浅谈冲击压实在路基施工中的应用

'浅析冲击压实在路基施工中的应用路桥集团天津工程处皋北[内容摘要]本文针对冲击碾压技术在路基施工中的应用，通过理论分析与实际跟踪测量，对冲击碾压的机理、范围、技术效果、社会效益等方面进行了详细研究、分析，同时也为提高路基工程质量，改善与减少路基工后沉降，提高路基强度与均匀性等方面提供了大量的现场实测数据和资料。以备今后设计、施工参考。关键词：冲击压实压实度最佳含水量最大干密度一、前言随着我国交通事业迅速发展，公路建设突飞猛进，由于高速公路的道路性质与其所担负的交通量决定了对路基的要求很高，而高速公路的破坏往往源于路基。面对当前建设形势，高速公路一般要求周期短、质量高。如何满足量大、期短、质高的要求，这就需要我们采取一种有效、经济手段来解决此类问题。目前，高质量路基的压实技术方面尚存在不少变形破坏的技术问题，当施工工期紧，成型路基的稳定时间又不足，而现有静碾及振动压实机的施工，在客观上还不能有效地解决此类问题。例如对于山区路基填方高，且大量为石方或土、石混填，填筑厚度难于控制，振动压路机压实确实有困难；对于湿陷性黄土地基遇水后严重沉陷，不可能开挖重新填压，然而如何减少此类路基工后沉降，增加路基稳定性是当前公路建设者们面临的一个紧迫性问题。众所周知，公路是一条带状的、承受动静两种荷载的特殊人工建筑物，并且分布较广，不可避免地要经过大量的软土地质地区，如果对软基处理不当，将会使路基沉降过大，导致路堤失稳，路面开裂，桥台与路基沉降不同而产生桥头错台，路的中心沉降过大引起管涵弯曲和路基路面横坡变小等现象，严重者甚至彻底遭到破坏。从而使通过的车辆大幅度减速，有的甚至造成行车事故，影响了公路的正常营运。为了防止和解决路基的工后沉降，设计部门和施工单位都采取了许多行之有效的措施和方法，从高标准、高质量的使用要求出发，合理、可行、正确地处理软土地基及填前碾压等工序施工。二、冲击压实技术特点近几年来，道路的早期破坏现象比较严重，分析其原因，路基的工后沉降是主要原因之一，因此为了减少工后沉降加强路基，补压手段是非常必要的。河北省交通厅公路管理局及时组织召开了青银高速公路清河至赵县段“地基处理审核及优化报告评审会”10 。专家组一致认为：从受力分析可知，软弱地基要求处理深度均小于3m，因此对填方高度小于2m或大于6m的路段，路基填前碾压决定采用冲击压实进行施工。1、夯实机理冲击压实是岩土工程压实技术的最新发展，它突破了传统的碾压方式，同时具有静力、搓揉、振夯、冲击的作用，即静压振动压（低幅高频）冲击压（高幅低频）的冲击压实原理。其功能是使土体密实度均匀一致，使下压土加速固结，消除沉降，从而达到追加密实度，提高土基承载力。冲击压实机是由3~5瓣的凸轮构成的轮式压实机，通过拖车牵引多边形双轮产生集中冲击能量，连续快速夯击地面9~12km/h对土基产生250t的冲击力，具有地震波的传播特性，压实深度随碾压遍数递增。从而达到压实和被压土体压实度均匀的目的，能有效地保证提高路基的工程质量。2、碾压范围由于路基填土土源复杂，无法将粘性土和砂性土分别填筑，以及路基的CBR值不足，路基施工无论填方或挖方均要进行填前碾压。为了使填前碾压的土基密实度均匀，并检查有无软基存在；更重要的是为了消除半填半挖段、高填方段、深挖方段和近于零填方的路段的差异沉降，避免路面开裂而进行的追密压实。由于其冲击能量大、速度快。对目前公路建设中的如下领域具有明显的压实效果：（1）、一般路段的Ⅲ级以下湿陷性黄土地基处理；（2）、其它浅层（3m以内）软弱地基的冲击碾压；（3）、下路床的补压；（4）、设计高度6m以上路基的分层碾压等；（5）、高填方填石路基加宽的冲击碾压等；（6）、旧路改建与路基加宽的冲击碾压等；3、效果分析针对不同的土质及应用领域，根据不同的压实遍数、土质状况、层厚等，与普通振动压实机作技术经济对比分析。内容如下：10 冲击压实机与普通振动压实机效果对比分析表一项目冲击压实机普通振动压实机速度（Km/h）9~125碾压深度（m）1.0~1.50.20~0.30同样工程量需要时间40天4~5月代表弯沉（某试验段）6.80（0.01mm）16.27（0.01mm）三、冲击压实技术应用1、基底碾压应用为了有效地处理路基基底，提高施工效率和工程质量，合理利用冲击压路机冲击碾压技术适合于浅层软弱地基的大面积处理，达到冲击碾压后的地基局部变形，减少工后沉降的目的。2003年5月7日，我们选取了K128+800~K129+000作为试验段并进行了施工。为了便于沉降观测，以及现场数据的准确性、科学性，在冲压施工前我们已做好各测点的埋设工作，并进行了初始的检测。由于冲压后地表起伏较大，我们必须增加检测的样本数，提高观测结果的可靠与真实性。通过沉降观测，并结合理论分析、比较，从而能正确掌握其特性、处理效果及适用性。（1）、含水量、密实度检测通过重型击实试验所绘制含水量与密实度关系曲线形状图分析可知：该试验段最佳含水量为Wopt=11.9%，最大干密度为1.85g/cm3。并且干的一测曲线段较陡，说明在现场碾压过程中必须认真、仔细控制好含水量，如过干，就需要消耗过多的压实功，从而不经济。如过分潮湿，碾压就不稳定，容易产生“弹簧”。因此通过现场试验检测，我们对试验段进行了不同遍数、不同深度的含水量、压实度检测及控制，从而能够确定不同碾压遍数的有效影响深度。其结果如下：表二10 冲击遍数不同深度含水量（%）检测结果0cm20cm50cm80cm100cm120cm07.810.211.812.514.014.8108.79.911.512.613.214.8209.110.011.812.913.815.2258.89.711.212.213.514.2309.010.211.512.813.315.0表三冲击遍数不同深度压实度（%）检测结果0cm20cm50cm80cm100cm120cm082838584868510818889898988208391939190892584929492929130839495939391a、不同碾压遍数的冲压效果有效影响深度确定通过压实度与深度的关系图可知：120cm处深度的压实度从25遍到30遍基本没有变化。因此25Kj双轮三边形冲击压路机对此土质的有效影响深度不超过120cm，此处会形成连续、均匀、密实的加固层。b、含水量控制对于冲击碾压土的含水量（W）应位于Wopt－4≤W≤Wopt＋2之间。当土体的含水量高于Wopt＋2时，应先对地基事先加水湿润；当路基填料含水量低于Wopt10 －4时，应进行晾晒、翻松晾晒或掺灰拌和压实。特别在潮湿与干旱地区，可根据实际情况经试验确定验证后确定冲击碾压含水量的控制范围。在冲击碾压过程中，由于连续冲击作用，地下水通过土体毛隙孔作用上升，所以在表层100cm处下含水量会逐渐增大。c、密实性分析由于压实土体表层在冲碾过程中，表面会松散，压实度低。因此表层土层0~10cm之内压实度不具有代表性。其密实度最大值大约在表层下20cm~50cm之间。d、碾压遍数确定由于路基不同部位，不同层位采用冲击压路机补充碾压时，需要的冲压遍数取决于该层位原有的压实度和希望达到的压实度。所以本试验段要求压实度要求达到91%。通过现场检测结果分析，10~80cm之内压实度至少能够达到93%，所以选择冲击30遍是具有可行性。（2）、沉降观测在冲击施工前，我们做好了各测点的埋设工作，在施工中并进行了跟综定点测量。通过大量的测量数据，我们进行了归纳整理、筛选分析，内容汇总如下：表四碾压遍数测点布置定点沉降量S（cm）平均值S123456789100~10遍外行52.55.25.47.14.65.84.46.175.31中行43.63.44.24.45.14.24.64.43.44.13内行5.54.24.16.75.93.156.55.77.45.4111~20遍外行3.12.22.41.22.832.23.53.42.52.63中行2.22.61.82.72.13.22.82.123.32.48内行2.63.142.21.52.93.12.62.12.72.6821~25遍外行1.31.10.91.51.91.31.11.21.31.71.33中行11.31.61.71.30.91.21.30.81.41.25内行1.51.61.40.91.41.20.91.81.31.91.3926~30遍外行1.41.221.51.41.31.61.71.41.61.51中行1.711.51.41.31.61.911.11.51.4内行1.91.71.41.30.91.41.61.22.11.61.5110 合计0~30遍外行10.8710.59.613.210.210.710.812.212.810.78中行8.98.58.3109.110.810.198.39.69.26内行11.510.610.911.19.78.610.612.111.213.610.99计算分析10遍n=30S10平=4.950S=1.2445CV=S/S10平=0.251420遍n=30S10平=2.597S=0.6150CV=S/S10平=0.236825遍n=30S10平=1.323S=0.3025CV=S/S10平=0.228530遍n=30S10平=1.473S=0.2912CV=S/S10平=0.1976注：外行、中行、内行距离外边线4.5m，14m，23.5m。a、均匀性判断不管用什么类型的压路机碾压路基，都要求路基均匀性良好。均匀性常用随机检测的压实度的变异（或偏差）系数CV来表示。通过上表计算分析可知：0~10遍，S10平=4.950，S=1.2445，CV=0.2514。11~20遍，S10平=2.597，S=0.6150，CV=0.2368。21~25遍，S10平=1.323，S=0.3025，CV=0.2285。26~30遍，S10平=1.473，S=0.2912，CV=0.1976。所以路基均匀性良好，且平均沉降量范围为7~13.6cm。（3）、DN值、地基承载力检测动态圆锥贯入仪（DCP）简称贯入仪，属于一种小型触探仪。贯入杆旁连接1000mm的读尺，能直接读记每次的贯入值。这种贯入仪在国外已经在使用中积累了贯入值与相应土性指标的关系。其每锤击一次（blow）的贯入值（mm）为DN（mm/blow）。青银高速公路管理处有关领导与我项目经理部技术负责人联合组成专家小组，通过大量实测数据，并进行了回归分析计算，推算出地基承载力（Kpa）与锤击击数（次）之间的线性方程为：ƒ（χ）=8χ－20在冲击碾压前后，对试验段的各测试点进行了DCP测试，根据各测试点的DN值，进行归纳整理、分析、计算平均DN值，结果如下：贯入值（DN值）与深度的关系表五深度DN值（mm/blow）10 （cm）1020507080100120冲压前5.125.897.208.388.989.108.87冲压后5.862.781.972.993.874.985.10击数与深度的关系表六深度（cm）击数（次）1020507080100120冲压前8141918141312冲压后5183341252321地基承载力与深度的关系表七深度（cm）地基承载力（Kpa）1020507080100120冲压前4492132124928476冲压后20124244308180164148a、效果分析10 根据现场报告显示：土的强度和路基承载力都随土的密实度增大而增加。冲压在提高路基土压实度的同时，明显提高了路基的承载能力。因此通过基底填前冲击碾压，效果是比较明显。2、路堤（床）冲击补压应用对于新建公路振动碾压已达标的下路床顶面进行冲击补压可以有效地提高路床的密实度与强度，增强路床的整体性与均匀性，延缓路面的早期破坏，提高路面的服务水平。对于填高6m以上路堤，填挖交界路段进行分层冲击补压，可以有效地增加路基的密实度与强度，减少工后沉降，防止路面开裂。在江西梨园至温家圳高速公路施工中，采用红砂岩作为路基填筑材料。为了减轻公路的早期破坏，延长公路的使用寿命。江西省科委有关专家对红砂岩的物理力学性能进行了大量试验一致认为：对于红砂岩进行路基填筑材料施工来说，在摊铺上路床前采用冲击压路机对下路床顶进行追密补压是有必要的。（1）、压实度检测在下路床顶采用普通振动压路机碾压达标结束后，我们立即采用新设备CYZ25型冲击压实机对路基填方路段进行了补强碾压。并且对左幅和右幅离边线5m处及中间位置处进行压实度检测，表面0~40cm处采用挖坑灌砂法，40~100cm之间采用深层钻孔取样方法进行检测，因其准确性较低，我们增大了检测样本数。现摘引现场检测其结果如下：冲击前后各层压实度的统计值表八冲击遍数压实度（%）深度（cm）10~2021~4041~6061~8081~100冲击前压实度范围95~9996~10095~9993~9993~98平均值96.797.296.195.095.1离异系数（Cv）0.2250.2410.1980.1910.2781~10遍压实度范围96~10597~10696~10395~10294~102平均值99.1100.398.496.897.6离异系数（Cv）0.2140.1910.2210.3540.39811~15遍压实度范围97~10998~11097~10796~10496~105平均值101.3102.4100.399.4100.8离异系数（Cv）0.2410.1880.1990.2890.31416~20遍压实度范围96~11298~11497~11096~11196~108平均值104.1105.4102.9102.0101.7离异系数（Cv）0.1990.1840.1920.2450.29810 经过冲击碾压后，下路床平均压实度从96.7%增加到105.4%，压实度平均提高了8.7%，压实度的增长比值为1.09，上路堤平均压实度从95.0%增加到102.9%，压实度平均提高了7.9%，压实度的增长比值为1.08，其中0.21~0.4m处的平均压实度最大。通过离异系数（Cv）大小分析比较可知：振动压实后路基密实度的不均匀性经冲击碾压后达到均匀，并且路基的整体强度提高，而且路基达到了连续、均匀、密实。在此表层下大约1.0m处形成了一个稳定的加固层。（2）、沉降量检测根据现场报告提供的冲击压实后的沉降量数据，我们进行了归纳、整理，现结果统计结果如下：95区冲压20次后不同位置的沉降量（mm）表九测点位置（离边线），m3.514.024.5沉降量检测沉降范围（mm）30~7726~7234~80均值（mm）50.257.460.1离异系数（Cv）0.2010.1980.254表中统计结果是15个断面（间距均为20m）的测量结果。路基填土高度2~7m，平均5.5m，从上表中可以看到，不同位置的沉降量平均值在5.02~6.01cm之间，如按影响深度1.0m计算，压实度约增加5.02%~6.01%。这对增加路基稳定，减少工后沉降，防止路面开裂是大有好处。三、综合分析工程实践证明：通过冲击压实在路基中施工，不仅大量节约工程造价，缩短工期，提高工程质量，而且经济效益及社会效益显著，是一种有效的补充碾压机械。通过现场沉降量观测、灌砂法试验、DN值检测、地基承载力检测等试验，还可以得出以下结论：（1）、填前冲压可使原地面产生8~13cm左右沉降；追密压实可提前消除3~8cm左右的工后沉降；高填方可消除8~10cm的工后沉降等。10 （2）、路堤或路床的补压应在振动压实后立即进行。对于一些路基填筑完成已有一段时间并已稳定一段时间，路基表层已形成整体板块，尤其是土石混填的情况，补压应该慎重，经过试验验证有效后方可应用。否则会破坏原有的整体结构，而且补压效果也不明显，在我国以有这方面的工程出现了先例。104国道河北省某路段填土高度约3m左右，采用低塑性土填筑，在下路床顶进行追密加压，由于选择冲击压实不当，通车一年左右就出现路基纵向开裂，说明冲压不当会破坏原有的整体结构。四、结束语通过对冲击压实技术的研究与应用，不仅可以使路基碾压技术达到了一个新的水平，而且能够保证工程建设质量，满足生产实践的迫切需要。由于它是一门新技术，相对于传统压路机而言，其施工经验相对较少。因此这还需要我们大家共同努力、勇于探索、善于总结，充分发挥其优越性。展望未来，我相信，二十一世纪我国的公路建设水平一定会再来一次质的飞跃。以上仅仅是个人看法，恳请同行专家批评指正。谢谢！10'