譚 鵬，楊 戈，呂 奮，資西陽

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.海南省公路勘察設(shè)計(jì)院，海南 海口570206）

濱海地區(qū)的公路建設(shè)多位于粉細(xì)砂地基之上.天然的粉細(xì)砂地基承載力較低，在一定的外部荷載作用下易產(chǎn)生過大的變形或不均勻沉降；此外，濱海地區(qū)地下水位較高，粉細(xì)砂地基受到地下水影響處于飽水狀態(tài)，加之上部交通動(dòng)載作用，很可能產(chǎn)生地基液化現(xiàn)象.因此，如何處理粉細(xì)砂地基是濱海地區(qū)公路建設(shè)面臨的一個(gè)共同難題.

濱海地區(qū)粉細(xì)砂地基分布廣泛，傳統(tǒng)的強(qiáng)夯、振沖或者水泥攪拌樁等地基加固技術(shù)無疑會(huì)大幅度增加工程造價(jià)，延長(zhǎng)工期.沖擊碾壓技術(shù)是利用沖擊輪的連續(xù)夯實(shí)作業(yè)對(duì)碾壓面施加沖擊作用以及沖擊輪舉升過程中角部對(duì)碾壓面施加巨大揉搓作用，來實(shí)現(xiàn)壓實(shí)填料或加固地基的目的［1］.沖擊與揉搓的復(fù)合作用使得壓實(shí)厚度或加固深度明顯大于振動(dòng)壓路機(jī)等傳統(tǒng)振動(dòng)壓實(shí)設(shè)備的處理效果.粉細(xì)砂地基經(jīng)過沖擊碾壓處理，可在粉細(xì)砂地基淺層形成一個(gè)硬殼層，從而為其上的公路路基和路面結(jié)構(gòu)提供必要的強(qiáng)度和剛度.此外，沖擊碾壓法比強(qiáng)夯法等傳統(tǒng)的動(dòng)力壓實(shí)技術(shù)更高效、更經(jīng)濟(jì)，因此已廣泛應(yīng)用于黃土、粉土、軟土等地基處理［2-3］.

目前，尚無有關(guān)公路沖擊碾壓方面的規(guī)范以及應(yīng)用沖擊壓路機(jī)大規(guī)模處理濱海粉細(xì)砂地基的先例?，F(xiàn)行的《公路沖擊碾壓應(yīng)用技術(shù)指南》（2005）［4］對(duì)粉細(xì)砂地基沖擊碾壓具體施工參數(shù)（包括運(yùn)行速度、碾壓遍數(shù)、沖壓機(jī)型號(hào)等）沒有明確要求，因此在大規(guī)模對(duì)濱海粉細(xì)砂地基進(jìn)行沖擊碾壓處理前，擬選擇代表性區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中進(jìn)行地下水位、孔隙水壓力和地表沉降的監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)以及壓實(shí)度和彎沉檢測(cè)，以檢驗(yàn)地基處理效果.通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段的沖擊碾壓效果，探討沖擊碾壓處理濱海粉細(xì)砂地基的有效性，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的施工工藝.

1 沖擊碾壓方案

1.1 試驗(yàn)段概況

經(jīng)過勘測(cè)［5］，濱海地區(qū)地表大量覆蓋第四系階地粉土質(zhì)砂、含細(xì)粒土細(xì)砂等海相沉積層，主要成分為石英質(zhì)細(xì)砂、粉粒，含少量中砂及黏粒.綜合考慮場(chǎng)地等因素，選取長(zhǎng)約100m，寬約30m的路段為試驗(yàn)段.試驗(yàn)段地基分為3層，各層的詳細(xì)土質(zhì)特征和土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示.

表1 試驗(yàn)段地基土質(zhì)特征Tab.1 Soil characteristics of the test section

表2 試驗(yàn)段土層的物理力學(xué)特性指標(biāo)Tab.2 Indexes of physico-mechanical properties of the test section

1.2 試驗(yàn)方案

選定試驗(yàn)路段并進(jìn)行清表工作以后，在粉細(xì)砂地基上鋪筑40cm厚的碎石土，并在試驗(yàn)段兩側(cè)開挖了深1m，寬1m的臨時(shí)排水溝.40cm厚的碎石土層主要起到3個(gè)作用：① 天然粉細(xì)砂地基的承載力較低，沖壓機(jī)無法正常沖碾，碎石土層可形成施工作業(yè)平臺(tái)，便于沖壓機(jī)正常工作；②40cm厚的碎石土層可有效防止沖碾過程中地下水位過快地溢出地表而影響施工；③ 公路建成之后，40cm厚的碎石土層能有效阻斷地下毛細(xì)水的入滲，防止基底含水量過大.為實(shí)時(shí)掌握沖碾過程中地基土的狀態(tài)，沖碾前在試驗(yàn)段地基內(nèi)埋設(shè)了地下水位管和孔隙水壓力計(jì)，孔壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)共12個(gè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別沿2，4，7m深度埋設(shè)孔壓計(jì)，地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)共4個(gè)，埋深為10 m.試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)元件的詳細(xì)埋設(shè)情況如圖1所示.

圖1 監(jiān)測(cè)元件埋設(shè)位置Fig.1 The position of the embedded monitoring element

考慮到粉細(xì)砂的滲透性比黏性土大以及現(xiàn)場(chǎng)排水問題，提出了“沖碾輪次+沖碾遍數(shù)+沖碾間隔時(shí)間”的試驗(yàn)方案，具體的沖碾輪次、每輪次的沖碾遍數(shù)以及每輪次間的間隔時(shí)間通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和地基土的現(xiàn)場(chǎng)情況確定.每輪次結(jié)束后，監(jiān)測(cè)沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降值.在輪次間隔期間，多次監(jiān)測(cè)地下水位和孔隙水壓力，及時(shí)掌握超靜孔壓消散率，確定沖碾間隔時(shí)間.試驗(yàn)段共進(jìn)行了3輪（3遍+5遍+3遍）沖擊碾壓試驗(yàn).為檢測(cè)沖擊碾壓對(duì)粉細(xì)砂地基的壓實(shí)效果，在沖擊碾壓試驗(yàn)前后對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，并在試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)地表進(jìn)行了壓實(shí)度和彎沉檢測(cè).

試驗(yàn)段選擇3邊輪沖擊壓路機(jī)作為碾壓工具，該設(shè)備重34t，壓實(shí)輪重16t，最大振幅22cm，碾壓輪寬0.9m，兩輪間隙1.2m.由于輪隙間距為1.2 m，為防止漏壓，沖碾過程中完成一次全輪寬范圍內(nèi)（3m）的碾壓至少需要3次錯(cuò)輪，每次錯(cuò)輪重疊20 cm.為盡可能降低沖擊碾壓可能導(dǎo)致的粉細(xì)砂振動(dòng)液化風(fēng)險(xiǎn)，沖壓過程中將沖壓機(jī)的行駛速度嚴(yán)格控制在10～12km·h-1.

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所示.

表3 沖擊碾壓過程中地下水位的變化Tab.3 The variations of underground water level during IGM treatment

沖碾第1輪與第2輪之間間隔24h，因天氣因素第2輪與第3輪之間間隔48h.由地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，沖碾前地下水位基本保持在沖碾工作面下1m左右.沖碾過程中，地下水位上升明顯.每輪次沖碾后地下水位分別上升了43.4，24.2和19.5 cm.此外，K21+620斷面路基左側(cè)在第1輪沖碾結(jié)束后，地下水位距沖碾面僅38cm，說明此監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水位已經(jīng)進(jìn)入了碎石土墊層中，因此第1輪次在沖碾3遍后停止.碎石土滲透系數(shù)較粉細(xì)砂小，40 cm厚的碎石土層不僅可以在沖碾過程中防止地下水位溢出地表，而且可以在公路運(yùn)營期間有效阻斷地下毛細(xì)水的入滲.

2.2 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

每輪沖碾前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4所示；每輪次后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)超靜孔隙水壓力消散率的計(jì)算結(jié)果如表5所示.試驗(yàn)期間，為確定孔隙水壓力隨時(shí)間的消散情況，在第2輪結(jié)束后，多次對(duì)孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示.

圖2 沖碾后孔隙水壓力隨時(shí)間的消散情況（第2輪）Fig.2 Pore water pressure dissipation situation over time after IGM treatment（Second round）

由表4和表5可知，2m和4m深度處的孔隙水壓力在沖碾過程中變化顯著，且間隔24h后超孔隙水壓力消散率均在70%以上；而7m深度處的孔隙水壓力變化較小.結(jié)合沖擊碾壓過程中現(xiàn)場(chǎng)碎石土施工作業(yè)面情況分析，當(dāng)超孔隙水壓力消散不夠時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行沖擊碾壓會(huì)導(dǎo)致地下水位快速上升，碎石土表面會(huì)逐漸出現(xiàn)縱向和橫向裂縫，若繼續(xù)沖壓，粉細(xì)砂地基局部出現(xiàn)振動(dòng)液化的可能性增大；當(dāng)超孔隙水壓力消散率到70%后再進(jìn)行沖擊碾壓，碎石土表面幾乎不會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象.因此，對(duì)于濱海粉細(xì)砂地基，可采用超靜孔隙水壓力消散率是否達(dá)到70%作為能否進(jìn)行下一輪次沖碾的標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在地基兩側(cè)設(shè)置了1m深臨時(shí)排水溝的前提下，沖擊碾壓的間隔時(shí)間為1d.

隨著沖碾輪次的增加，2m和4m深度處孔隙水壓力在沖碾過程中的上升幅度明顯減小，說明在孔隙水壓力消散良好的情況下，沖碾對(duì)粉細(xì)砂地基起到了加固作用.粉細(xì)砂滲透系數(shù)較黏性土大，但現(xiàn)場(chǎng)排水通道僅限于地基兩側(cè)的臨時(shí)排水溝，因此粉細(xì)砂地基土的孔隙水壓力消散明顯偏慢.

表4 沖擊碾壓孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.4 The monitoring results of pore water pressure during IGM treatment

表5 超孔壓消散率計(jì)算結(jié)果Tab.5 The calculation results of the excess pore water pressure dissipation rate

2012年10月18日上午第2輪（5遍）沖碾結(jié)束后，于當(dāng)日中午12時(shí)、當(dāng)日傍晚18時(shí)、次日早晨6時(shí)、次日傍晚18時(shí)測(cè)試了試驗(yàn)段地基土孔隙水壓力.經(jīng)計(jì)算可知，在沖碾結(jié)束6h后，2，4，7m深度處的超孔隙水壓力消散率分別為56.8%，50.0%，38.0%；在沖碾結(jié)束12h后，2，4，7m深度處的孔隙水壓力消散率分別達(dá)到71.6%，69.5%，66.0%；在沖碾結(jié)束18h后，2，4，7m深度處的超孔隙水壓力消散率分別為92.0%，90.3%，86.0%.對(duì)比2，4，7 m深度處的超孔隙水壓力消散率可知，粉細(xì)砂地基土越深，孔隙水壓力消散越慢.在10月19日早晨測(cè)得超孔壓消散率均已超過70%，但因突遇降雨，故沖碾試驗(yàn)延后1d.盡管降雨會(huì)對(duì)粉細(xì)砂地基中超孔隙水壓力的消散產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，但在降雨期間仍可以淺層飽和粉細(xì)砂地基中超孔壓消散率達(dá)到70%作為實(shí)施下一輪次沖碾的控制標(biāo)準(zhǔn).

2.3 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

試驗(yàn)段每隔20m設(shè)置1個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)斷面，共設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面.每個(gè)斷面上布置了5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn).在每輪次開始前和結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)段地表的沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在各輪沖碾后的平均沉降量如表6所示.

沉降量的觀測(cè)結(jié)果表明，地表沉降量隨著沖擊輪次的增加而減小，并呈現(xiàn)收斂的趨勢(shì)，說明沖擊碾壓對(duì)地基起到了加固作用.第1輪沖碾后，地基土中空隙被壓縮，導(dǎo)致孔隙水壓力急劇增大，隨著時(shí)間的推移，孔隙水壓力逐漸減小，地基土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加，從而起到加固地基的作用.由于第1輪沖碾的孔隙水壓力變化最大，因此，沉降量也最大，而之后兩輪沖碾，孔隙水壓力上升幅度減小，對(duì)土空隙的壓縮作用減弱，因此沉降量也變小.第3輪沖擊碾壓施工結(jié)束后，地表沉降已不足1cm.經(jīng)過上述3輪次的沖擊碾壓施工，粉細(xì)砂地基土已達(dá)到加固的目的，因此試驗(yàn)結(jié)束.

表6 沖擊碾壓沉降量統(tǒng)計(jì)表Tab.6 Average settlement after different passes of IGM

3 檢測(cè)結(jié)果與分析

3.1 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

為掌握粉細(xì)砂地基承載力的變化情況，在試驗(yàn)前后對(duì)3m深度范圍內(nèi)的粉細(xì)砂地基進(jìn)行了5組重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，其中1組重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，其余4組重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)均呈現(xiàn)相同的規(guī)律.

圖3 沖壓前后3m深度范圍內(nèi)動(dòng)力觸探試驗(yàn)對(duì)比圖Fig.3 DPT curves before and after IGM treatment in 3-meter-depth range

由圖3可知，粉細(xì)砂地基經(jīng)過沖擊碾壓處理以后，碎石土層的錘擊數(shù)提高2倍多，其下至2m深度范圍內(nèi)的錘擊數(shù)提高1倍有余，2～3m范圍內(nèi)錘擊數(shù)略有增加，說明沖擊碾壓處理粉細(xì)砂地基能大幅度提高2m深度范圍內(nèi)地基土的承載力，對(duì)于提高2 m以下地基土的承載力效果不明顯.

3.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

為進(jìn)一步掌握粉細(xì)砂地基的加固效果，在試驗(yàn)前后對(duì)粉細(xì)砂地基進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示.《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）［6］規(guī)定砂土的密實(shí)度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值N劃分為密實(shí)、中密、稍密和松散.

表7 碾壓前后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果對(duì)比表Tab.7 Comparison of SPT results before and after IGM treatment

由表7可知，粉細(xì)砂地基經(jīng)沖擊碾壓處理后，1 m深度范圍內(nèi)的地基土由松散狀態(tài)變成密實(shí)狀態(tài)，1 m以下均處于稍密狀態(tài)，1～2m范圍內(nèi)地基土密實(shí)度有一定程度的提高，2m以下地基土處理前后變化不大.

結(jié)合文獻(xiàn)［2-3］的研究成果可知：黃土、粉土、粉細(xì)砂等地基經(jīng)過沖擊碾壓處理之后，均顯示出2m深度范圍內(nèi)的地基土壓實(shí)效果明顯.沖擊碾壓處理地基的有效深度與沖擊碾壓的施工參數(shù)有密切關(guān)系，與地基土的工程特性關(guān)系不明顯.

3.3 壓實(shí)度檢測(cè)

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)段碎石土層進(jìn)行了壓實(shí)度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表8所示.

表8 壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果Tab.8 Compaction test results

從碎石土材料的顆粒篩分試驗(yàn)結(jié)果可知，碎石土的不均勻系數(shù)為7.358，曲率系數(shù)為1.352；根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）［7］，該碎石土為級(jí)配良好的砂.由碎石土擊實(shí)曲線可知，碎石土最大干密度為1.99g·cm-3，最佳含水率為11.0%.

從表8可知，試驗(yàn)段經(jīng)過沖擊碾壓處理之后，碎石土層的壓實(shí)度能達(dá)到97%以上，滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2004）［8］高速公路和一級(jí)公路有關(guān)壓實(shí)度的要求.

3.4 彎沉檢測(cè)

試驗(yàn)段地表彎沉由監(jiān)理單位采用5.4m貝克曼梁彎沉儀檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)總計(jì)10個(gè).經(jīng)計(jì)算，彎沉代表值為230.27（0.01mm），小于該標(biāo)段公路的設(shè)計(jì)彎沉值258.5（0.01mm），滿足基底承載力的要求.

濱海地區(qū)的公路建設(shè)存在低填淺挖路段和一般的填方路段，不論是哪種路段的粉細(xì)砂地基，試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的結(jié)果均表明，采用合理的沖擊碾壓施工工藝能有效提高粉細(xì)砂地基的強(qiáng)度，且試驗(yàn)段的壓實(shí)度和彎沉檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求.鑒于本文重點(diǎn)探討沖擊碾壓處理濱海粉細(xì)砂地基的有效性，因此，有關(guān)碎石土層部分，不做過多敘述.

4 結(jié)論

（1）采用合理的沖擊碾壓施工工藝可以有效地處理粉細(xì)砂地基，達(dá)到提高粉細(xì)砂地基強(qiáng)度，消除淺層粉細(xì)砂地基液化的目的.

（2）采用沖擊碾壓法處理粉細(xì)砂地基時(shí)，粉細(xì)砂地基土在沖擊碾壓過程中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力，必須給予足夠的時(shí)間消散.當(dāng)超靜孔隙水壓力消散率達(dá)到70%以上時(shí)，方可進(jìn)行下一輪次的施工.

（3）結(jié)合本文孔壓的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及有關(guān)文獻(xiàn)［2～3］可知，地基土經(jīng)過沖擊碾壓處理之后，2m深度范圍內(nèi)的壓實(shí)效果顯著.沖擊碾壓處理地基的有效深度與沖擊碾壓的施工參數(shù)密切相關(guān)，與地基土的工程特性關(guān)系不明顯.

（4）受高地下水位、排水通道不暢等因素影響，現(xiàn)場(chǎng)必須設(shè)置良好的排水通道以便超孔隙水壓力盡快消散.

［1］ 王仁芝.專家解惑之沖擊碾壓技術(shù)篇［J］.中國公路，2005（8）：80.WANG Renzhi.Some problem in impact compaction technology［J］.China Highway，2005（8）：80.

［2］ 王吉利，劉怡林，沈興付，等.沖擊碾壓法處理黃土地基的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2005，26（5）：755.WANG Jili，LIU Yilin，SHEN Xingfu，et al.Experimental investigation on treatment of loess subgrade with impaction and grind method（IGM）［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26（5）：755.

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［4］ 交通部公路科學(xué)研究院.公路沖擊碾壓應(yīng)用技術(shù)指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.Research Institute of Highway of the Ministry of Transport.Highway impact rolling application guide［M］.Beijing：China Communications Press，2005.

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［6］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB50021—2001巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB50021-2001 Code for investigation of geotechnical engineering［S］.Beijing：China Architecture &Building Press，2002.

［7］ 中華人民共和國交通部.JTG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2007.Ministry of Transport of the People’s Republic of China.JTG E40—2007 Test methods of soils for highway engineering［S］.Beijing：China Communications Press，2007.

［8］ 中華人民共和國交通部.JTG D30—2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.Ministry of Transport of the People’s Republic of China.JTG D30—2004 Specification for design of highway subgrades［S］.Beijing：China Communications Press，2004.