高速公路湿陷性黄土路基处治中冲击碾压技术的应用

张新胜,李 辉,李吉元

（阿拉善盟交通运输事业发展中心巴彦浩特公路养护工区,内蒙古 阿拉善 750306）

0 引言

我国作为国际上黄土存量最多的国家，黄土覆盖面积最广、厚度最大，主要分布在陕西、甘肃、宁夏等地区。黄土是一种特殊的非饱和欠压土状堆积物，质地疏松且孔隙较多，在土体自重压力和附加压力的共同作用下，受流水浸润后易出现大量的侵蚀、剥落或塌陷现象[1]。黄土地区修建高速公路工程时常伴有湿陷性，在工程建设之前若没有对湿陷性黄土路基进行加固，会对工程造成严重破坏，影响整个工程质量。湿陷性黄土路基加固处理方法众多，适用条件也有所不同，灰土挤密桩适用于大深度、小范围的情况；强夯法适用于处治面积大、厚度大、周边无其他建筑的情况；换填法适用于地质条件较差，面积较小的情况。而冲击碾压技术作为一种新型碾压技术，利用冲击压路机对路基进行冲击、揉搓和碾压，周期性冲击地面，利用冲击波在土体中的传播，使土体颗粒发生位移、剪切与变形，以提升土体密实度，消除土体湿陷性，确保路基施工的稳定。

1 工程概况

以某高速公路工程的C19 标段为例，线路长度为9.275 km，此标段线路整体地貌以平原为主，地势西北高、东南低。地表是第四系堆积物粉质液限土，地表下是结构致密、土质均匀的风积粉质液限土，具有明显的湿陷性表现。该标段湿陷性黄土的干密度在1.31~1.43 g/cm3范围内，压缩模量为3.0~6.5 MPs，孔隙比在0.879~1.063之间，黏聚力为18~48 kPa，摩擦角为19.5~22.5°，渗透系数为1.634×10-6~8.536×10-6cm/s。案例工程建设中湿陷性黄土路基的处治是施工重难点，结合工程设计划分该标段的湿陷等级，如表1 所示。

表1 工程案例标段湿陷等级

2 湿陷性黄土路基冲击碾压处治

2.1 冲击碾压技术

冲击碾压技术是借助牵引车拖拽多边形曲面冲击轮进行连续翻滚，冲击轮在转动过程中与地面接触产生高差，在高差和重力的综合作用下使冲击轮的势能转化为动能，对地面进行冲击、揉搓和碾压[2]。冲击碾压技术频率低、振幅高、可有效减少土体孔隙率，提高填筑土体的密实度，尽可能避免施工后土体的沉降隐患，显著提升路基施工稳定性。冲击碾压技术具有如下几方面特点表现：

（1）冲击力度大，碾压效果良好。通过冲击式压路机可提供300~600 t 的压实力，甚至在牵引速度达到13 km/h 时能够对土体产生2 000~2 500 kN 的冲击力，压实效果良好。

（2）工艺简单，处治效果良好。冲击碾压技术作为一种作用于浅层的路基处理方法，施工工艺简单，无需换填垫层法的土方开挖及回填，也无需灰土挤密桩法施工的大量成本投入。冲击碾压技术施工无需较高的填料含水量要求，在工程用水短缺的地区也具有极高的适用性。通常情况下，冲击碾压技术的处理深度在0.5~1.5 m之间，湿陷性黄土路基经处理后的压缩模量显著提高，具有良好的稳定性表现。

（3）全方位压实效果监测。常规压路机碾压施工采用灌砂法对压实度进行检测，传统方法仅能实现对某一点压实效果的检测，难以保证测点外的压实效果。而冲击碾压技术采用沉降差法对压实度进行从点到面的检测，更具全面性。

2.2 冲击碾压技术施工准备

冲击碾压技术的施工准备主要分为以下几个方面：

2.2.1 场地准备

施工前利用白灰标出待施工范围，做好临时截排水处理，截断流向施工区场地的水源，增设临时排水沟，对场地内0.3 m 厚的表土进行彻底清理[3]。同时，确保施工场地大于1 500 m2，有效碾压长度在100 m 以上，在碾压端头处预留出30 m 长、8 m 宽的场地供压路机掉头使用。当路基压实度在90%以上且仍不满足设计要求时，采用单/双钢轮压路机继续碾压，待满足路基压实度要求后，对存在的低洼地段进行填土找平，避免冲击轮在经过坑洼地段时被颠簸弹起，影响碾压效果。此外，施工场地应距周边的房建工程30 m 以上，距电线杆、桥梁工程等10 m 以上。

2.2.2 机械准备

选用25 kJ 以上的YCT-25 型冲击式压路机，选择三变形曲面冲击轮，冲击轮重量为16 t。冲击碾压速度控制在10~13 km/h。施工前检查好压路机是否可以正常运行，机械各系统管路与接头处是否存在松动、裂纹的情况。

2.2.3 参数确定

冲击碾压施工前进行试验段施工，对最佳的单次施工长度、冲击碾压深度、碾压遍数和沉降差等参数进行确定，其中冲击碾压深度主要受冲击轮半径和重量的影响，冲击轮半径和重量越大，冲击碾压深度越深。

2.2.4 布设沉降观测点

选择视野开阔的地段作为沉降观测点，保证观测范围内无其他遮挡物，具有良好的通视条件。

2.2.5 含水率检测

为确保湿陷性黄土路基冲击碾压技术施工能够满足施工设计的密实度要求，在施工准备阶段对施工路段表土层0~0.5 m 厚度土体的含水率进行检测。含水率检测采用烘干法，应保证路段含水率在技术规范要求范围内，如果检测到的含水率较大，超出最佳含水率的3%以上，可以先进行翻晒处理；若含水率较小则可适当洒水处理，保证将实际含水率控制在最佳含水率的±0.3%[4]。

2.3 冲击碾压技术施工工艺

湿陷性黄土路基冲击碾压技术施工过程中，路堑段施工根据开挖宽度进行20 遍冲击碾压，利用0.5 m 的灰土进行顶部封闭。路堤段不进行排水沟设置时，采用0.3 m的灰土对坡脚内1.5 m 至坡脚外2 m 的范围进行封闭；若设置排水沟，则采用0.3 m 的灰土对坡脚内1.5 m 至排水沟之间范围进行封闭。施工采用QCY-360 牵引机牵引冲击式压路机以5.0 km/h 的速度行驶，保证行驶速度控制在10~13 km/h 之内。若冲击碾压速度过快，当遇到坑洼不平的地段时，冲击轮悬空难以与地面进行有效接触，造成压实效果不佳，同时也会由于振幅过大而导致机械出现损坏；若冲击碾压速度过慢，由冲击轮势能转化的动能不足，无法满足冲击碾压施工的设计要求[5]。

为避免填料受冲击散发大量灰尘导致冲击能下降，利用洒水车对填料进行洒水处理。冲击碾压施工过程中，遵循先慢后快的原则，由路基的一侧向另一侧错轮碾压。碾压的纵向搭接宽度保持在碾压轮的1/2 宽，横向错轮碾压轮痕的重叠宽度则需要依照冲击轮的宽度进行确定，工程采用的冲击轮单宽为0.9 m，两轮之间的距离是1.2 m，确定轮痕的重叠宽度为0.2 m，需要确保至少经过2 次的错轮重叠碾压才能将两轮之间留出的空间完全碾压覆盖，待错轮重叠碾压至另一侧路基边缘后，结束碾压。冲击碾压一个施工单位为5 遍，待一个施工单元结束后应及时观测沉降差，待所有施工单元结束后应调整碾压方向进行反方向碾压，碾压施工结束的标准为路基沉降差在1 cm之内。

错轮碾压的方式能够保证路基均匀受力，使路基土密度更为均匀，路基的强度也得以提升。冲击碾压技术虽然对路基深层土体的密实度具有良好的加强作用，碾压过程中产生的冲击力相对集中，一定程度上对表层土体造成松动，引发路基表面的不平现象[6]。实际施工过程中必须配合推土机或平地机进行使用，保证路基表层的平整度和压实度。冲击碾压技术施工具有以下几点需要注意：碾压过程应保证压路机匀速行驶，不可突然变速、变向，以防对路基压实效果造成影响；上下坡应提前更换挡位，避免在上下坡过程换挡；如果有转移场地施工的需要，应先支起底部冲击轮再驶离原场地；如果施工出现局部坑洼情况，及时利用推土机填平。

3 湿陷性黄土路基冲击碾压技术施工效果检验

3.1 室内试验结果

冲击碾压施工结束后，对案例标段路基土采样，进行室内试验，表2 所示的结果为施工后路基土的物理力学性能指标。

表2 工程案例标段湿陷等级

从表2 结果能够看出，湿陷性黄土路基经冲击碾压施工后，路基土体的孔隙比、黏聚力和湿陷系数有所减小，压缩模量明显增大，随着取样深度越浅，土体的渗透系数降低幅度越明显。

工程中湿陷性黄土路基经冲击碾压技术处治后，对路基土含水量及沉降情况进行观测。从黏聚力、实现系数、摩擦角等参数变化情况分析，冲击碾压处治的有效深度在1.5 m；从孔隙比、干密度、压缩模量等参数变化情况分析，冲击碾压处治的有效深度在2.5 m；从渗透系数变化情况分析，冲击碾压处治的有效深度在1.0 m。

总的来看，冲击碾压技术可实现对高速公路工程湿陷性黄土路基的有效加固，土体各物理力学性能均得到提升，孔隙比、湿陷系数和渗透系数均下降。冲击碾压施工后黄土土体的含水量未发生较大变化，证明冲击碾压施工中封闭层及排水工程施工质量较高，具有良好的防渗效果。

3.2 压实质量检验

湿陷性黄土路基的土体在遭受冲击时会产生一定的抗变形能力，对应参数就是动态变形模量Evd，计算公式如下所示：

式中，r——圆形刚性荷载板半径；σ——荷载板承受最大冲击力；s——荷载板的沉陷值。

湿陷性黄土路基经冲击碾压施工后的压实质量检验采用动态变形模量测试仪（图1）。检测过程确保地面平整，局部凹凸处利用细砂找平，将此仪器平置在地面，垂直安装导向杆。抬起落锤放置在挂钩上，落锤脱钩落下再反弹回来，重复三次进行预冲击。正式检测过程中避免荷载板出现位移，准确记录各测点位置、土体类型、含水率等相关参数。

图1 动态变形模量测试仪

该工程湿陷性黄土路基经冲击碾压技术处治后的动态变形模量检测，共设有测点1 008 个，每个测点检测耗时为3 min，总耗时50.4 h。测量结果显示，湿陷性黄土路基经冲击碾压技术处治后，路基表土下1.0 m 深度的土体压实度可达到90%以上，湿陷性系数在0.015 以下，证实冲击碾压压实效果良好。

4 结语

为有效解决高速公路湿陷性黄土路基的加固问题，以实际工程为例，在阐明冲击碾压技术原理及特点的基础上，对冲击碾压施工工艺进行分析，通过试验证明提出的施工工艺可实现对湿陷性黄土路基的有效加固，有效解决高速公路黄土路基的湿陷性问题，显著提高路基的密实度和承载力，确保路基结构的稳定。湿陷性黄土作为一种特殊的黏性土，其中易溶盐及粉质土的含量较高，遇水冲蚀易出现湿陷，甚至崩解的情况。由此，在采用冲击碾压技术加固的过程中应加强对排水工作的重视，避免因浸水造成土体的湿陷加剧。