(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；2青海省交通科学研究院，青海 西宁 810000)
摘 要 青海新建川口—大河家高速公路沟壑路段采用了填方路基。为防止涵顶和过渡段路基产生差异沉降，结合现场实际对涵洞两侧不作拓宽处理，而是选用高频液压夯实机进行分层补夯，并开展了夯实工艺试验。试验结果表明：沉降检测指标应控制在10～20 mm；夯击厚度约1 m，夯点间距1.2 m时压实效果较好。
关键词 高速公路路基；黄土沟壑区；现场试验；施工工艺；台背回填；工艺参数
在深沟地形条件下，尤其是黄土区的沟壑路段修筑高填方路堤时，在对其进行地基(加固)处理、路堤填筑施工、质量控制过程中面临诸多亟待解决的技术难题[1]。当以高填方涵洞路基形式通过沟壑区时，动辄数十米的黄土填方路基和短小的施工场地给台背回填施工带来了严峻挑战，涵洞结构物、地基、路基土体的受力和变形特性变得复杂不定，同时又增加了台背回填施工、地基处理、路基填筑施工和质量控制的难度。往往工后涵顶填方路基和过渡段存在差异性沉降，易造成“跳车”现象，给行车安全带来极大隐患。目前常规的施工工艺是采用大型机械对涵洞两侧开挖台阶处理，结合光面压路机和小型压实机械逐层压实，但施工量较大、工艺较复杂、施工周期较长，工后路基常发生沉降病害[2]。
随着液压夯实设备的研发和相关技术手段的提高，高速液压夯实机在“三背”回填等施工中得到越来越广泛的应用，且弥补了常规机械碾压法和强夯法之间的技术空缺。高速液压夯实机在路基填筑中的主要功能之一就是进一步压缩土体、提高路基强度，同时消除或弱化分层碾压所导致的土体垂直方向均匀性差及层间结合力差的固有缺陷。通过对土体的整体化处理，提高路基承载力及稳定性[3]。
近年来国内外多条高速公路及铁路采用高速液压夯实技术在“三背”回填及路基结合部施工。据大量的应用实例表明，用于高速公路路基增强补压时，可使碾压达标路基继续沉降10 cm以上。目前已大量应用于公路路基加宽部夯实处理，替代强夯广泛用于高填方路基及特殊填料路基夯实处理[4]。
1.1 夯实原理
高频液压夯实机通过机械动力及液压传输系统，将液压夯锤抬升一定高度后击打在地基土体上，通过反复击打路面从而达到压缩土体，提高地基承载力。该工作原理类似于强夯法，采用冲击载荷压实土体，液压夯锤快速击打到地面，以振动波的形式在土体内部传播，从传播形式来看，波动分为体波和面波，体波在土体四周及向下传播，面波在土体表层传播[5]。
在弹性介质中，相邻质点受到冲击波的作用发生振动时，必然会引起其他质点发生振动。夯点夯击能传播过程中会形成一个夯实体，夯实体会制约后面夯击能的传播，这样可以促使夯击能及夯实体往更深土体传递。夯实体一般以椭圆、柱体、球体形式存在。能量在土体介质中传播必定会产生能量消耗，由于物质阻尼和几何阻尼共同存在，夯击能的传播存在一定的影响深度及范围[6]。
1.2 高频液压夯实技术特点
高频液压夯实技术采用夯实频率为30～80击/min，比普通液压夯实工艺(一般夯实频率为12～20击/min)压实速率强度提高2.5～4.0倍。常规液压夯实工艺由于液流阻力的存在，在消耗功率的同时，产生的无功损耗30%转化为热能，大大影响了施工作业效率。高频液压夯实工艺对路基夯实影响深度较大，液流阻力较小，可长时间持续工作。通过对施工面进行高强度、高频率的反复击打，可大大提高压实效率，有效的提高路基压实度。
高频液压夯实工艺具有以下特点：①具有液流阻力小、夯实频率高、强度大等特点。②相比起常规液压夯实工艺，高频液压夯实工艺能适应高等级公路分层填筑及补夯作业施工要求及新旧路基结合部处理要求。③机动性更强，常规液压夯实机需采用半挂汽车或者平板拖车进行运输，高频液压夯实机可直接与装载机配套使用，可在较小的空间进行施工作业[7]。④高频型液压夯实机通过与之相适应的配套机具，能够对过渡段、“三背区”以及边坡进行夯实作业，通过高效的夯击能作用，达到了填土所需的压实要求。
根据公路路基施工技术规范(JTG F10—2006)[8]要求，涵洞台背回填区应严格的控制单层摊铺厚度和压实度，其摊铺厚度不大于20 cm，台背回填区压实度不得小于96%，并在回填区与接近路面之间设置过渡段，其长度为路基填土高度的2～3倍[9]。
在常规涵洞台背回填施工中，通常采用涵洞台背两侧拓宽开挖台阶处理，作用是为了减小结构物与其两旁路基填土压缩系数变化差别幅度。由于黄土沟壑区地形地貌特点，涵洞两侧沟谷狭窄、沟壑较深，若进行开挖台阶处理，挖方量大，加大施工中的工作量。本次试验段选择高填方路基处，对涵洞台背两侧不进行大面积开挖处理，在常规填筑碾压后采用高频液压夯实技术进行补夯作业。具体的施工流程如图1所示。
图1 工艺流程
1)确定夯点位置
在夯实区对夯点进行放样，用石灰标识，液压夯实机按测量放样的位置就位，使夯锤对准点位。夯点布置采取沿锤心距离1 m均匀布置，夯锤边缘距台背最小距离0.5 m。
2)夯实机作用时间
液压夯实机的作用时间根据功率不同分3个档位，选取最大输出功率3挡进行试验。
3)效果检测
效果检测采用沉降检测与压实度检测相结合，沉降检测用于确定单点夯击时间；压实度检测用于确定夯实效果。采用水准仪测量每夯击3锤后的相对高程，得到单次沉降量和累计沉降量。当相对沉降差小于检测标准时，挖探坑测压实度(每层共设3个探坑，检测0～30，30～50，50～100 cm深度处压实度)。
3.1 试验工点概况
该试验工点位于青海省新建川口—大河家高速公路，里程为K55+500—K55+600。涵洞长45 m，涵洞形式4 m×4 m。本段线路所经地貌主要为Ⅱ级自重湿陷性黄土的低山区，地层主要为全新世风积、坡积黄土，区段内表层通常为耕植土、粉质黏土等，局部有薄层黄土分布，下伏卵石土、泥岩等。该工点位于沟壑填方区，且沟壑较深、沟壁较陡，离便道较近，适于开展高频液压夯实工艺试验。
根据高频液压补夯工艺试验方案，试验选择不同的夯击厚度，在常规压实后进行补夯作业。在保证夯后质量要求基础上，研究夯实厚度、夯击次数、压实度之间的关系以及夯点间距与压实度的关系。现场选取了3个作业面，分别为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ，高频液压补夯工艺方案见表1。
表1 高频液压补夯工艺方案
作业点单层摊铺厚度/cm摊铺层数夯击厚度/cmⅠ275Ⅱ30～403105Ⅲ4140
高频液压夯实工艺试验方案大致为：①选用不同夯击厚度，使用光面压路机，按路基常规压实度控制在93%左右；②应用高频液压夯实机进行补夯作业，检测夯后沉降量及压实度，若补夯后压实度未达到96%则继续补夯，达到96%为止，通过对比工效来确定合理的夯击厚度；③选用3种不同的夯点间距，进行夯击试验，通过检测夯后夯实效果，用以确定最佳夯距。
3.2 沉降检测
按照高频型液压夯实机补夯作业的已有施工经验，对达标路段补夯建议采用3档，单点夯击20锤，最后3锤相对沉降控制值为0.01 m[10-11]。
本试验在涵洞台背回填区按常规路基压实度控制，选择3档进行补夯作业，用以确定适合本区域的单点夯击次数及沉降检测指标。
1)夯击次数与累计沉降关系
现场选择5个试验点进行高频液压补夯试验，研究夯击次数与累计沉降的关系，试验结果见图2。可知：随着液压夯击次数的增加，试验点累计沉降逐渐增大；从增加的趋势来看，累计沉降有逐渐收敛的趋势。当夯击次数为36左右时，沉降趋于平稳，其夯实效果较为显著，由此可见，单点夯击次数选择36锤，较为合理。
图2 高频液压补夯试验结果
2)夯击次数与相对沉降的关系
液压夯实机夯击次数与相对沉降之间的关系如图3 所示。可知：随着夯实厚度的增大，相对沉降值也逐渐增大，当夯击16锤至36锤时，5个测点的相对沉降量值都在0.01～0.02 m范围内。
图3 夯击次数与相对沉降量关系
试验表明，高频液压补夯工艺沉降检测指标随夯实厚度及夯击次数的变化，其检测指标不再是一个确定值，而存在一个取值区间(0.01～0.02 m)，其常规路基沉降检测值0.01 m不再适用，根据不同的施工场地情况，其值应进行现场试验确定。
通过现场初步试验，作业面Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ的最后3锤沉降检测指标如表2所示。
3.3 压实度检测
试验对不同补夯厚度的作业面进行压实度检测，分别在作业面Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ选取3个检测点，选取深度为1 m的探坑进行压实度检测，分别对夯前表面、夯后表面、夯后探坑中部(深度30～50 cm)、夯后探坑底部(深度70～100 cm)处压实度进行了检测，其均值压实度检测结果如图4所示。
表2 高频液压夯实工艺沉降检测指标
试验点补夯厚度/cm夯击次数/次最后3锤相对沉降/m检测标准/m作业面Ⅰ75001120012作业面Ⅱ10536001250013作业面Ⅲ140001780018
图4 不同夯击厚度均值压实度
由图4可知：从压实度变化情况来看，显然夯后压实度均有较大的提高；随着夯击厚度的增加，其夯后表层、中部、底部压实度均有减小的趋势；夯击厚度为75,105 cm时，夯后压实度均能满足质量要求，夯击厚度140 cm时，夯后表层以下压实度小于96%，已不能满足质量要求；夯击厚度105 cm时,夯后压实度能满足质量要求(压实度≥96%)，且填筑厚度比75 cm大，因此，选择摊铺2层厚度约100 cm时，其综合效果较好。
3.4 调夯距试验
液压夯实工艺，夯点间距的选取尤为重要，夯点间距过近，相邻夯点之间振动会彼此干扰，影响压实效果；若夯距过远，则未压实区受周边夯击体挤压，反而压实度达不到要求。
试验选取夯距为1.0，1.2，1.5 m进行高频液压夯实机调夯距补夯试验，根据试验方案，在回填区域内划分为3个试验区，试验区划分如图5所示。
图5 调间距夯点布置
图6 不同夯距压实度检测情况
各试验区分别检验深度0，0.5，1.0 m处的压实度，其试验结果如图6所示。可知：夯距为1.2 m时,0(表层),0.5,1.0 m 深度处压实度都在规范要求范围(压实度≥96%)内，其压实效果比夯距1.0 m和1.5 m效果好。
夯距的不同对夯后压实效果有很直接的关系。当夯距为1.0 m时，深度0.5 m及以下其压实效果不佳，其原因在于夯距较小,高频液压夯实重锤冲击力夯击地面压缩土体时，向周边高速挤压土体，产生强烈的剪切波，破坏了周围压实土体的压实效果；夯距为1.5 m时，由于其间距较大，夯点之间未压实区受到周边夯击剪切波的影响，夯点区土体向未压实区挤压，反而影响了整体压实效果[12]。因此，综合对比分析，夯距为1.2 m时压实效果较好。
1)高频液压夯实工艺应用于黄土沟壑区台背回填是一种新的尝试，实验结果表明，其夯后压实效果较为理想，可以提高台背回填区表层及深层的压实度；
2)对于不同的施工场地情况，应根据现场试验来确定单点的夯击次数，其沉降检测指标范围为0.01～0.02 m；
3)通过选择不同夯击厚度、夯击间距进行的夯击试验，研究结果表明，其夯击厚度约1 m时，其夯后压实能达到96%以上，满足施工要求；
4)通过调夯距试验效果对比，选择夯点间距1.2 m 时，其压实效果较好。
参考文献
[1]贾清辉,蓝玉涛.特殊地形路基夯压技术的开发应用[J].公路交通科技(应用技术版),2011(8):111-113.
[2]邱志雄,李军.高等级公路桥涵台背回填施工工艺与质量控制探讨[J].公路,2003(8):139-141.
[3]陈翔,汪江南.液压夯实补强技术在高速公路台背回填中的研究与应用[J].交通科技,2016 (6):73-76.
[4]曹斌,邓捷.高速液压夯实机的开发应用[J].公路交通科技(应用技术版),2012(7):353-356.
[5]郭见扬.夯能的传播和夯实柱体的形成(强夯加固机理探讨之三)[J].土工基础,1996(4):21-28.
[6]李宁.碎石填土地基强夯加固机理及其工程应用研究[D].长沙:湖南大学,2009.
[7]曹斌,刘岩.高速液压夯实机在高速公路路基填筑中的应用[J].公路,2016(11):71-75.
[8]中华人民共和国交通部.JTG F10—2006 公路路基施工技术规范 [S].北京:人民交通出版社,2006.
[9]董方.高速公路强夯加固技术理论与应用研究[D].长沙：湖南大学,2005.
[10]屈耀辉,武小鹏,米伟军,等,民和(甘青界)至平安(小峡)公路黄土补充勘查报告[R].兰州:中铁西北科学研究院有限公司,2014:17-18.
[11]张焕新,方建勤,黄水泉.液压夯实技术补强高速公路台背路基施工工艺试验研究[J].公路,2010(6):140-143.
[12]谢子明,谢江平.液压行时机在永宁高速公路改善桥台背填土质量中的应用[J].公路交通科技,2013,3(9):346-349.
MIAO Xueyun1，LIU Heye1，QU Yaohui1，LI Kaichong1，SUN Rundong2
(1.Northwest Research Institute Co.，Ltd of C.R.E.C,Lanzhou Gansu 730000,China; 2.Qinghai Research Institute of Transportation,Xining Qinghai 810000,China)
Abstract Fill subgrade was adopted in gully section of Chuankou-Dahejia new-built freeway in Qinghai province.To prevent differential settlement between the top of culvert and transition section，the high frequency hydraulic rammer was used tostratif ied tamping for both sides of the culvert instead of widening treatment by combining with the f ield practice，and the tamping process tests were carried out in the meantime.The test results show that the settlement test index should be in the range from 10 to 20 mm and the effect of compaction is better when the tamping thickness is about 1 m and the spacing between tamping points is 1.2 m.
Key words Freeway subgrade;Loess gully region;Field test;Construction technology;Abutment backf ill;Process parameter
中图分类号 U415.51
文献标识码：A
联系客服
