宋修廣+李進+于一凡+李新蔚+張宏博

摘要：針對黃河沖積平原區(qū)粉土路基填料受含水率影響較大、難以晾曬、普通碾壓技術(shù)難以壓實、生產(chǎn)效率低的特點，選擇沖擊碾壓法對路基分層填筑施工。通過調(diào)整路基分層填筑厚度和壓實遍數(shù)進行現(xiàn)場沖擊碾壓試驗，檢測路基表面沉降量、峰谷高差、壓實度及路基承載力，并對比分析了3種不同虛鋪厚度粉土路基的沖擊壓實效果。結(jié)果表明：表層土體壓實度達到或超過93%后，壓實度增長曲線出現(xiàn)拐點，繼續(xù)碾壓對提高土體壓實效果影響越來越小，較難使層底土體壓實度達到96%；路基填料允許的含水率ω范圍為ωopt-4%≤ω≤ωopt+4%（ωopt為最佳含水率）；推薦的最佳虛鋪厚度為0.8 m，最適宜沖擊碾壓遍數(shù)為20，最佳碾壓速度為10～12 km·h-1；建議把沉降量和峰谷高差作為檢測壓實效果的輔助指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：沖擊碾壓；粉土路基；虛鋪厚度；含水率；壓實度

中圖分類號：TU472 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-2049（2017）02-0041-07

Abstract：According to the characteristics of the Yellow River alluvial plain silt subgrade filling including influence by moisture content， difficult to dry， difficult to compact with ordinary rolling technology， and low production efficiency， the impact roller compaction method was chosen in construction. Through adjusting the subgrade layer thickness and compaction pass number， the impact roller compaction test was conducted to detect the surface settlement， peak valley depth， compaction degree and bearing capacity of subgrade. The impact compression effects of three virtual thickness silt subgrades were compared and analyzed. The results show that compaction degree curve appears inflection point when compaction degree of surface soil reaches or exceeds 93%， and the effect of continue rolling on improving compression degree of soil is getting smaller， then its difficult to improve compaction degree of bottom soil up to 96%. The allowed moisture content ω of subgrade filling can be controlled within ωopt-4%≤ω≤ωopt+4% （ωopt is optimum moisture content） .The recommend silt virtual paving thickness is 0.8 m， the optimal rolling pass number is 20， the optimal rolling speeds are 10-12 km·h-1. [JP]The surface settlement and peak valley depth should be taking as auxiliary indexes to evaluate the compaction effect.

Key words：impact roller compaction； silt subgrade； virtual paving thickness； water content； compaction degree

0引 言

沖擊壓實設(shè)備的研究最早可追溯到19世紀80年代，在美國、南非、瑞典等國專家?guī)资暄芯康幕A(chǔ)上，1980年南非學(xué)者Jacobus提出比較成熟的沖擊壓路機方案。沖擊壓實是以低頻大振幅周期性地沖擊地面，并輔以滾壓、揉壓以影響土層深處，使土體密度提高，孔隙減小，形成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[1-4]。中國1996年開始試制第一臺沖擊壓路機，目前已有十余家企業(yè)生產(chǎn)或試制成功[5]。在中國，公路施工中沖擊壓實法主要用于濕軟性黃土地基的沖擊碾壓處理[6-8]、路基尤其是填石路堤等的分層填筑碾壓[9]、舊瀝青路及水泥路的沖擊碾壓[10-12]。徐超等[13]進行了沖擊碾壓消除淺層粉土地基液化的研究，得到了沖擊碾壓法消除淺層粉土地基液化的施工工藝。馬萬權(quán)等[14]進行了沖擊碾壓處理含砂低液限粉土路基的現(xiàn)場試驗，確定采用沉降與面波法對沖壓質(zhì)量進行評價。宋榮方等[15]進行了沖擊碾壓法處理濕陷性黃土路基的現(xiàn)場試驗，通過分層填筑填料壓實度和沉降量分析壓實效果。

已有成果對沖擊碾壓法用于不同路基填料的壓實效果進行了研究，得出了相應(yīng)地區(qū)的施工工藝參數(shù)，而對于黃河沖積平原區(qū)粉土路基的施工工藝研究較少，需要進一步研究。山東省濟東（濟南—東營）高速公路經(jīng)過濟南、濱州等粉土地區(qū)，取土場含水率高，晾曬時間長，有效施工期短，傳統(tǒng)壓實技術(shù)難以滿足工程要求，本文結(jié)合濟東高速路基施工，借鑒沖擊碾壓處置其他類路基的工程經(jīng)驗，對沖擊碾壓法處置粉土路基效果進行研究。本文研究成果對該地區(qū)粉土路基沖擊碾壓施工工藝參數(shù)的確定具有良好的參考價值。

1工程概況

濟東高速為雙向四車道高速公路，設(shè)計車速為120 km·h-1，地貌主要為黃河沖積平原，巖性以粉土、粉質(zhì)黏土為主。粉土顆粒表面磨圓度高，粒徑均勻，粒間孔隙率高，并缺乏黏土細顆粒的填充，使得該類土難以壓實；由于粉粒含量較高，顆粒級配不良，會表現(xiàn)出較為顯著的毛細現(xiàn)象、抗沖刷能力差等不良工程現(xiàn)象，因此粉土作為路基填料時使用傳統(tǒng)壓實方法較難壓實。濟東高速路基基本為填方路基，試驗場地選在具有代表性的二標(biāo)濟陽某段，該段填土高度約為4 m，路基頂寬為28 m，邊坡坡度為1∶1.5。

根據(jù)沖擊碾壓法的施工特點，試驗區(qū)布置為長條形，長100 m，寬40 m。路基分層填筑時，試驗段虛鋪厚度H按1，0.8，0.6 m進行分層填筑。

試驗區(qū)路基填料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1，顆粒大小分配曲線見圖1，最大干密度為1.81 g·cm-3，最佳含水率為14.5%。

2現(xiàn)場試驗方案

試驗選定YCT-25kJ三邊形壓實機，兩沖擊輪之間外部寬度為296 cm，輪寬90 cm，輪隙寬度116 cm。沖擊壓路機周期性地沖擊地面，在凸行輪的作用下形成峰谷，峰谷影響沖擊壓路機行駛，每沖擊碾壓5遍后用刮平機刮平。沖擊碾壓采用來回錯輪的方式，下一圈碾壓時沖擊壓路機外側(cè)輪從上一圈兩輪之間通過，輪跡之間不重疊，為保證下一遍碾壓時整個試驗場地不漏壓，下一遍碾壓時采用錯輪碾壓，縱向錯輪碾壓時下一遍碾壓時的波谷為上一遍的波峰位置，橫向錯輪碾壓時下一遍碾壓時外側(cè)沖擊輪向內(nèi)錯輪約20 cm，橫向錯輪不重疊碾壓，直至到達路基另一邊，完成路基的橫向碾壓。通過縱向、橫向分別錯輪，保證路基受到均勻沖擊壓實，不出現(xiàn)漏沖或過沖現(xiàn)象，錯輪碾壓見圖2。沖壓時，借鑒已有工程經(jīng)驗，共沖擊碾壓20遍，若碾壓質(zhì)量不滿足設(shè)計要求，再適當(dāng)增加碾壓遍數(shù)；初期試驗時控制路基填料含水率ω的范圍為ωopt-4%≤ω≤ωopt+2%（ωopt為最佳含水率），由于路基填方量較大，含水率以碾壓后實測值為準；碾壓速度控制在10～12 km·h-1之間。沖擊碾壓過程中，對每層沖壓前和沖壓第5，10，15，20遍后路基表面沉降量、峰谷高差、壓實度等進行檢測，試驗中還進行輕型圓錐動力觸探、靜力觸探試驗。

在試驗區(qū)路基表面按照25 m×4 m的網(wǎng)格布置沉降觀測點，觀測點數(shù)量為20個。峰谷高差為沖擊輪相鄰波峰與波谷差值，隨機選取40個測點。輕型圓錐動力觸探試驗隨機選取20個測點；在試驗區(qū)靜力觸探試驗選2個測點進行，2個測點距離約為10 cm。分層填筑路基進行壓實度檢測時，每層選取3個測點，每個測點的豎向檢測位置在層頂、中間、層底。

3試驗結(jié)果與分析

3.1壓實度試驗結(jié)果分析

沖擊碾壓過程中，每層的中間、層底深度是變化的，為便于統(tǒng)計，分別用0，H/2，H表示測點層頂、中間和層底的深度。

3.1.1含水率檢測結(jié)果分析

不同碾壓遍數(shù)和不同深度處土體的含水率如表2～4所示。

由表2～4可以看出，路基不同深度處土體含水率隨碾壓遍數(shù)的增加無明顯變化規(guī)律，不同碾壓遍數(shù)下含水率沿深度方向無明顯變化規(guī)律。結(jié)合施工現(xiàn)場分析原因，虛鋪厚度1 m施工正值5月份，蒸發(fā)作用顯著，碾壓第10遍后遭遇降雨，土體含水率增大，繼續(xù)碾壓，含水率降低明顯，故高溫季節(jié)施工時，應(yīng)及時灑水，使土體含水率保持在合理的范圍內(nèi)；虛鋪厚度0.8 m施工正值12月份，含水率整體較大，經(jīng)試壓未發(fā)現(xiàn)翻漿現(xiàn)象，碾壓第10遍后遭遇降雪，土體含水率增大，碾壓20遍后，經(jīng)檢測壓實度符合設(shè)計要求；虛鋪厚度0.6 m施工正值12月份，局部土體含水率比最佳含水率高5.1%，碾壓最后5遍時局部出現(xiàn)了翻漿現(xiàn)象，對翻漿區(qū)域換填，采用振動壓路機分層壓實。同時為保證壓實效果，每次在不同位置檢測含水率，導(dǎo)致土體含水率在碾壓遍數(shù)增加時變化較大，離散性明顯。

用平均值表示每碾壓5遍后土體的整體含水率，平均含水率與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線見圖3。

由圖3可知，土體含水率隨著碾壓遍數(shù)的增加呈顯不同的變化趨勢，這主要是因為受天氣因素和沖擊碾壓作用的影響。兩沖擊點間土體由于沖剪作用發(fā)生剪切破壞，形成破壞面。沖擊碾壓產(chǎn)生的沖擊能遠遠大于普通振動壓路機壓實功，沖擊作用下含水率較大的土體孔隙水被排除，孔隙水受擠壓后沿破壞面移動，使土體上下層含水率趨于均勻。由圖3還可知，土體含水率變化范圍上限約為ωopt+4%，經(jīng)試驗驗證，路基沖擊碾壓后，壓實質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

3.1.2壓實度檢測結(jié)果分析

根據(jù)試驗方案設(shè)計，取每層6個監(jiān)測點壓實度的平均值表示該層壓實度，碾壓遍數(shù)與壓實度的關(guān)系曲線如圖4～6所示。

由圖4～6可知，不同深度處土體壓實度隨著碾壓遍數(shù)的增加逐漸增大，前10遍碾壓土體壓實度提高顯著，最后5遍碾壓土體壓實度增加不明顯，表層局部土體出現(xiàn)壓實度降低現(xiàn)象。分析原因可知，表層土體壓實度達到或超過93%后，不同深度處土體壓實度曲線出現(xiàn)拐點，繼續(xù)碾壓對提高土體壓實度效果越來越小，在層底土體壓實度達到93%后，層底土體壓實度曲線接近水平，上層土體壓實度增加較小甚至出現(xiàn)下降趨勢。因此，層底土體壓實度達到93%后，增加碾壓遍數(shù)對提高層底土體壓實效果的影響有限，施工效率降低，經(jīng)濟性下降。根據(jù)規(guī)范要求，路床區(qū)壓實度要在96%以上，路堤區(qū)要在93%以上，考慮經(jīng)濟性和施工效率，沖擊碾壓法處置粉土填土路基時不適宜路床區(qū)施工，宜用于路堤區(qū)施工。

根據(jù)層底填料壓實度要求，采用線性插值法可粗略得出滿足壓實要求的碾壓遍數(shù)。由圖4～6還可知，虛鋪厚度1，0.8，0.6 m對應(yīng)的碾壓遍數(shù)分別為24，19，17遍。

為提高施工效率和經(jīng)濟性，有必要確定最佳虛鋪厚度。對于不同虛鋪厚度，作用在單位面積上的壓實功不同，單位面積壓實功小，表明虛鋪厚度較好，可從功的角度確定最佳虛鋪厚度。假定沖擊能量只作用在新填筑土體上，沖擊輪沖擊路基面簡化為沖擊輪寬，可按下式計算不同虛鋪厚度時單位面積壓實功Wa

式中：N為沖擊碾壓遍數(shù)；E為單次沖擊能量，YCT-25 kJ三邊形壓實機以正常的工作速度10～12 km·h-1工作時，取值為25 kJ；

L為沖擊輪的寬度，YCT-25 kJ三邊形壓實機以正常工作速度工作時，取值為1.8 m。

根據(jù)公式（1）計算單位面積壓實功，繪制單位面積壓實功和虛鋪厚度的關(guān)系曲線，見圖7。

由圖7可知，單位面積壓實功與虛鋪厚度之間呈拋物線關(guān)系。虛鋪厚度小于0.8 m時，單位面積壓實功隨虛鋪厚度的增加而減小，虛鋪厚度大于0.8 m時，單位面積壓實功隨虛鋪厚度的增加而增大，這說明虛鋪厚度為0.8 m時，壓實效率高且經(jīng)濟，最適宜的虛鋪厚度應(yīng)為0.8 m。

3.2沉降量檢測結(jié)果分析

每碾壓5遍后對沉降量觀測點的標(biāo)高進行測量，將每碾壓5遍沉降量和總沉降量取算數(shù)平均值。繪制累計沉降量與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線，見圖8，相對沉降量與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線見圖9。

由圖8可知：累計沉降量隨著碾壓遍數(shù)的增加逐漸增大，且增長速度逐漸變緩；前5遍內(nèi)曲線較陡，沉降量增長較快，可以看做快速沉降期，增加碾壓遍數(shù)時，曲線變得平緩，此時土體變形處于過渡期，碾壓最后5遍時曲線逐漸接近水平，沉降量變化較小，說明土體趨向密實，土體處于穩(wěn)定階段。分析原因可知，路基填筑后即進行沖擊碾壓試驗，虛鋪路基填土空隙較大，因而累計沉降量增長速度較快；碾壓中期路基填土逐漸密實，空隙減小，累計沉降量增速變緩；碾壓后期土體趨向密實，累計沉降量基本不再增加。沖擊碾壓處置分層填筑路基時，土體變形可分為3個階段，即快速沉降期、過渡期、穩(wěn)定期。

由圖9可知，每碾壓5遍相對沉降量曲線的變化趨勢較好地對應(yīng)了土體變形的3個階段。填料虛鋪厚度1，0.8，0.6 m時，碾壓前5遍、最后5遍時，相對沉降量占總沉降量分別為51.2%，4.2%，55.9%，5.4%，65.8%，5.2%。前5遍相對沉降量占總沉降量的一半左右，此時土體處于快速沉降期，最后5遍的相對沉降量占總沉降量的5%左右，表明填料處于穩(wěn)定期?；境两盗渴菨M足壓實效果的最少碾壓遍數(shù)與相對沉降量曲線交點間的連線?；境两盗壳€基本為直線，說明滿足壓實效果時最少碾壓遍數(shù)最后幾遍的相對沉降量與不同虛鋪厚度呈正相關(guān)，即不同虛鋪厚度下支撐層土體的變化是一致的。

填土路基虛鋪厚度為0.6～1 m，通過沉降量控制壓實效果時，支撐層土體變化不予考慮，認為沉降量主要發(fā)生在壓實層。建立累計沉降量與碾壓遍數(shù)和虛鋪厚度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來分析土體壓實效果（沉降量）。由MATLAB插值法得

式中：S為累計沉降量。

碾壓最后10遍時計算得累計沉降量與實測沉降量的相對誤差最大為4.03%，可滿足工程計算需要。壓實效果滿足規(guī)范要求的土體處于穩(wěn)定期且最后5遍的沉降量增量不超過總沉降量的5%，此時所對應(yīng)的碾壓遍數(shù)即為有效壓實遍數(shù)。

3.3峰谷高差檢測結(jié)果分析

每碾壓5遍的峰谷高差取碾壓完后的算數(shù)平均值。峰谷高差和碾壓遍數(shù)變化曲線見圖10。

由圖10可知，同一虛鋪厚度時，峰谷高差隨著碾壓遍數(shù)的增加而減小，速率逐漸減小至曲線接近水平。填料虛鋪厚度1，0.8，0.6 m時，最后5遍碾壓完后的峰谷高差分別為6.1，5.3，4 cm，相對峰谷高差為0.4，0.48，0.35 cm，均小于最后5遍碾壓完后峰谷高差的10%。這說明隨著碾壓遍數(shù)的增加，土體壓實度逐漸增大，抵抗變形的能力增強。碾壓遍數(shù)相同時，峰谷高差與虛鋪厚度呈正相關(guān)。峰谷高差反映了填料的壓實效果。峰谷高差曲線最終接近水平，相對峰谷高差可作為控制壓實效果的輔助指標(biāo)。由MATLAB插值法得

式中：D為峰谷高差。

計算得路基虛鋪厚度1，0.8，0.6 m時，最后5遍碾壓完后的相對峰谷高差分別為0.12，0.64，0.48 cm?？梢宰詈?遍碾壓完后相對峰谷高差△L5=Ln-Ln-5不超過Ln-5的10%作為檢測土體壓實效果的輔助指標(biāo)。

3.4承載力檢測結(jié)果分析

由于試驗儀器到場時間的原因，虛鋪厚度1 m進行輕型圓錐動力觸探試驗，虛鋪厚度0.8 m和0.6 m進行靜力觸探試驗。

3.4.1輕型圓錐動力觸探試驗

虛鋪厚度1 m時的碾壓遍數(shù)和錘擊平均次數(shù)關(guān)系曲線見圖11。

由圖11可知，錘擊平均次數(shù)隨碾壓遍數(shù)的增加逐漸增大，碾壓25遍后的錘擊平均次數(shù)比未碾壓前提高2.2倍。碾壓15遍后錘擊平均次數(shù)的增速隨著碾壓遍數(shù)的增加逐漸減小，可見前15遍碾壓沖擊壓實對提高錘擊平均次數(shù)已有顯著效果。

3.4.2靜力觸探試驗

采用手搖式靜力觸探儀，觸探深度以觸探儀受反力松動為止。不同虛鋪厚度時土體靜力觸探比貫入阻力曲線見圖12。

由圖12可知，碾壓20遍后，比貫入阻力比碾壓前明顯增加，增幅達到300%。隨著碾壓遍數(shù)的增加，虛鋪土體間孔隙率減小，綜合考慮沖擊碾壓20遍時的沉降量，可以看出虛鋪厚度以下土體壓實度有所增加，但增幅不大。

4結(jié)語

（1）針對黃河沖積平原區(qū)粉土路基，沖擊碾壓能顯著提高路基的承載力和壓實度，填料充分壓縮，且使用填料的含水率范圍較大，與普通壓路機相比有明顯優(yōu)勢。

（2）表層土體壓實度達到或超過93%后，不同深度處土體壓實度曲線出現(xiàn)拐點，繼續(xù)碾壓對提高土體壓實效果越來越小，較難使下層土體壓實度達到96%。考慮經(jīng)濟性和施工效率，沖擊碾壓法處置粉土路基時不適宜用于路床區(qū)，宜用于路堤區(qū)。

（3）推薦適用于黃河沖積平原區(qū)沖擊碾壓法處置粉土路基的工藝參數(shù)為：最佳虛鋪厚度0.8 m，最適宜沖擊碾壓遍數(shù)為20遍，填料允許的含水率范圍可擴大為ωopt-4%≤ω≤ωopt+4%，最佳碾壓速度為10～12 km·h-1。

（4）根據(jù)現(xiàn)場試驗，建議以最后5遍碾壓的沉降量增量不超過總沉降量的5%和相對峰谷高差不超過峰谷高差的5%作為檢測壓實效果的輔助指標(biāo)。

（5）黃河沖積平原區(qū)沖擊碾壓法處置粉土路基時最佳虛鋪厚度和碾壓速度遠超普通壓路機，施工效率高，對于指導(dǎo)黃河沖積平原區(qū)粉土路基施工有實際意義。

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