冲击碾压在阜朝高速公路上消除湿陷性黄土的应用研究

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摘要:根据阜朝高速公路工程中采用强夯法处理湿陷性黄土地基的具体实践,对冲击碾压处理前后的效果进行了对比分析,指出了冲击碾压法应用于高速公路的地基处理具有可靠性和适用性。

关键词: 冲击碾压 湿陷性黄土

一、冲击碾压处理阜朝高速公路湿陷性黄土路基的试验及观测

冲击碾压法通常采用的设备按冲击能的不同可划分为25KJ和32KJ两种,按冲击碾压设备分胶轮式和履带式两种。市场上比较常见的冲击碾压设备是冲击能为25KJ的履带式冲击压实机。

冲击碾压法一般用于机场工程的路基压实与地基处理,2000年在河北宣大高速公路首次采用南非蓝派公司生产的冲击碾压设备处理湿陷性黄土,后来又先后在山西长晋高速公路、陕西禹阎高速公路、青海马平高速公路等多项工程中采用,均取得较好的处治效果与良好的经济效益。

二、冲击碾压法处治湿陷性黄土的机理

如图1所示,冲击碾压法处治湿陷性黄土是采用三边或五边形“轮子”来产生集中的冲击能量达到压实土石填料的目的。冲击压实机在重型工业拖车的牵引下以9～12km/h的速度向前碾压,当其一角立于地面,向前碾压时,另一侧轮短半径发重力加速度落至地面,产生巨大的冲击波,导致土的孔隙比发生变化,使土体均匀密实,从而降低土的渗透性。冲击碾每秒钟冲击地面两次,相当于低频大振幅冲击压实土体,产生强烈的冲击波向地下深层传播,具有地震的传播特性,其压实深度随碾压遍数递增。

三、冲击碾压法处治的施工的方案设计

冲击碾压最初根据市场的设备调研情况选用履带式25KJ三边形冲击式压路机进行,后来根据施工进场设备情况又增加胶轮式32KJ三边形冲击式压路机进行试验。

(1)设计

黄土路基填前碾压采用25KJ三边形冲击式压路机,以12km/h冲碾速度碾压;按10、20、30、40、50、60遍进行冲击碾压;每10遍在直线段测点处测定不同遍数的下沉量、压实度;测定方法用水准仪直接在车道上量测下沉量,得到不同碾压遍数的平均下沉量。

(2)施工设备:25KJ三边形冲击式压路机。

(3)施工工艺:

① 测量放样,清理并平整施工场地;② 用白线划出碾压路线;③ 冲击碾压。④ 每10遍在直线段测点处测定不同遍数的下沉量、压实度。

(4)试验检测:

1)施工前试验检测

① 在试桩区布设至少4个人工探井,深度大于预期加固深度2~3米,深度1.5米以上20cm、60cm,100cm、140cm取一原状土样,深度1.5米以下按每间隔0.5米取一原状土样,进行土的常规试验和湿陷性试验,求得土的含水量、干湿密度、孔隙比、塑液限及湿陷系数、自重湿陷系数和起始湿陷压力。② 场地土的击实试验:求得土的最佳含水量,最大干密度③ 冲碾前测定地面(冻层)下20cm的天然干密度,按每20米路段长碾压宽度左、中、右位置测试。主要采用核子密度仪,用灌砂法核对。

2)施工中试验检测

① 检测和记录每遍冲碾速度;② 每10遍在直线段测点处测定不同遍数的下沉量、压实度。下沉量测定方法用水准仪直接在车道上量测下沉量,压实度主要采用核子密度仪,用灌砂法核对。

3)施工后试验检测

① 测量地表高程。② 在试桩区布设至少4个人工探井,深度大于加固深度2~3米,深度1.5米以上20cm、60cm,100cm、140cm取一原状土样,深度1.5米以下按每间隔0.5米取一原状土样,进行土的常规试验和湿陷性试验,求得土的含水量、干湿密度、孔隙比、塑液限及湿陷系数、自重湿陷系数和起始湿陷压力。

四、冲击碾压处治试验与试验效果分析

根据课题工作的场地安排,冲击碾压处治安排在K397+400～K397+600段和K497+670～K497+730段进行25KJ三边形冲击碾压试验。

1)场地的工程地质条件

根据区域工程地质调查和现场地质钻探的结果,K397+400～K397+600段场地地貌为Q3大三家河二级阶地,场地内地形平坦。主要地层表层10.8～12.5米为黄土状亚粘土,其下4.2米为Q3卵砾石,再其下地层为砖红色的白垩系粉砂岩。根据现场挖探取样试验结果,表层黄土状亚粘土的物理力学性质见表1,冲击试验前后的动力触探数据见表2。根据对该段试验前取样试验的物理力学指标进行统计,该段湿陷系数δs=0.042,自重湿陷系数δzs=0.024,湿陷起始压力Psh=93.0kPa,湿陷量s=233.4mm,湿陷程度中等,湿陷等级Ⅱ级。根据试验测定,该场地黄土状亚粘土的最大干密度为1.89g/cm3,最佳含水量14%。2)冲击碾压的施工设备与施工工艺

施工采用设备为履带式25KJ三边形冲击压路机。

冲击碾压施工于2005年12月28日进行,具体施工工艺流程如下:① 挖掘机开挖表层冻土80cm,开挖长度140米,宽度20米。② 施工测量放样,每20米作为一测量断面,每断面测量两点,间距8米,分左、右两点。③ 用白线划出碾压路线。④ 以12km/h冲碾速度碾压。⑤ 分别在冲击10遍、20遍、30遍、40遍、50遍、60遍后,测量施测点的压实度及沉降量,压实度采用灌砂法及核子密度仪检测,沉降采用水准仪测量。见表1

3)冲击碾压的处治效果分析见表2

根据冲击碾压60遍以后地层的取样试验,地层各深度内黄土状亚粘土的物理力学性质见表3,试验过程中冲击遍数与地层沉降量统计表见表4,冲击遍数与地层压实度统计见表5。

五、结论

① 通过对比表3和表5可以看出,采用履带式25KJ三边形冲击压路机以12km/h冲碾速度碾压60遍,至少可以消除1.0米深度内地层的黄土湿陷性。

② 从表4可以看出,无论按单点数据或平均数值去分析冲击碾压的数据,随冲击遍数的增加,路基沉降量逐步减小的趋势,冲击40遍左右,地层沉降量开始有异常数据现象,具体来说,沉降量有负值或突然增大的现象。说明冲击碾压40遍以后,再增加冲击碾压遍数不增加处理深度。

③ 从表5可以看出,随冲击碾压遍数的增加,湿陷性黄土路基的压实度逐渐增加,至35～40遍左右达到最高值,再次冲击路基压实度降低,说明冲击碾压40遍的地基土的压实效果最好。

④ 从表2可以看出,冲击碾压处治后,地层的连续动力触探击数增加,至地层埋深0.9米左右,试验前后动力触探击数接近逐渐重合。

⑤从表3和表1中可以看出,冲击碾压处理对湿陷性黄土的主要物性指标都有变化,含水量处理后较处理前增大,含水量随深度变化没有规律;湿密度、干密度值处理后较处理前明显提高;孔隙度、孔隙比试验后较试验前减小,处理前后孔隙度、孔隙比随深度变化逐渐接近,至2.5米重合;压缩系数处理后较处理前明显降低,压缩模量处理后较处理前明显提高;湿陷系数处理后较处理前明显降低,随深度变化逐渐接近,至2.5米重合。综合上述所有物性指标变化规律,可以判定本段试验的影响深度为2.5米。

综合以上数据,我们认为:K397+400～K397+600段的冲击碾压试验,采用履带式25KJ三边形冲击压路机以12km/h冲碾速度碾压,冲击遍数为40遍时处理效果最好,处理的有效深度最大,路基压实度最高,可以消除湿陷性黄土的湿陷性,路基下沉量为0.107～0.120米,冲击碾压的有效影响深度为0.90米。

参考文献:

[1]谢定义.讨论我国黄土力学研究中的若干新趋向.岩土工程学报,2001,23(1):1~13

[2]裴章勤,刘卫东,《湿陷性黄土地基处理》,中国建筑工业出版社,1992

[3]汪国烈,李新怀,大厚度湿陷性黄土的工程处置,西部开发中的岩土工程问题(岩土工程系列学术研讨会之九论文集),上海:同济大学出版社,2005: 12~15.

[4]龚晓南,《地基处理手册》(第二版),中国建筑工业出版社,1999

[5]GB50025-2004,湿陷性黄土地区建筑规范,北京,中国建筑工业出版社,2004