濕陷性黃土地基沖擊壓實加固處理分析

許鴻澤

（臨汾南高速公路管理有限公司，山西 臨汾 041000）

沖擊壓實技術是利用碾壓輪自重和沖擊力對土體進行碾壓，在碾壓過程中將重力勢能轉化為動能，對土體產生強烈的沖擊作用[1]。由于沖擊式壓路機質量大、沖擊能量大，可有效提高壓實厚度，減少碾壓遍數，并可顯著提高路基的壓實效果。沖擊壓實不會破壞土體結構，可以對土體進行連續沖擊壓實，施工速度快，壓實成本低[2]。通過分析沖擊壓實技術的作用機理，結合高速公路濕陷性黃土地基施工實踐，闡述沖擊壓實施工工藝，并在不同碾壓遍數下對地基土的物理力學性質、壓實度和壓實形變情況進行檢測，統計試驗數據作為分析濕陷性黃土地基加固效果的主要依據。

1 沖擊壓實機理

沖擊壓路機質量大，同時具有強夯機和振動壓路機的性能，在沖擊壓實和滾動碾壓的綜合作用下，構成一個復雜的壓實過程。在壓實作業中，沖擊壓路機碾壓輪對地基產生大振幅沖擊碾壓，以高振幅、低頻率的方式對地基進行強烈沖擊，提高壓實厚度和壓實質量，降低碾壓遍數。與傳統的圓形碾壓輪壓路機相比，沖擊壓路機采用三邊形、四邊形或五邊形碾壓輪，通過大功率牽引車帶動碾壓輪完成碾壓工作[3-4]。

2 沖擊壓實施工方案

2.1 工程概況

某高速公路設計采用雙向四車道，路基設計寬度為26 m，部分路段位于黃土地區。黃土厚度分布不均勻，一般為1.2～1.8 m，該路段黃土主要為第四系風積黃土狀亞砂土，土體結構松散，土質均勻性差，孔隙發育，經試驗確定該地區黃土為非自重濕陷性黃土，濕陷等級為Ⅱ級。為了提高濕陷性黃土地基承載力，該項目施工中擬采用沖擊壓實技術進行地基加固。大面積鋪筑前，先鋪筑試驗段，試驗段長度為300 m，試驗段路基底寬36 m，路基邊坡坡度1∶1.5，路堤填筑高度為4.3～8.2 m。試驗段濕陷性黃土平均天然含水量為21.8%，路基填料選取碎礫石土或黏性黃土，經擊實試驗確定最佳含水量為14.3%，實驗室最大干密度為1.92 g/cm3。

2.2 濕陷性黃土地基沖擊壓實施工工藝

本項目沖擊壓實施工選用SD25三邊形碾壓輪，沖擊能力25 kJ，設備自重12.5 t。采用ZL50裝載機或專用牽引車牽引，最佳沖擊碾壓速度為10～15 km/h，壓實寬度2×920 mm。壓實影響深度可達到5 m，有效壓實深度1 m，路基填筑最大分層厚度可達到1.5 m。地基沖擊壓實之前，清除地基表面的植被，挖除種植土，使用平地機整平后方可進行沖擊壓實。

地基整平后進行測量放樣，布設沉降標并測量標高，然后開始沖擊壓實。在沖擊壓實6遍后，檢測地基壓實度和壓實量。根據地基實際情況進行整平灑水，檢查沉降標，壓實度達不到要求繼續碾壓。

三邊形碾壓輪滾動一圈，可完成3次壓實和3次沖擊。碾壓1遍對一點的沖擊碾壓功率僅為1/6，因此每沖擊6次作為一個作業循環，計為碾壓1遍。自地基邊線以外3 m向路基中線進行沖擊碾壓，輪跡重疊不少于1/2，碾壓速度12～15 km/h，保證每一個點都能得到壓實。每沖擊6次，即碾壓1遍進行一次檢測，檢測土體物理力學性質、壓實度和變形情況。另外，為了保證地基每個點都達到碾壓要求，還需要適當增加沖擊次數。根據壓實后地基土物理力學性質變化情況、檢測結果確定壓實效果，分析確定本項目濕陷性黃土地基沖擊36次，壓實遍數為6遍。沖擊壓實完成后，使用平地機進行整平，鋼輪壓路機靜壓1～2遍，保證地基表面平整度和壓實度滿足設計要求。

3 地基沖擊壓實加固效果分析

3.1 地基土物理力學性質變化情況分析

為了確定不同沖擊碾壓遍數下土體的物理力學性質變化情況，在沖擊碾壓前、每碾壓1遍后對濕陷性黃土地基的干密度、孔隙比、壓縮模量和濕陷系數進行檢測分析，得出各指標沖擊碾壓前、碾壓3遍和碾壓6遍數后的變化曲線如圖1～圖4所示。

圖1 沖擊壓實前后地基土干密度變化曲線

圖2 沖擊壓實前后地基土孔隙比變化曲線

圖3 沖擊壓實前后地基土壓縮模量變化曲線

圖4 沖擊壓實前后地基土濕陷系數變化曲線

分析圖1曲線，可以得出隨著碾壓遍數的增加，地基土干密度不斷提高，且隨著土層深度增加干密度增加幅度有所下降。與沖擊壓實之前相比，碾壓3遍后地基土干密度最大增加幅度達到28.9%，發生在地基土以下20 cm處。碾壓6遍后不同深度地基土干密度增加幅度達到14.2%～33.6%。說明沖擊碾壓6遍后地基土干密度提高顯著，進而有效提高了地基強度。

分析圖2曲線變形情況，得出隨沖擊壓實遍數的增加，地基土孔隙比不斷變小，密實度不斷提高。地基土在沖擊壓實過程中顆粒進行了重新排列，降低了土壤顆粒之間的空隙，加密了地基土。

分析圖3變化曲線，地基土壓縮模量隨沖擊壓實遍數的增加而提高，尤其是在地基以下0～0.8 m范圍內，沖擊碾壓6遍后，地基土壓縮模量均達到了20 kPa以上，提高幅度達到1.2～3.6倍。

分析圖4曲線變化情況，在沖擊碾壓6遍后，地基土濕陷系數均低于0.015。結合《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB 50025—2018）中的相關規定，濕陷系數低于0.015屬于非濕陷性黃土。說明采用沖擊壓實處理后，地基以下1.0 m深度范圍內的土體濕陷性消除，說明沖擊壓實可有效處理濕陷性黃土地基，達到了預期效果。

綜上所述，該試驗段經沖擊壓實處理后，地基土物理力學性質得到了有效改善，干密度和壓縮模量大幅增加，孔隙比減小，地基以下1.0 m深度范圍內的土體消除了濕陷性。

3.2 壓實度檢測結果分析

為了檢測地基土沖擊壓實效果，在試驗路段選取測點檢測地基土壓實度。選取測點深度為20 cm、50 cm和80 cm，對沖擊碾壓前、不同碾壓遍數后的壓實度進行檢測，檢測結果如表1所示。

表1 不同地基土深度壓實度檢測結果 %

分析表1壓實度檢測數據可知，沖擊壓實6遍后，地基土壓實度明顯提高，其中0～50 cm深度范圍內的地基土壓實度均超過90%，地基土密實度明顯提高，壓實效果明顯。

3.3 地基壓實形變檢測結果分析

為了檢測濕陷性黃土地基沖擊壓實作用過程中的形變情況，在試驗路段選取3個橫斷面，分別在道路中心線及其左右兩側各5 m處布置觀測點。在地基土沖擊壓實過程中，分別在沖擊碾壓1遍、2遍、3遍、4遍、5遍、6遍后進行觀測，觀測結果如表2所示。

表2 地基壓實形變觀測結果統計表 cm

分析表2地基壓實形變數據可知，在沖擊碾壓過程中，3個檢測斷面地基土均產生了較大壓實形變。隨著沖擊碾壓次數的增加，累積壓實形變不斷增加，且沉降量較大，沖擊碾壓6遍后累積沉降量平均值達到23.1 cm。在沖擊壓路機的作用下，地基土內部的孔隙水消散，孔隙比降低，土壤顆粒重新排列，密實度大幅提高，并接近于彈性狀態。

4 結論

結合高速公路濕陷性黃土地基處治施工實際，根據施工方案進行沖擊壓實施工，并對地基土物理力學性質變化情況、壓實度、壓實形變情況進行檢測，分析總結后得出以下結論：

a）通過沖擊壓實處理，地基土干密度和壓縮模量大幅增加，孔隙比減小，地基以下1.0 m深度范圍內的土體消除了濕陷性。

b）分析地基土沖擊壓實后壓實度檢測結果，得出地基土沖擊壓實后壓實度提高顯著，壓實效果明顯。

c）分析地基土沖擊壓實形變檢測結果，得出隨沖擊碾壓次數的增加，累積壓實形變不斷增加，且沉降量較大，地基土孔隙比降低，密實度大幅提高，強度和穩定性都得到了明顯提高。