冲击碾压施工技术在湿陷性黄土路基处理中的应用

祁敏艳

（山西交通物流集团有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

黄土是新地质时期所形成的特殊的非饱和欠压土状堆积物，主要由棕黄色或黄灰色尘土和粉沙细粒构成，均质，疏松且多孔隙，垂直节理发育，在土体自重压力及土体附加压力和自重压力的共同作用下，被流水浸润后极易发生大量的侵蚀、剥落、塌陷。如果在公路工程建设前不对湿陷性黄土路基进行加固处理，必然会给工程带来严重破坏。当前常用的湿陷性黄土路基处理技术有挤密桩法、强夯法、预浸水法、化学加固法等，其中强夯法对于厚度深、面积大的湿陷性黄土较为适用，且对周围既有建筑会产生较大扰动；挤密桩法对于局部深厚性湿陷性加固适用，属于复合地基技术；预浸水法、化学加固法消耗水量大，对于周围土体存在较大污染，无法实现绿色施工目标。

冲击碾压技术于20世纪90年代中期引入我国公路工程施工领域，冲击碾压也称为非圆碾压，属于新型碾压技术，其主要借助冲击压路机对地基土实施冲击+揉搓的组合式碾压[1]。当前常用的冲击压路机主要由压实轮和大马力牵引机等部分构成，压实轮分为空心体、实体、填充体等形式以及三边、四边、五边及六边形等形状。在施工过程中，压实轮以不断滚动的方式和待加固地面接触，压实轮碾周期性冲击地面，所产生的冲击波持续向地表以下传播，土体颗粒也持续发生位移、剪切和变形，深层土体密实度不断提升，并最终起到消除软弱土体湿陷性，降低沉降，提升路基稳定性的工程目的。

1 工程概况

某高速公路C20标段起讫桩号K56+000—K65+268，线路长9.268km，线路段地处关中平原，地势整体呈东南低、西北高的格局，地貌以台塬和平原为主。地表为第四系堆积物粉质液限土，地表以下为土质均匀、结构致密、层理清楚的风积粉质液限黏土，全路段均表现为明显的湿陷性特征。湿陷性黄土处理是该高速公路C20标段路基施工质量控制的重难点，按照设计进行该标段湿陷等级划分，划分情况具体见表1。加固前，该高速公路路基段湿陷性黄土干密度在1.31～1.43g/cm³之间，孔隙比在0.896～1.066，压缩模量3.0～6.5MPa，摩擦角19.5～22.4°，黏 聚 力18～48kPa，渗 透 系 数1.634×10-6cm/s～8.536×10-6cm/s。

表1 湿陷等级划分情况

对于K56+000—K58+475段及K59+120—K60+265段严重自重湿陷地段而言，路堑段按照开挖宽度冲击碾压20遍，顶部通过覆盖50cm厚的二八灰土封闭。具体见图1。路堤段不设置排水沟时，将坡脚内1.5m到坡脚外2.0m的区域按照0.3m的厚度封闭，设置排水沟时，将坡脚内1.5m到排水沟之间通过0.3m厚的二八灰土封闭。具体见图2。以冲击轮质量16t、冲击能最大值25kJ的YCT-25型冲击压路机和QCY-360型冲击压路机牵引机为主要施工机械。基地冲击碾压20遍，最后碾压得到的沉降量不超出1.0cm，地表以下1.0m范围内土体压实度及二八灰土压实系数应分别达到90%及0.95以上。

2 湿陷性黄土路基处理

2.1 施工准备

在施工开始前进行测量放样，并通过白灰将冲击碾压范围标出，同时处理好临时截排水，截断流向路基施工区域的水源，在排水沟位置增设临时排水沟，为施工过程中排水通畅提供保证。此外，将施工场地内0.3m厚的表土彻底清除，通过推土机和平地机整平，在达到平整度要求的基底设置沉降观测点。

2.2 施工工艺

为保证湿陷性黄土路基施工达到设计密实度要求，提升路基填料的承载能力及整体性能，必须在施工开始前进行碾压施工机械的选择及压实方案的确定。在冲击碾压施工前进行表土层0～0.5m厚度土体含水量的检测，如果实际含水量超出最佳含水量的3%，必须挖翻晾晒，相反则应洒水润湿，确保实际含水量不超出最佳含水量的±3%[2]。进行所设置观测点沉降量的观测，并根据观测结果进行碾压速度的调整。

全面检测施工机械各系统管路和接头处是否存在松动、裂纹，性能良好后方能启动，YCT-25型冲击压路机在QCY-360型牵引机的牵引下按照不低于5.0km/h的速度行进，先慢后快，从内侧开始逐渐向外侧碾压，纵向搭接宽度应为碾压轮的1/2轮宽，横向错轮碾压轮痕重叠宽度应根据冲击轮宽度确定，对于单宽0.9m的冲击轮，两轮之间距离1.2m时，每次重叠宽度应为0.2m，至少错轮重叠碾压2次才能将两轮之间空间完全覆盖。如此操作，直至错轮重叠碾压至路基另一侧边缘后，才可结束路基横向碾压。通过横纵向错轮碾压，确保地面均匀受到碾压冲击力，同时保证地基土密度均匀，地基强度的提升幅度也保持一致。

冲击压路机在启动、停止等过程中必须保持速度和方向的平稳，避免对路基平整度造成不利影响。上下坡过程中必须提前换好挡位，避免在上下坡期间换挡；转移施工场地时，为防止压坏道路，应支起底部冲击轮后再驶离地面。

冲击碾压对填料含水量要求不高，对于工程用水短缺的山丘区域十分适用，本工程湿陷性黄土路基碾压施工期间为避免填料因冲击而散发出大量灰尘，进而损失冲击能，必须在施工开始前通过洒水车洒水处理。冲击碾压对于深层土体存在较好的密实加强作用，但是因碾压轮所产生的冲击力较为集中，会对表层土造成一定程度的松动影响，进而引发表面高低不平现象，为此，必须在冲击碾压过程中配合使用普通压路机和平地机，保证表层土压实度和平整度。

3 施工效果检验

3.1 室内试验结果

冲击碾压加固后该高速公路标段地基土采样后室内试验结果所得到的土体物理力学性能指标具体见表2。将表中试验结果和加固前湿陷性土体物理力学性能进行比较可以看出，土体压缩模量增大程度明显，黏聚力和湿陷系数减小，深度越浅渗透系数降低幅度越大。

表2 加固后土体物理力学性能指标

3.2 压实质量检验

土体在遭受到一定冲击时间的竖向冲击力后将产生一定的抗变形能力，这种抗变形能力参数便是动态变形模量[3]，其取值可根据平板压力公式求得：

式中：Evd为动态变形模量（MPa）；r为圆形刚性荷载板半径（mm）；σ为荷载板下方所承受的冲击动应力最大值；s为荷载板沉陷值（mm）。

该高速公路黄土路基冲击碾压施工后通过动态变形模量测试仪进行碾压质量检测，该仪器构造见图3所示。该仪器适用的土壤范围除与K30平板载荷仪相同外，还特别适用于基坑回填、路基桥涵过渡段等场地狭小的困难地段地基检测。在检测前先保证地面平整，对于个别凹陷的地面必须通过细砂找平处理，此后将荷载板放置在待测试地面，安装好导向杆并使其处于垂直状态。抬升落锤并将其挂在挂钩装置上，进而使落锤脱钩并自由落下，等落锤反弹回来后再次挂在挂钩装置上，如此循环操作三次进行预冲击。正式测试开始后必须防止荷载板发生跳跃和平移，并根据测试结果进行各个测点位置、检测时间、土体类型、含水率等试验参数的准确记录。

该高速公路基床表层和过渡段路基填筑压实新增动态变形模量评价指标，基床表层级配碎石动态变形模量Evd不小于55MPa，路堑中粗砂Evd不小于45MPa，沿路线纵向按照6点/100m的频次进行检测，其中路基中间检测2点，与路肩边缘各相距1.5m的范围内分别检测2点。基床底层改良细粒土、砂类土和细粒土、碎石土及粗粒土Evd不小于40MPa，沿路线纵向每层按照4点/100m的频次进行检测，其中中间检测2点，与路基边缘各相距2.0m的范围内分别检测1点。基床表层以下级配碎石Evd不小于50MPa，过渡段每层分别检测3个测点。待该高速公路标段湿陷性黄土路基处理后通过动态变形模量测试仪进行效果检测，共设置1 008个测点，每个测点耗时3min，共耗时3 024min，即50.4h。如果使用K30平板载荷仪进行处理效果检测，则每个测点耗时30min，共耗时504h。

根据动态变形模量测试仪所得到的湿陷性黄土路基处理结果，表土以下1.0m深度范围内土体压实度达到90%以上，湿陷性系数均不超出0.015，处理效果较好。

3.3 含水量及沉降检测

对该高速公路标段湿陷性黄土路基加固处理后展开地基土含水量和基底沉降观测，根据基底不同位置干密度、孔隙比、压缩模量等的变动趋势看出，冲击碾压对湿陷性黄土路基的有效处理深度在2.5m以内；从湿陷系数、黏聚力、内摩擦角的变化趋势看，冲击碾压加固处理的有效深度在1.5m以内；从渗透系数试验数据看，冲击碾压加固处理的有效深度在1.0m以内。

试验结果表明，冲击碾压对于湿陷性黄土路基浅层加固处理效果良好，土体物理力学性能均有不同程度的提升，湿陷系数、孔隙比及渗透系数均呈减小趋势。黄土土体中体积含水量基本保持不变，说明该公路段冲击碾压结束后封闭层施工及防排水工程防渗效果良好，但冲击碾压施工对湿陷性黄土路基沉降的抑制作用并不明显（见图4）。

4 结语

综上所述，案例工程高速公路C20标段位于非自重湿陷性黄土地区，本文所提出的施工方案和施工技术参数可保证路基结构的稳定，公路施工期间及施工结束后对加固处理效果的跟踪检测结果显示，湿陷性黄土路基冲击碾压施工能基本解决湿陷性问题，提升土体结构密实度和地基承载力。由于湿陷性黄土属于特殊类型的黏性土，粉土及易溶盐含量高，遇水易冲蚀、湿陷和崩解，必须在施工过程中加强防排水，避免黄土因浸水而湿陷沉降；此外，应根据黄土湿陷类型选择合适的加固施工技术，保证加固处理效果。