沖擊碾壓與土工格室在軟弱土路基處理的應用

譚 練 武

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

雜填土是由于人類的生活和生產活動而形成的地面填土層，是道路建設尤其是市政道路建設中常見的一種軟弱土。雜填土的厚度一般變化較大，在大多數情況下，雜填土顆粒尺寸相差較為懸殊，顆粒之間的孔隙大小不一，往往都比較疏松，抗剪強度低，壓縮性較高，一般還具有浸水濕陷性[1]。正因為雜填土工程性能差，路基填筑中通常需要根據雜填土特性的不同采取換填、強夯或碎石樁擠密等方法進行處理。

在工程實踐中，換填法一般適用于厚度不大于3 m的雜填土，該方法具有施工速度快，處理效果可靠的優點，但其經濟性隨著雜填土厚度的增加逐漸降低，同時也會帶來廢棄土堆放的問題。強夯處理法的處理深度一般可達6 m～8 m，且經濟性好，但因為其夯擊能巨大，對周邊建筑影響嚴重，通常在周邊建筑密集的市政道路工程中難以適用。碎石擠密樁在雜填土深度較大(通常不小于8 m)的工程中，適用性較好，能夠有效解決雜填土沉降大且不均勻的問題。然而，由于碎石樁施工較為繁雜，施工周期較長，具有明顯的規模效益，經濟效益隨著雜填土厚度和范圍的減小而急劇下降。因此，碎石樁在工期緊張、雜填土厚度或處理范圍較小的情況下并不適用。

綜上，有沒有一種能適用于軟弱雜填土深度適中(深度6 m～8 m)、施工對周邊影響小且在各種規模軟弱土均能較高發揮經濟效益的處理方案，是一個值得探討的問題。

1 沖擊碾壓技術

沖擊碾壓技術在我國古代就早有應用，其主要應用形式為人工打夯，由于純人工生產效率低，壓實效果不明顯，在很長一段時間內該種施工方法的使用受到很大的限制，逐步被能夠實現連續壓實作業的光輪壓路機和振動壓路機取代。然而這兩種常規壓實方法由于壓實功能有限，通常難以取得深層壓實的效果。因此，一種兼具高效率連續壓實作業和巨大沖擊壓實功能的新型壓實機械的研制被提上日程。直至20世紀中葉，南非Aubrey Berrang首先開發出了連續式沖擊壓實技術和設備，并以南非藍派公司為典型代表在后續工程實踐中該壓實技術和設備得到大規模應用。

連續式沖擊碾壓技術于20世紀90年代在我國開始應用，先后應用于內地和香港的機場、公路等基礎設施建設，取得較好的應用效果。連續式沖擊碾壓技術設備由牽引機和壓實車兩部分組成，其主要原理是：由機器牽引拖動非圓形壓實輪滾動，非圓形壓實曲線輪對地表產生沖擊、碾壓、揉壓的綜合作用[2]。壓實輪在滾動過程中，當滾輪以最大半徑與地面接觸時，滾輪重心位于最高點，滾輪轉過最大至最小半徑該過程對地表產生沖擊，此時的沖擊力除本身的勢能外還有沖擊產生的動能，數量值相當于壓實輪20倍～30倍自重；在滾輪繼續滾動過程中，滾輪的非圓曲線輪廓持續對地表進行揉壓、碾壓，此過程中作用于土體的功能是壓實輪滾動時平動和轉動的動能之和。

連續沖擊碾壓技術突破了傳統的靜壓和振動壓實技術，以全新的方法達到對路基的深層壓實和補強壓實，相對于傳統壓實技術具有明顯的優點。例如：可以大幅提高路基的壓實度、承載力和整體強度；能夠加快土體固結，顯著減小工后沉降；可提高路基的均勻性、整體性和防滲性能。有研究表明，連續沖擊碾壓技術的影響深度可達5 m，遠大于約30 cm的路基分層填筑厚度[3]。連續沖擊碾壓技術相較于傳統壓實技術的優點如表1所示。根據對比結果可知，連續沖擊碾壓技術在填筑較厚路基土及整體壓實性能方面有著明顯的優勢。

表1 沖擊碾壓技術與傳統壓實技術對比表

2 土工格室

土工格室是一種常見的由高分子聚合物寬條帶經強力焊接而成的三維網狀土工特種材料，它常被鋪設在地基中以達到改善地基抗拉和抗剪能力，提高土體承載力，降低地基沉降的目的[4,5]。

土工格室用于加固軟土地基時的作用機理是：地基中未加入土工格室筋體時，地基在荷載的直接作用下形成一個楔形主動受壓區，主動受壓區的應力通過過渡區傳遞到被動受壓區，被動受壓區在受到力的作用下發生破壞向上隆起，從而地基發生不均勻沉降。當加入土工格室筋體時，土體和土工格室之間產生橫向側限力和豎向摩阻力，可有效限制主、被動受壓區的變形，避免被動區發生隆起破壞，減小不均勻沉降，同時形成網兜效應，提高土體的承載能力[6]。土工格室軟土地基加固機理如圖1所示。

由于土工格室工程性能優越，其被廣泛應用于軟土路基處理領域以解決工后沉降大或不均勻沉降問題[7]，相對于其他軟弱土路基處理方案主要特點如表2所示。

表2 軟土路基處理方案對比表 m

根據對比可知，土工格室處理軟弱土地基具有較好的經濟性，但單獨應用時處理深度有限，在處理深度較厚軟土時(>5 m)，為保證處理效果應考慮采用其他技術措施聯合應用。

3 應用實例

湖南省長沙市竹隱路為開福區高嶺國際商貿城中的一條城市主干道，主要服務于長沙北城區的商貿物流，該道路K2+320～K2+470路基區域為軟弱雜填土，填土厚度約6 m～8 m。道路臨近已建商貿城，商貿城建筑距離道路紅線約5 m，為配合商貿城開業道路建設工期緊張。原施工圖設計該區域采用碎石樁處理，但工期較長無法滿足商貿城開業工期需求，且造價較高，結合建設單位及主管各方意見擬變更設計方案。經各方討論，設計單位提出采用藍派壓路機沖擊碾壓加土工格室處理聯合處理的方案。

具體實施方案為：1)清除表層浮土厚度約1 m。2)采用藍派壓路機沖擊碾壓至路基無明顯變形，沖擊壓路機型號為藍派25T3-25KJ，該沖擊壓路機總體重量為27 t，輸出功率為265 kW，沖擊壓實輪的重量為12 t，三角形壓實輪的公稱直徑為2 m，輪徑最大最小差值為22 cm，工作運行速度為12 km/h～15 km/h，最大沖擊力250 t。3)采用12 t光輪壓路機靜壓整平路面。4)鋪設土工格室層，土工格室片高20 cm，材質為HDPE，抗拉強度不小于150 kN，連接點抗拉強度不小于150 kN，對應延伸率不大于15%，連接點連接直徑不小于2.5 mm；土工格室網帶連接方式采用U型鋼釘插接編織，U型釘直徑不小于2.5 mm；U型鋼釘已做鍍鋅防腐蝕處理，土工格室張拉到位時每一個U型鋼釘均為一剛性支撐點，在路基中用45°鋪設。土工格室鋪設寬度與路基同寬，土工格室內填充20 cm砂性土，格室填充飽滿后整平以確保格室能正確張拉。整平壓實后，在格室層上設置30 cm厚的集配碎石。根據以往工程經驗，為更好的發揮土工格室的網兜效應，施工中保持土工格室布網主受力方向與路線縱向垂直，同時連接到位并及時填埋。土工格室施工過程中應注意防曬，以免影響土工材料性能。5)土工格室層以上土層按一般路基填筑要求分層壓實。6)路基結構層頂設置沉降觀測點，以觀察后期路基沉降情況。沉降觀測采用金屬沉降板加載沉降法，為避免影響行車安全，沉降板分設與道路中心雙黃線與路側分隔帶處，以二級中等精度要求進行幾何水準測量高程，觀測值誤差小于1 mm。

竹隱路本路段于2016年12月建成通車，目前已安全運行4年，沉降觀測點監測數值反饋結果顯示該路段平均工后沉降約20 mm～30 mm，與一般填筑路基段基本一致，處理區域未見路面開裂情況，可見該方案處理效果明顯，取得了很好的工程效果。

4 結語

沖擊碾壓和土工格室在路基填筑工程中都有著廣泛的應用，兩者均可有效減小路基的沉降、改善路基填筑性能。一般認為，沖擊碾壓是從路基豎向改善土體壓實性能，而土工格室則是在水平向上對土體進行加強。本文將兩者結合起來，形成一種路基雙向加固處理方案應用于實際工程當中，并取得了良好的工程效果。