比，碾压3遍后地基土干密度最大增加幅度达到28.9%，发生在地基土以下20 cm处。碾压6遍后不同深度地基土干密度增加幅度达到14.2%～33.6%。说明冲击碾压6遍后地基土干密度提高显著，进而有效提高了地基强度。

分析图2曲线变形情况，得出随冲击压实遍数的增加，地基土孔隙比不断变小，密实度不断提高。地基土在冲击压实过程中颗粒进行了重新排列，降低了土壤颗粒之间的空隙，加密了地基土。

分析图3变化曲线，地基土压缩模量随冲击压实遍数的增加而提高，尤其是在地基以下0～0.8 m范围内，冲击碾压6遍后，地基土压缩模量均达到了20 kPa以上，提高幅度达到1.2～3.6倍。

分析图4曲线变化情况，在冲击碾压6遍后，地基土湿陷系数均低于0.015。结合《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025—2018）中的相关规定，湿陷系数低于0.015属于非湿陷性黄土。说明采用冲击压实处理后，地基以下1.0 m深度范围内的土体湿陷性消除，说明冲击压实可有效处理湿陷性黄土地基，达到了预期效果。

综上所述，该试验段经冲击压实处理后，地基土物理力学性质得到了有效改善，干密度和压缩模量大幅增加，孔隙比减小，地基以下1.0 m深度范围内的土体消除了湿陷性。

3.2 压实度检测结果分析

为了检测地基土冲击压实效果，在试验路段选取测点检测地基土压实度。选取测点深度为20 cm、50 cm和80 cm，对冲击碾压前、不同碾压遍数后的压实度进行检测，检测结果如表1所示。

表1 不同地基土深度压实度检测结果 %

分析表1压实度检测数据可知，冲击压实6遍后，地基土压实度明显提高，其中0～50 cm深度范围内的地基土压实度均超过90%，地基土密实度明显提高，压实效果明显。

3.3 地基压实形变检测结果分析

为了检测湿陷性黄土地基冲击压实作用过程中的形变情况，在试验路段选取3个横断面，分别在道路中心线及其左右两侧各5 m处布置观测点。在地基土冲击压实过程中，分别在冲击碾压1遍、2遍、3遍、4遍、5遍、6遍后进行观测，观测结果如表2所示。

表2 地基压实形变观测结果统计表 cm

分析表2地基压实形变数据可知，在冲击碾压过程中，3个检测断面地基土均产生了较大压实形变。随着冲击碾压次数的增加，累积压实形变不断增加，且沉降量较大，冲击碾压6遍后累积沉降量平均值达到23.1 cm。在冲击压路机的作用下，地基土内部的孔隙水消散，孔隙比降低，土壤颗粒重新排列，密实度大幅提高，并接近于弹性状态。