振动碾压是一项较为成熟的压实技术, 已被广泛应用到需压实的各个领域。通过机械振动产生强烈的冲击波和动应力, 使土体固结密实。其主要适用于路基工程中碎石土、砂土、粉土、低饱和度黏土、杂填土等^[1]。冲击碾压则是一种利用非圆形冲击轮对土体或其他压实对象施加冲击、揉搓及静压等作用, 使土体加固密实的地基处理技术, 现已大量应用于公路、机场及港口等工程的地基加固处理^[2], 主要处理粉土、黄土及不均匀软弱地基^[3,4,5]。

对于碳酸盐岩地区来说, 采用这两种压实技术处理碳酸盐岩块石高填方地基还缺乏相关试验研究。本文根据相关碳酸盐岩块石地基处理工程采用上述两种压实方法进行对比研究, 并通过现场多种方法进行检测, 分析两种压实技术对碳酸盐岩块石地基的加固效果, 为类似工程提供参考。

振动碾压是采用高频振动快速、连续地反复冲击土的方式工作。压力波从土表面向深处传播, 振动减弱土颗粒间的摩擦力和黏聚力, 使土颗粒重新排列, 小的土颗粒填充到大的颗粒孔隙中, 从而土体被压实。在振动碾压过程中, 土体受到振动轮的剪应力作用, 振幅越大承受应力也越大^[6]。

冲击压路机采用非圆截面工作轮, 可分为三边、四边、五边等多种类型。碾压时是冲击和滚动重压复合行为, 整个压实过程是一个复杂的周期加随机过程^[7]。在冲击碾压过程中, 压实轮滚动升至最高位置点, 在越过此点后重心相对于接触点产生使压实轮坠落的冲击力矩, 在该力矩的作用下压实轮冲击地面。随后压实轮的冲击面向前方搓挤地基土产生强力的搓揉作用。通过压实轮的滚动作用地基土体得到加固密实。图1表示了冲击碾压的加固过程^[8]。

试验场地位于盘县鸡场坪乡, 为一煤焦化工程厂房建筑用地。工程场地占地面积32万m², 在平场过程中形成最大填方高度约38.5m, 最大回填面积18万m²的大面积填方区域, 该区域将作为上部厂房建筑物的人工地基。

地基填料采用挖方区爆破后的天然石材, 其母岩为三叠系关岭组岩层, 岩体较破碎, 主要为中风化, 并具有级配不良、黏土含量低的特点。岩石主要为中厚层~厚层白云岩、薄层~厚层灰岩及中厚层~厚层含泥质灰岩, 粒径为<500mm的碳酸盐岩块石。

地基下伏依次为第四系耕植土 (Q₄^pd) 、第四系残坡积层红黏土 (Q₄^el+dl) 以及三叠系关岭组白云岩 (T₂^g) , 各层岩土力学指标如表1所示。

由于上部为工业建筑物, 对地基变形要求极为敏感, 因此需要对填土强度和变形进行严格控制。对于碳酸盐岩块石填方地基的处理本次试验中采用振动碾压与冲击碾压, 要求处理后的地基承载力特征值f_ak≥250k Pa, 变形模量≥25MPa。

振动碾压试验分别按0.75, 0.95, 1.15m 3个虚铺厚度进行分层碾压。采用25t振动压路机, 振动频率20~30Hz, 碾压速度≤2km/h, 重叠振碾8~10遍, 并控制最后2遍沉降<10mm。碾压过程中进行全场沉降观测, 当回填厚度达到3.0m以上后进行荷载、瑞雷波以及取样检测。

冲击碾压共分为4个试验区, 分别按压实后厚度0.8, 1.0, 1.2, 1.5m进行分层填筑。每个试验区分碾压次数15, 25遍2个区域进行对比试验。采用25k J三角形冲击碾压机, 速度控制在12km/h。碾压时采用来回错乱方式, 轮迹间不重叠。试验期间在每层碾压过程中每间隔5遍进行1次沉降检验, 总体碾压完毕后进行1次沉降检验。铺填厚度达到3m以后同样布设荷载、瑞雷波以及取样进行检验。如图2所示。

在试验区经振动碾压及冲击碾压完成后, 对碾压后填料进行取样分析其密度的变化。图3为振动碾压后不同虚铺厚度下干密度与湿密度的变化曲线, 图4为冲击碾压的变化曲线, 其中实线为15遍碾压, 虚线为25遍碾压。图中压实度为碾压后干密度与碾压前最大干密度2.30g/cm³之比。可以看出在振动碾压时, 虚铺厚度0.95m时填料达到最大干、湿密度, 分别为2.29g/cm³及2.4g/cm³。冲击碾压时, 25遍碾压比15遍碾压的干密度、湿密度及压实度均较大。铺填0.8m厚度填料区域, 由于厚度较小能够得到充分碾压密实, 其检测结果均大于其他区域。但选择铺填厚度1.5m, 碾压15遍, 有良好的经济效益。其碾压15遍干、湿密度, 分别为2.22, 2.32g/cm³。

通过现场荷载试验能够直接获得地基加固效果。试验结果如表2, 3所示。在2个碾压条件下, 各分层厚度的碾压效果均能满足地基承载力及变形模量需求。振动碾压时, 采用虚铺0.95m的分层厚度碾压效果最好, 承载力特征值能够达到1 500k Pa, 变形模量达到71MPa。冲击碾压时, 随着各分层厚度下碾压遍数的增加, 压实效果也增加。铺填1.5m分层厚度, 碾压15遍, 承载力特征值为1 000k Pa, 变形模量为124MPa, 可满足上部荷载的需求。

瑞雷波测试是一种技术简单易行、测试信号受环境干扰较小的检测方法。该方法不仅可检测大范围的地基加固效果, 同时可提供地基承载力及加固的有效深度。本次试验中采用瑞雷波对不同的虚铺厚度进行了测试, 结果如表4, 5所示。

由表2, 3可以看出, 不同施工方式下不同的虚铺均呈现下高上低的情况, 说明在铺填厚度内的填料得到压实。在振动碾压下, 虚铺0.95m填料平均波速最高。而冲击碾压下, 铺填厚度1.2m的填料平均波速最大, 并且均匀性较好。根据波速与承载力的经验公式:

得到振动碾压0.95m虚铺厚度, 1~2m深度填料承载力为245k Pa, 2~3m深度填料承载力为312k Pa。冲击碾压1.2m铺填厚度, 碾压次数15遍, 2~3m深度填料承载力为297k Pa;碾压次数25遍, 2~3m深度填料承载力为326k Pa。两种施工工艺均能满足需求。

在振动碾压试验区, 对3种不同虚铺厚度每层虚铺进行8~10次碾压, 累计碾压沉降量如图5所示。可以看出, 虚铺0.95m厚度填料沉降量最大达到593.4mm, 压实效果最好, 1.15m厚度次之, 0.75m厚度最次。冲击碾压过程中, 每层虚铺碾压完成后进行1次沉降检测。冲击碾压下累计沉降量如图6所示, 其中实线为15遍碾压, 虚线为25遍碾压。由图可以看出, 25遍冲击碾压累计沉降量普遍大于15遍碾压, 虚铺1m厚度的试验区两组沉降量基本一致。两种碾压工艺下振动碾压的累计沉降量大于冲击碾压。

1) 两种加固工艺后的碳酸盐岩块石地基均能满足上部建筑物承载力及变形模量的需求, 但冲击碾压的效果好于振动碾压。

2) 选择振动碾压加固碳酸盐岩块石时, 采用虚铺0.95m的分层厚度, 碾压遍数8~10遍, 其碾压效果最好;选择冲击碾压加固碳酸盐岩块石时, 采用铺填厚度1.5m, 碾压15遍, 加固和经济效果最好。

3) 对于碳酸盐岩块石地基的检测, 建议采用沉降观测与取样测试为主, 获得数据直观、可靠, 根据上部建筑物的需求辅以一定数量的荷载试验。瑞雷波检测的数据非密实度控制指标, 可作为参考。