冲击碾压设备应用于软土换填工艺参数研究

马长虹

(山西平阳高速公路建设管理处，山西阳泉 045100)

0 引言

高速公路建设过程中，常会碰到膨胀土路基、湿陷性黄土路基、岩面倾斜、破碎的山区路基、软硬不匀以及岩溶路基、季节性冻土路基等地质条件差且复杂的情况，其中膨胀土路基、湿陷性黄土路基是较为常见的两种。在处理过程中，常常采用片石换填、灰(素)土换填、砂砾换填等方法。片石换填方法已是一种成熟的工艺方法［1］，可以在消耗较少的换填材料达到较高的换填效应，可以有效地减少路基的沉降量，提高路基顶面承载力，且片石具有很大的空隙，可以很好的排除进入路基中的自由水，明显地阻断地下毛细水的向上爬升，可以明显地加快片石基底土的固结和形成强度。片石的来源广泛，可以为挖方弃石、隧道洞渣、其他片石等，但在没有片石来源时，片石换填方法受到很大的限制。灰(素)土换填法为运用石灰等胶凝材料固结软土的办法，但存在不易拌均匀，换填后承载力部分段落达不到要求等问题。在公路施工中，由于天然砂砾换填后强度高，承载能力强，且平整度等方面较片石换填容易控制，所以目前开挖换填常采用天然砂砾换填。天然砂砾换填后，常采用振动压路机碾压或冲击压路机压实。振动压路机碾压速度3 km/h～4 km/h，碾压厚度25 cm～30 cm。由于冲击碾压工艺施工速度相对振动压路机碾压效率高，换填砂砾压实度提高速度快等特点，部分施工单位已开始陆续使用。冲击碾压的方法不仅可以快速的提高路基压实度和承载能力，还可以加速地基的沉降，对路基的长期稳定性的形成具有重要的作用。

1 冲击碾压的作用方式

冲击碾压是运用压实轮的三边形、四边形或五边形轮子的突出点对地面冲击作用而使路基进一步密实，在大功率牵引车的牵引下，带动多边形、冲击碾向前滚动，冲击碾在行走过程中，重心的抬高和下降形成势能差及前进时的动能冲击，集中作用于凸起轮子上，形成能量集中，最终形成对路基的冲击、静压、搓揉等作用而使换填砂砾密实，进而使路基土向弹性状态趋近。

通常，冲击碾压遍数在15遍～20遍之间技术上是可行的，经济上合理的［2］。冲击压路机工作速度 10 km/h～15 km/h［3］。

2 换填厚度、压实遍数与压实度、沉降差的关系

冲击压实设备允许有更大的换填厚度和填料粒径，但对于不同地域，含水量、碾压工艺等都会引起厚度的不同换填砂砾承载力不同。本文结合山西一条高速公路的现场情况，地下水位深5 m～10 m，软土厚度为5 m左右，含水量大，根据设计图纸，换填5 m天然砂砾。

2.1 施工方案

在清理软弱土层后，分段填入松铺厚度分别为1.5 m，2 m，2.5 m厚一定粒径的砂砾，并用推土机推平，用平地机精平，形成2%～4%的横坡以利于排水，保证压路机在表面能均匀接触地面进行碾压，再用振动压路机稳压1遍～2遍，测定原始高程，具备了冲击碾压工艺条件后进行试验，确定合理的松铺厚度。

首先用振动压路机从边缘后中间的原则微振压实1遍，度钉入带有红布条的钢钉作为检测标记点，再用冲击式压路机碾压，碾压应从路基的一侧向另一侧成圈碾压，最后实现“先两边，后中间”的顺序。冲压10遍，15遍，20遍，25遍，碾压完10遍后，运用振动压路机微振整平，并分别测量完成不同次数后的压实度、沉降值、标准差，评价厚度、压实遍数对冲击碾工艺的适应性，以此类推。

2.2 结果及分析

每种压实遍数后，选取6个标记点周围运用灌砂法检测压实度，取其平均值;沉降值运用水准仪抄平后，进行测试，标准差用于分析不同点压实度及沉降值的标准偏差。试验结果见表1～表3。该换填砂砾的最佳含水量为7.9%，最大干密度为2.28 g/cm3。

表1 1.5 m松铺砂砾压实度、沉降值与碾压遍数的关系

表2 2 m松铺砂砾压实度、沉降值与碾压遍数的关系

表3 2.5 m松铺砂砾压实度、沉降值与碾压遍数的关系

从沉降值来看，不同松铺厚度的砂砾随压实遍数的增加，沉降值先增加很快，后趋于平缓。1.5 m，2 m厚的松铺砂砾沉降值在压实15遍后沉降变化率突变，与2.5 m厚的松铺砂砾相比，1.5 m，2 m厚松铺砂砾沉降值在15遍压实后基本趋于一致且平缓。所以从沉降方面来看，15遍以上冲击碾压，1.5 m，2 m厚的松铺砂砾厚度的沉降量基本相当。从压实度来看，1.5 m厚松铺砂砾相比2 m厚松铺砂砾、2.5 m厚松铺砂砾出现最大压实度时的碾压次数最少，2.5 m厚松铺砂砾次数最多。当达到最佳压实度后，再进一步碾压，压实度没有继续增长，反而出现了下降，究其原因，主要是因为出现了“弹簧现象”，使压实满足压实度要求的砂砾又产生了扰动，这时，冲击碾压已经无法发挥作用。为提高施工效率，选择施工厚度大点，压实次数相对不太多，压实度快速满足要求的施工工艺是本文的宗旨。所以对1.5 m，2 m厚松铺砂砾的压实度曲线回归，回归公式见图1。计算可知，对于2 m厚的松铺砂砾时，选择碾压遍数为16次即可满足压实度93%要求;对于1.5 m厚的松铺砂砾时，选择碾压遍数为14次即可满足压实度93%要求。由于压实度标准差较大，两者各选择18次，16次压实遍数即可保证压实质量。从效率来讲，选择2 m厚松铺砂砾效率相对较高。如再次提高压实厚度，需要增加更多的压实遍数，且增加压实遍数数量大，压实后层顶和层底实度偏差过大，所以选择松铺砂砾1.5 m～2 m厚时，18次碾压即可，如选择小于1.5 m厚时，16次碾压即可，一般推荐选1.5 m～2 m厚松铺砂砾的工艺。

图1 沉降值、压实度与碾压遍数的关系

3 结语

1)从现场质量来看，冲击压实设备工作速度约10 km/h～15 km/h是可行的，从平整度来看，冲击碾压后，需要运用振动压路机进行微振整平才可以达到表面平整、密实、无局部坑洼、边线顺直。2)冲击碾压15遍之前，沉降变化及压实度变化非常大，15遍～20遍时，沉降变化率很小，压实度增长缓慢。3)通过不同厚度松铺砂砾试验，选择松铺砂砾1.5 m～2 m厚时，18次碾压可获得最满足要求的压实度;选择小于1.5 m厚时，选择16次碾压即可获得最满足要求的压实度。为提高施工效率，推荐选1.5 m～2 m厚松铺砂砾的工艺。4)推荐换填砂砾时，选用行走速度10 km/h～15 km/h冲击式压路机、2 m厚松铺砂砾、压实18遍将较为经济、质量效果较优的组合，在实际应用时，可结合实际情况略作微调。

［1］王 强.浅谈路基软基换填设计施工方法［J］.山西建筑，2011，37(15):144-145.

［2］杜 鹃.地基冲击碾压处理技术研究［J］.交通标准化，2008，177(5):142-144.

［3］曾 帆，张 鑫.软土路基换填冲击碾压技术及相关工程实践分析［J］.黑龙江交通科技，2012，226(12):31-33.