高速公路路基冲击压实技术施工探讨

高速公路路基冲击压实技术施工探讨

刘勇

刘勇

湖南省建筑工程集团总公司湖南长沙410000

摘要：利用冲击压路机的冲击碾压技术对高速公路路基进行施工,通过大量的试验研究,确定了碾压的方法、遍数、速度等数据,并考察了冲击压路机的压实机理。试验表明:利用冲击压路机的冲击碾压技术可提高路基的压实度、整体强度和承载力,加速了路基的下沉,减少了路基的工后沉降。

关键词：冲击压实技术；高填方路基；道路工程；

引言：

高速公路路基必须密实、均匀、稳定,才能保证路面的正常服务功能,所以在高速公路施工时要保证路基的压实度,尽量减少路基产生的沉降变形。冲击碾压对路基有较强的压实效果。冲击压路机以强大的冲击力对土体施加冲击压实功能,土体中原有的水分和空气被挤出,土颗粒在强大的冲击力下重新排列,较小的颗粒被挤到大颗粒的缝隙中,形成二次沉降,从而使土体形成密度很大的板块,提高了路基强度和承载能力,有效地减少了路基工后沉降变形"。

本文基于冲击压路机在含石量很高(60%～70%)的土石混填山区高填方路基施工中的应用实践，通过对路堤的沉降变形、干密度、孔隙比以及影响深度进行系统的室内和现场试验研究，进一步分析了高含石量土石混填料在冲击压路机冲击碾压作用下压实的工作特性和作用机制。研究结果表明，冲击压实技术用于土石混填高路堤的压实施工不仅可明显改善填料的压实质量，而且由于冲击碾压后路堤产生显著压缩沉降，对减少路堤施工的工后沉降也有明显的效果。同时通过对试验研究结果的总结，提出了高含石量土石混填料压实的施工工艺和质量评价指标，适合在类似工程中参考应用。

1工程概况

湖南省醴陵至茶陵高速公路某标段沿途地形地貌为山岭重丘区，路基的形式主要为高填方路基、半填半挖路基和填挖路基。路基回填的高度较高，一般为4～20m。路基填料主要为红砂岩、钙泥质砂岩、钙质砂岩以及呈现软～可塑～硬塑的亚黏土的土石混填料。红砂岩为紫红色夹杂灰白色，以弱风化为主，岩质稍硬，具崩解特性，岩石单轴极限抗压强度为12～60MPa。钙泥质砂岩、钙质砂岩则以弱风化为主，岩性较坚硬，岩石单轴极限抗压强度为10～65MPa。混合料含石料量很高(60%～70%)，一般呈棱角状，粒径大小不一，多为0.25～25cm，极个别超过30cm。考虑到山岭重丘区高速公路的特殊性，普通压实机械难以达到路基对压实度、工后沉降等各方面的要求，如果施工不当，将引起路堤的较大变形和路面开裂，影响交通安全，故采用凸轮机械对部分路基进行冲击碾压，以提高施工效率，改善填料的压实质量，减少路基的工后沉降量。

2冲击碾压工作原理

土体是三相体,土粒为骨架,颗粒之间的孔隙为水分和气体所占据。压实的目的在于使土粒重新组合,彼此挤紧,孔隙缩小,土的单位重量提高,形成密实的整体,最终导致强度增加,稳定性提高。冲击压路机最显著的特点是压实轮形状将传统圆形改为非圆形(三边形、四边形或五边形),这种轮子有一系列交替排练的凸点和冲压面。在行进过程中,由配套的大功率牵引车带动“凸轮”前进,冲击压实轮的凸点交替抬升与下落,从而在行驶滚动中产生集中冲击能量,同时辅以滚压、揉压的综合作用,连续对土体产生碾压作用而使土体达到密实,其工作原理如图1.冲击压实机的冲击能较传统的振动压路机大6～10倍,影响深度大3～4倍.

图1冲击压实土壤工作原理示意图

3试验方案

为真实反映土石混填料在冲击压路机冲击碾压下路堤的沉降、干密度、孔隙比以及影响深度的变化情况，设计试验方案如下。

3.1测点布置

在K2O+100～K20+600试验段代表性断面沿路基横向按一定间距布设2点，纵向按一定间距布设3点，即3行、2列共6个沉降板观测点。在路基分层填筑的过程中，每填筑完一层填料后进行初压整平(厚约50cm)，在每个观测点放置竖向沉降钢板，这样反复使填料厚度达到冲击碾压厚度(约2.0m)，且每个观测点下埋置了4层竖向沉降钢板，每块沉降钢板距填料顶面距离分别约为1.5，1.0，0.5，0.0m。钢板埋设后，另外选取代表性断面，定点打设6根钢筋以进行沉降观测及对比分析。在进行填筑光面轮初压后、冲击碾压前，分别冲击碾压5，10，20遍并平整光面轮压实后，在整个试验路段上选择施工段上的4个横断面，在每个断面的路基中线、两侧选点进行密度试验，并取样密封用作室内试验。

3.2测量方法

当填料分别在初压后、冲击碾压前分别冲击碾压5，10，20遍后，在试验段一个横断面选取路基中线、两侧点进行密度试验(灌水法)，通过与室内试验(烘干法和比重瓶测量)相结合，通过理论换算出填料孔隙比和干密度的变化情况。水准仪测量出沉降测量点下顶层沉降钢板及打入钢筋的初始高程(水准测量)。在分别冲压5，10，20遍后分别测量出沉降测量点下各层沉降钢板及打入钢筋的相应高程值，用以和初始值进行对比分析。

4试验结果及分析

4.1高填方路基冲击碾压的影响深度分析

根据埋设在填料中各层沉降钢板的高程测量结果，可以计算出各分层填土在不同冲击碾压遍数的沉降量，并绘制出冲压遍数与各分层填筑层上沉降测量板的沉降关系和测量点下各单层填料在不同冲击碾压遍数下的分层压缩量，如图2，3所示。

由图2可以看出，在一定冲压遍数下，各测点处填料不同深度点的沉降量是不同的，随着深度的增加，填料不同深度处沉降的大小是减小的。如冲压20遍后，填料顶面的平均沉降为9.2cm，而以下约50cm处为6.3cm、约100cm处为2.98cm、约150cm处仅为1.0cm。结果表明，随着冲击碾压次数的增加，不仅上层填料被压实，而且下层填料也会被压密，从而提高路堤填料的压实。从图中还可看出，不同冲压遍数下，同样填料深度点的沉降量随冲压遍数的增加而增加，但是随着冲击遍数的增加，沉降量并不是同比例增加，而是有所减缓。由图3可以看出，在不同冲压遍数下分层填料压实量的变化规律，即随着冲压遍数的增加，各分层填料内的压实量均是增加的。如冲压遍数从5遍变化到10遍时，依次从顶面算起的第2层填料的压实量从1.95cm变化到2.52cm；但随着冲压遍数的增加，分层压实量的相对变化量并不同比例增加，其变化趋势也有所减缓，并逐渐趋于稳定。表明冲击压实的影响深度与碾压次数相关：冲击遍数少，影响深度小，冲击遍数多，影响深度大，当达到15～20遍后，影响深度增加将不再明显。

至于图3所示填料在冲击20遍以后，依次从顶面算起的第1层填料比第2层填料的累计压实量要小，这主要是冲击压实机碾压轮产生集中的冲击力，对表层土体有所松动作用所致。

4.2冲击碾压遍数对高填方路堤沉降量影响分析

根据打入钢筋在不同冲击碾压遍数下的高程测量结果，绘制冲击碾压遍数与路基平均沉降量的关系，如图4所示。

图4冲击碾压遍数与路堤平均沉降量的关系图

由图4可以看出，路堤土石混填料经过冲击碾压后，在冲击压路机强大的冲击作用下，路基的填料顶面测点的沉降是非常明显的，当冲压遍数分别为5，10，20遍时，路基填筑冲压表面平均沉降量分别为5.7，7.4和9.2cm，同时沉降量随冲压遍数变化曲线出现折点并明显变得平缓，增长幅度也由大变小。这是因为在最初的几遍冲击碾压下，冲压的巨大动量在路堤表面冲击压实的同时，冲击波向路堤深处传播，使土石混合料的大小颗粒在外力的作用下克服颗粒间的阻力和咬合力产生位移，即土颗粒与大小石块重新排列、相互靠近，把土颗粒挤压到大小石块的孔隙中，使单位孔隙体积减少，单位体积内的石块更加靠近，土颗粒也更加密实，这是填料出现压缩沉降的主要部分。随着冲击能的增大，相互靠近的粗石料相互接触并形成了骨架，土料则在压实过程中起到润滑和填充的作用，接触力不大的石料和风化程度较高的石料开始由于石料的相互挤压而出现棱角或整体破碎，进而使更多的细小石屑和土料挤压到石料之间的孔隙中，坚硬的石料进一步相互靠近，使填料压实程度进一步提高，造成整体体积减小。从图中还可看出：0～5遍冲压时路基填筑冲击碾压表面平均沉降为5.7cm，5～10遍时路基填筑冲击碾压表面平均沉降为1.7cm，10～20遍时路基填筑冲击碾压表面平均沉降为1.8cm，即随着冲击遍数的增加，同样冲压遍数下的沉降量变化趋势是逐渐减缓的，最后趋于稳定，说明填料开始呈现出弹性状态特征。

结合前面分析可知，以影响深度为2.0m计，冲击15，20遍后填料顶面总沉降率分别为3.7%，4.6%，其沉降差为：前10遍为7.4cm、后10遍为1.8cm，后10遍引起的沉降率为0.9%。因此，从沉降差和总沉降率角度出发来控制碾压质量并作为工程控制标准是可以实现的。

4.3冲击碾压遍数对土石混合料干密度和孔隙比影响分析

根据室内外试验结果可以绘制出填料的平均干密度、平均孔隙比与冲击碾压遍数的关系图，如图5，6所示。

图6填料平均孔隙比随冲击辗压遍数变化

由图5，6可以看出，随着冲击碾压遍数的增加，填料的干密度增加，而填料的孔隙比却减小了。特别是在0～1.5m范围内，当冲击遍数为10和20遍时，填料干密度分别为2.11和2.18g/cm3，填料的平均干密度由冲压前的1.96g/cm3分别提高7.6%和11.2%，从而提高了土石混合填料的密实度，且平均干密度的变化规律为：前10遍冲压相对变化量大，后10遍冲压相对变化量减小，其增长幅度有所减缓并逐渐趋于稳定。同时在进行密度测试时可知，所开挖试坑深部少见骨料之间的架空现象。由此可见，冲击压实能够显著地改善混填料中土石颗粒的排列性状和相互接触程度，提高填料的干密度，从而提高路堤的整体强度。由图6可知，当冲击遍数为20遍后，填料的平均孔隙比由初始的约35%减小到22.2%。由孔隙比随冲击遍数的变化规律来看，其增长幅度由大到小减缓也逐渐趋于稳定。同样表明，冲击碾压下的路堤填料内部颗粒之间的空间结构得到改善，土颗粒与大小石料颗粒得到较充分调整和棱角破碎，细小石屑和土颗粒被挤压到大小石块的孔隙中，使单位孔隙体积减少，单位体积内的石块更加靠近、排列更加紧密，填料压实程度进一步提高。

结合冲击碾压遍数对土石混填料干密度和孔隙比影响分析，并考虑高含石量土石混填料的特殊性可知，本工程以现场冲压有效影响深度范围内干密度2.15g/cm3和孔隙比24%为压实标准(压实度达93%以上)，冲压15～18遍后即可达到填料规定密度要求。

4.4综合分析

现阶段对于混填料的压实标准多采用相对压实度Dr或压实度P表示，但是当实际工程中应用的粗粒土的最大粒径超过了目前测得粗粒土最大干密度仪器的允许粒径范围，就难以使用相对压实度或压实度标准。因此，在土石混填料的应用范围日益扩大的今天，如何确定混填料压实的工程控制标准显得尤为重要。何兆益等提出通过建立碾压遍数与干密度的关系，利用碾压遍数控制土石料压实度的方式很有现实意义。基于这种处理思想并结合工程实际，本文从土石混填料压实的作用机制出发，并综合前面的分析可知：冲击碾压影响深度达2.0m以上，有效影响深度约为1.5m时，增加冲击遍数，影响深度增加不明显，所以施工中控制土石混填料松铺初压后的厚度约为1.5m；在有效影响深度范围内，若以干密度2.15g/cm3和孔隙比24%为压实标准(压实度达93%以上)，冲击15～18遍后即可达到填料规定密度要求。此时填料表面前、后10遍冲压沉降率分别为3.7%，0.9%，后10遍冲击内相邻2遍沉降差平均小于0.2cm。因此，如果从沉降差和总沉降率角度出发来控制碾压质量，则冲压补强控制总沉降率为4.0%～4.5%是合适的。

5结论

通过山区土石混合填料高填方路堤冲击碾压补强试验及作用机制的定性、定量分析可知：利用冲击压路机冲击压实法进行土石混填路基的补强加固是有效的，其影响深度达2.0m以上，能够使路堤这个深度范围的填料密度提高、孔隙比减小，提高路堤的整体稳定性，控制路基的工后沉降且效果显著。这种施工方法具有施工简单、速度块、工期短、成本低和效益高的特点，适合在类似工程中推广运用。同时，对含石量达60%～70%的土石混合料高路堤进行冲压补强，应结合施工工艺与质量检测联合作如下控制，以确保填筑质量：

(1)施工中严格按照施工工艺进行，各种工程机械合理安排配置，并保证YCT–25型冲击压路机保持12～15km/h的速度匀速冲碾，松铺整平，普通压路机初压3～5遍填筑层厚达到约1.5m后进行冲压补强。施工中还应控制石料最大粒径不超过30cm。

(2)施工控制以现场干密度或孔隙比为主，冲击碾压次数到15～18遍后即可达到填料规定要求密度，为保证质量，推荐冲压18～20遍为宜，次数过多则不经济。

(3)若以沉降量和沉降率控制冲击碾压补强压实度，综合前述分析，建议采用平均表面沉降量占冲压填筑层厚度的比值即沉降率为4.0%～5.0%。

参考文献：

[1]刘吉士，阎洪河.公路路基施工技术[M].北京：人民交通出版社，2003.127–132.

[2]陈鹏，张建辉.冲击式压路机在填石路基增强补压中应用试验[J].铁道建筑技术，2002，(2)：28–30.