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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^[1]。选择合适的填筑压实方法, 提高填筑体的强度和稳定性, 减少工后沉降, 是此类工程建设的关键。

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^[2]。谭炜等^[3]针对机场建设中存在的不均匀软弱地基, 开展现场冲击碾压试验, 认为通过冲击碾压结合碎石垫层能够有效处理大面积软弱地基。王吉利等^[4]对黄土地区某高速公路进行冲击碾压地基处理试验研究, 探讨了地基土压实度、压缩性、处理深度等与冲击碾压遍数的关系。何兆益等^[5]针对万州机场跑道高填方工程, 采用冲击碾压技术, 通过现场试验确定冲压效果和施工参数, 指导高填方施工。赵帅军等^[6]对冲击碾压结合满夯技术在粗粒土高填方工程中的分层填筑压实效果进行了试验研究, 并对填筑效果进行了检测。强屹力^[7]以延安新区项目为依托, 对填筑体压实工艺进行了详细介绍, 通过试验检测结果, 说明填筑体压实处理效果满足设计要求。

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。

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 (Q₄^ml) , 其下地层依次为第四系全新统冲洪积 (Q₄^al+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 (Q₃^eol+el) 马兰黄土 (含古土壤) 及风积残积 (Q₂^eol+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。

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^[8]: (1) 场地填方面积大, 填筑厚度高, 土石方回填压实工作量巨大; (2) 场地条件复杂、工序多, 土石方回填压实施工难度大; (3) 土石方回填进度和碾压效率对施工工期影响较大; (4) 施工场地内大型机械投入多, 施工维护管理工作难度大。

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^[9], 可以有效降低填筑体的沉降, 提高填筑体的强度和稳定性。

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w_L=33.10%和w_P=15.17%, 塑性指数为I_P=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ρ_dmax=1.80g/cm³, 最优含水率ω_op=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a_V=0.11MPa^-1, 压缩模量E_s=25.39MPa。填料击实试验结果如图1所示, 压缩曲线如图2所示。

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ω_op±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ω_op±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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。