冲击碾压技术在高填方场地形成工程中的应用
0 引言
随着我国“一带一路”战略的实施, 在西北地区出现了越来越多的高填方场地形成工程。对于此类工程, 如果填筑体回填压实处理不到位, 往往会造成场地填筑施工完成后, 地基工后沉降以及不均匀沉降过大
目前, 国内已有很多学者针对冲击碾压技术开展了相关研究工作
本文以某高填方场地形成工程为例, 对高填方场地填筑压实的特点以及冲击碾压技术进行介绍。分析研究了填料特性, 并开展了现场冲击碾压填筑试验, 对虚铺厚度、碾压遍数与沉降量和压实度之间的关系进行了详细研究。基于试验结果确定填筑体分层回填冲击碾压施工方案, 并通过工程检测验证了方案的可行性。
1 工程概况
某高填方场地形成工程位于陕西省延安市, 地形整体起伏较大, 局部较平缓, 地貌单元属黄土高原丘陵沟壑区。工程造地面积为16.74km2, 场地最大填方高度达110m, 土方回填总量达2.1亿m3。建设内容包括原地基处理、盲沟、土石方开挖、分层回填、冲击碾压处理等。
区内地层按其沉积顺序, 由老到新依次为侏罗系 (J) 、新近系 (N2) 和第四系 (Q) 。沟谷区表层为第四系全新统人工填筑土或耕植土 (Q4ml) , 其下地层依次为第四系全新统冲洪积 (Q4al+pl) 的黄土状土, 下伏强~中等风化砂泥岩, 沟头处基岩上还出露第三系 (N2) 粉质黏土。黄土梁峁区地层主要为第四系上更新统风积 (Q3eol+el) 马兰黄土 (含古土壤) 及风积残积 (Q2eol+el) 离石黄土 (含古土壤) , 下部为第三系 (N2) 粉质黏土, 下伏侏罗纪基岩 (砂岩和泥岩或泥质页岩) 。
区内地质构造单一, 无大的地震灾害, 区内地震动峰值加速度为0.05g, 对应地震烈度为Ⅵ度。
地下水分为第四系松散岩类孔隙潜水和碎屑岩裂隙水两大类。第四系松散岩类孔隙潜水包括黄土裂隙孔洞潜水、洪积层孔隙潜水, 分布于各沟域, 含水层为黄土层、滑坡体、洪积层。碎屑岩裂隙水是指侏罗系基岩裂隙水, 分布于整个区域。
2 高填方场地填筑体压实方法
2.1 高填方场地填筑压实特点
填筑体回填是高填方场地形成工程的核心内容, 处理不到位往往会造成场地工后沉降以及差异沉降过大, 影响场地的使用, 甚至会危及场地的安全。高填方场地形成填筑体施工一般具有以下特点
2.2 冲击碾压技术介绍
目前, 高填方场地形成工程中常用的填筑压实方法包括:静力碾压法、夯实法和动力压实法。
冲击碾压法作为动力压实方法的一种, 在机场、公路、水利等领域中都有广泛应用, 冲击碾压法主要是通过三边形或五边形的“轮子”在高速运动中冲击地面, 冲压轮凸点与冲压平面交替抬升与落下, 连续对地基或填料产生作用, 使土体颗粒间的空隙减小, 达到压实地基或土石填料的目的。
冲击碾压法适用于大面积回填碾压施工的场地, 与振动碾压和强夯法相比, 采用冲击碾压施工对场地周围环境影响较小, 施工效率高, 工程造价较低, 填筑压实范围内地基均匀性好
3 填料特性
本工程所选用的填料主要来自挖方区黄土梁峁, 主要为黄土, 均为全新世上、中更新统风积黄土及残积古土壤层, 呈坚硬~硬塑状态, 其中黄土层以粉土为主, 古土壤以粉质黏土为主。
采用液塑限联合测定仪LG-100D对填料的液塑限进行测定, 得到填料的液限和塑限分别为wL=33.10%和wP=15.17%, 塑性指数为IP=17.93, 为低液限黏土。采用CSK-V1多功能击实仪进行重型击实试验, 得到填料的最大干密度ρdmax=1.80g/cm3, 最优含水率ωop=13.50%。选用南京土壤仪器厂的标准固结仪对填料进行压缩试验, 得到填料的压缩系数aV=0.11MPa-1, 压缩模量Es=25.39MPa。填料击实试验结果如图1所示, 压缩曲线如图2所示。
4 冲击碾压填筑试验
4.1 试验方案
在大面积施工前, 在场地范围内选取60m×70m区域进行虚铺厚度分别为0.5, 0.6, 0.7m 3组冲击碾压试验, 确定冲击碾压虚铺厚度、碾压遍数等施工参数, 如图3所示。
试验填料与实际施工填料保持一致, 填料含水率控制在ωop±2%范围内。试验设备选用32kJ三边形冲击碾压机, 碾压速率控制在10~13km/h。碾压虚铺厚度分别为0.5, 0.6, 0.7m 3种, 每碾压5, 10, 15, 20, 25遍, 对试验区填料沉降量和压实度进行检测。具体试验步骤如下。
1) 填土虚铺厚度为0.5, 0.6, 0.7m, 并用推土机推平, 压路机粗压, 平地机精平, 精平后采用预埋小钢板测量填土标高。
2) 测试填料含水量, 确保填料含水量在ωop±2%范围内。
3) 按照试验参数进行第1~5遍冲击碾压施工, 施工完成后在小钢板上测量标高, 用平地机将工作面刮平。
4) 按照步骤3) 进行第6~10遍冲击碾压施工和测量标高。
5) 按照试验参数进行5遍冲击碾压施工, 施工完成后在小钢板上测量标高, 采用环刀法在本层的中部进行压实度检测, 用平地机将工作面刮平。
6) 按照试验步骤5) 重复进行冲击碾压施工和检测, 一直碾压至第25遍后结束冲击碾压试验。
7) 收集整理试验数据, 通过研究分析确定冲击碾压施工的虚铺厚度和碾压遍数。
4.2 冲击碾压遍数与沉降量的关系
对虚铺填土进行冲击碾压, 土体必然会产生沉降, 随着碾压遍数的增加, 单遍碾压产生的沉降量逐渐减少, 累计沉降量逐渐增大, 土体逐渐被压实。表1和图4为不同虚铺厚度下冲击碾压遍数与累计沉降量的关系。
![图4 不同虚铺厚度下碾压遍数与累计沉降量关系](/User/GetImg.ashx?f=SGJS/16586//SGJS201913015_12700.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldSdmVqMDh6a1dqZUtrZkZUaU8vTDg4MjNCS01RbXJiMD0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!)
图4 不同虚铺厚度下碾压遍数与累计沉降量关系
Fig.4 Relationship between total settlement and number of compaction in different thickness of filling soil
从表1和图4可以看出, 碾压遍数相同时, 随着虚铺厚度的增大, 沉降量逐渐增大, 冲击碾压25遍后, 3个虚铺厚度对应的总沉降量分别为81.0, 86.7mm和102.0mm, 总沉降量占虚铺厚度的百分比分别为16.2%, 14.5%和14.6%。当虚铺厚度相同时, 随着冲击碾压遍数的增加, 沉降量增长幅度呈减少趋势, 当碾压遍数达到15遍之后, 沉降差值减少到1.0mm以内, 可以认为当碾压遍数超过15遍之后, 随着碾压遍数的增加, 对沉降量的影响十分有限。
4.3 冲击碾压遍数与压实度的关系
压实度是判断填筑土体压实程度的一个重要指标, 通过试验确定虚铺厚度、碾压遍数与压实度的关系, 对现场施工具有重要的指导意义, 表2和图5分别为不同虚铺厚度下冲击碾压遍数与压实度的关系, 图6为不同碾压遍数下虚铺厚度与压实度的关系。
![图5 不同虚铺厚度下碾压遍数与压实度关系](/User/GetImg.ashx?f=SGJS/16586//SGJS201913015_13200.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldSdmVqMDh6a1dqZUtrZkZUaU8vTDg4MjNCS01RbXJiMD0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!)
图5 不同虚铺厚度下碾压遍数与压实度关系
Fig.5 Relationship between degree of compaction and number of compaction in different thickness of filling soil
![图6 不同碾压遍数下虚铺厚度与压实度关系](/User/GetImg.ashx?f=SGJS/16586//SGJS201913015_13300.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldSdmVqMDh6a1dqZUtrZkZUaU8vTDg4MjNCS01RbXJiMD0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!)
图6 不同碾压遍数下虚铺厚度与压实度关系
Fig.6 Relationship between degree of compaction and thickness of filling soil in different number of compaction
从表3和图5可以看出, 当以压实度达到93%作为设计标准时, 对于虚铺厚度为0.5m和0.6m的填土, 只需冲击碾压15遍即可达到, 对于虚铺厚度为0.7m的填土, 需要冲击碾压20遍。当虚铺厚度相同时, 随着碾压遍数的增加, 压实度呈递增趋势, 随着土体逐渐被压密, 递增量逐渐减少。从图6可以看出, 当碾压遍数相同时, 随着虚铺厚度的增加, 压实度逐渐减少, 且递减量逐渐增大。从技术经济性角度考虑, 建议现场施工中虚铺厚度为0.6m, 碾压遍数≥15。
5 冲击碾压处理方案
5.1 分层冲击碾压工艺
本工程按照由下而上的原则, 采用分层回填、分层冲击碾压的方法施工。
1) 选用场地内挖方区黄土作为填料, 要求填料含水率控制在合适范围内, 当含水率较低时应洒水湿润。
2) 根据冲击碾压试验确定分层回填厚度为0.6m, 虚铺完成后, 用推土机推平碾压, 满足冲击碾压机械正常行走要求即可。
3) 选用效能≥25kJ的冲击压路机作为施工设备, 按照10~13km/h的行走速度, 对场地进行冲击碾压, 碾压遍数≥15。
4) 冲击碾压完成后对场地内的压实度、承载力等设计指标进行第三方检测, 要求各层土压实度≥0.93, 承载力特征值≥200kPa, 面波波速≥180m/s。待检测合格后方可进行下一层填筑体回填和冲击碾压施工。
5.2 工作面搭接处理
由于填筑区域较大, 各工作面施工的起始标高、填筑速率均有不同, 因此, 在回填碾压过程中, 必然会存在两个工作面之间存在一定高差的情况, 要求相邻工作面间要注意协调, 相邻施工工作面高差应不超过4.0m。
对于高差大于一个碾压层厚但最大不超过4m区域的工作面搭接处理 (见图7) , 应按照分层回填压实施工要求施工, 待回填碾压至同一标高面后, 对搭接区域采用3 000kN·m强夯补强处理。
6 施工效果检测
本工程施工过程中由第三方检测单位对填筑体施工质量进行检测, 检测内容包括:压实度检测、瑞雷波波速测试、承载力检测和湿陷性检测。
对场地内每一层回填冲击碾压土体, 采用环刀法和灌砂法进行压实度试验, 共测试3 263次, 压实度均达到设计要求的93%;在场地内共进行了96次瑞雷波波速测试, 填筑体波速均>180m/s;在场地内共进行了23次平板荷载试验, 填筑体地基承载力特征值均>220kPa, 满足设计要求。
7 结语
1) 高填方场地工程填筑体回填压实处理, 往往具有场地填方面积大、填筑厚度高、土石方回填压实工作量巨大、土石方回填压实技术难度高、施工难度大等特点。
2) 采用分层回填冲击碾压施工对场地周围环境影响较小, 施工效率高, 工程造价较低, 填筑压实范围内地基均匀性好, 可以有效降低填筑体的沉降, 提高填筑体的强度和稳定性。
3) 以延安市某高填方场地形成工程为例, 进行冲击碾压填筑试验, 研究虚铺厚度、碾压遍数与沉降量和压实度之间的关系。当碾压遍数相同时, 随着虚铺厚度的增大, 沉降量逐渐增大;同一虚铺厚度下, 随着冲击碾压遍数的增加, 沉降量增长幅度呈减少趋势。当虚铺厚度相同时, 随着碾压遍数的增加, 压实度呈递增趋势;同一碾压遍数下, 随着虚铺厚度的增加, 压实度逐渐减少, 且递减量逐渐增大。
4) 按照试验结果确定的施工参数, 对场地进行分层回填冲击碾压施工, 第三方检测结果表明, 采用冲击碾压法进行分层回填施工, 施工效果良好, 满足设计要求, 有效降低了填筑体的沉降, 提高了填筑体整体稳定性。
![](/User/GetImg.ashx?f=SGJS/16586//SGJS201913015_15500.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldSdmVqMDh6a1dqZUtrZkZUaU8vTDg4MjNCS01RbXJiMD0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!)
参考文献
[1]黄玮, 梁永辉.高填方地基沉降变形计算机分析研究综述[J].山西建筑, 2017, 43 (26) :61-64.
[2]袁江文, 王鸿, 吴斌, 等.碳酸盐岩块石填料地基碾压施工技术研究[J].施工技术, 2018, 47 (7) :102-105.
[3]谭炜, 凌建明, 刘文.冲击碾压处理不均匀软弱地基试验研究[J].地下空间与工程学报, 2008, 4 (2) :310-315.
[4]王吉利, 刘怡林, 沈兴付, 等.冲击碾压法处理黄土地基的试验研究[J].岩土力学, 2005, 26 (5) :755-758.
[5]何兆益, 陈松敏, 林新东.冲击压实在万州机场高填方填筑中的应用研究[J].重庆交通学院学报, 2001, 20 (4) :80-83.
[6]赵帅军, 陆新, 孙发鑫, 等.冲击碾压联合强夯分层填筑压实试验研究[J].工程勘察, 2014, (12) :19-23.
[7]强屹力.高填方填筑体压实效果检测与分析[J].施工技术, 2018, 47 (1) :92-96.
[8]陈国栋.大面积堆山造景工程填筑体压实处理分析[J].工程勘察, 2014 (1) :21-24.
[9]刘金波, 张雪婵, 王也宜, 等.山区高填方地基事故预防与处理[J].施工技术, 2017, 46 (10) :117-121.