湿陷性黄土路基改良施工工艺应用与探讨

引言：黄土是在干旱和半干旱气候条件下，由风力搬运堆积的沉积物。在我国，黄土主要分布在黄河中、小游地区，其中在黄土高原地区呈现连续分布[1]，青海省黄土主要分布于我国湿陷性黄土区划中的陇西地区，具有自重湿陷性土层厚、自重湿陷性强、自重湿陷量大、黏土含量较多的特点[2]。国内外专家学者对黄土湿陷性成因的研究由来已久，形成了盐溶说、结构学说、动水压力说、抗剪强度降低说、微结构不平衡吸力说等一系列研究成果[3-4]。总而言之，黄土湿陷变形是一个受物理、化学和力学等多方面因素共同作用的复杂过程，且水环境的影响至关重要，水侵入黄土自身的特殊架空孔隙结构后，极大削弱黄土颗粒的联结强度，在自重应力和附加应力的共同作用下，黄土原有土体结构失稳而引发湿陷[5-6]。本文依托项目西宁至互助一级公路扩能改造工程路线全长42.68公里，采用高速公路标准，路线范围内分布有Ⅰ（轻微）非自重～Ⅲ级（严重）自重湿陷性黄土。为有效消除黄土湿陷性对路基稳定性的影响，在项目建设过程中对黄土路基进行了改良施工，本文重点介绍强夯、冲击碾压、水泥土挤密桩、水泥土填筑在项目的应用以及相关工艺原理及控制要点，相关成果可为类似项目提供参考。1.工艺原理强夯法适用于Ⅲ级湿陷性黄土且填高大于4m的路基段落，采用2000kN·m能级的强夯设备，夯点采用正方形布置[7]，夯点间距4m，强夯施工前进行试夯，夯点的夯击次数根据现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，最后两击的平均夯沉量不大于50mm，点夯两遍，满夯一遍，采用轻锤或低落距多次夯击，锤印相互搭接，满夯完成后采用平地机将地表刮平。冲击碾压采用25KJ三边形冲击式压路机对原地面以及每填高1.5m冲击碾压一次[8]（30遍），冲击碾压采用排压法，纵横向轮迹交错，行驶速度宜在10～12km/h，轮迹之间相互重叠，每冲击碾压6遍，用平地机刮平地表，采用钢轮压路机静压或振压将地表面压实1～2遍，继续冲压施工。水泥土挤密桩采用机械成孔，选用相对单一的土质材料，与水泥按一定配比，在水泥土拌合站充分拌合均匀制成水泥土，分层向孔内回填并强力夯实，制成均匀的水泥土挤密桩，桩和桩间土一起形成复合地基[9]。水泥土填筑路基是以水泥土作为填料，按照路堤、下路床、上路床分别掺3%、4%、5%的水泥，采用路拌机翻拌均匀后进行碾压整平，较普通路基施工多了撒布水泥及路拌机翻拌的施工工艺。2.施工工艺流程及要点2.1工艺流程强夯法：场地平整→标出第一遍夯点位置→夯机就位→第一遍夯击→填平夯坑→标出第二遍夯点位置→第二遍夯击→填平夯坑→第三遍满夯。冲击碾压：场地平整→压路机静压→冲击碾压6遍→平地机刮平→压路机静压→冲击碾压6遍→循环直至碾压30遍且沉降量满足要求。水泥土挤密桩：场地平整→桩孔定位、编号放样→沉桩机就位→沉桩管至设计标高→拔管→检查验孔→夯实→检测→成桩。水泥土填筑法：下承层验收→下层洒水打方格→上土→推土机粗平→素土洒水闷料→平地机精平→撒布水泥→水泥改良土拌和→平地机精平→碾压成型→压实度检测。2.2工艺要点2.2.1强夯法工艺要点为减少路堤工后沉降，确保路堤的稳定性，对填土路基清除表土后，进行强夯处理并且碾压密实，压实度应满足规范要求。填筑过程中，每填筑4m高时，进行一次强夯处理。夯点间距采用正方形布置，主、副夯单位夯击能应达到2000KN·m（能级为锤重与落距之乘积），每遍每点8击（或最后两击平均夯沉量按20mm控制），强夯3遍，最后一遍采用单位夯击能为800KN·m的低能量满夯，互相搭夯不小于1/3夯痕。具体参数应通过现场试夯确定，以消除地面下5m以内土层的湿陷性为原则，夯击后对上部震松的土层进行辗压。2.2.2冲击碾压工艺要点路基填筑每填高1.5m采用25KJ三边形冲击式压路机增强补压一次（冲击压路机冲压30遍为一次）；冲击碾压前应先用平地机将原地面大致整平，再用钢轮压路机静压或振压将地表适当压实。冲击碾压宜采用排压法，纵横向轮迹交错，纵向相错16轮轴距，横向轴缘相互重叠20～30cm，冲击压路机的行驶速度宜在10～12km/h，冲击碾压采用来回错轮的方式，轮迹之间相互重叠。纵向排列每次应错一轮宽，有利于冲击点的满布、均匀，增强整体效果，整个场地全部压完1次为碾压一遍。第二遍时应由第一遍向内移动30cm宽进行冲击碾压，第三遍再回到第一遍的位置冲击碾压，依次进行至最终遍数。冲击碾压前6遍宜采用低速冲压，以避免冲击坑太深，机械行驶困难，冲压不均匀，影响碾压效果，当地基表面出现较明显的凹凸，致使不能保证行进速度时，应马上停机，用平地机刮平后再继续施工。每冲击碾压6遍，用平地机刮平地表，采用钢轮压路机静压或振压将地表面压实1～2遍，测一次观测点处的沉降值、压实度、湿陷系数深度。当观测值不能满足要求，继续冲压施工，并视含水率情况，必要时在继续冲压前洒水，当观测值满足设计要求时停止冲压施工。冲击压路机进行冲击碾压，机械行进速度维持在10～12km/h之间，从路基的一侧向另一侧转圈冲击碾压，冲击碾压顺序应符合“先路边，后中间”错轮进行。碾压过程中如果因轮迹过深而影响压实时，可用机械平整后再进行冲击碾压，若路基表面扬尘，可用洒水车适量均匀洒水继续冲碾。冲击压过程中表层产生波浪形起伏后，碾压时要有意识地调整转弯半径，冲击波峰，即实现单双两遍冲压的波峰与波谷呈现交替状，做到压实质量的均匀，满压、无漏压，在每碾压6遍后要调整为反方向冲击碾压。冲击碾压工序完成后，采用平地机进行初步整平，再用钢轮压路机振动碾压1～2遍，进行压实收光，整平压实后表面必须平整密实、无轮迹、无松散、边线圆滑直顺。2.2.3水泥土挤密桩工艺要点（1）施工放样：施工前，根据桩位图，通过坐标控制点，准确定位出每个施工桩位点，并做好标识，经检验无误后，再进行施工，并做好施工记录。（2）成孔：水泥土挤密桩施工采用沉管挤密法成孔，厂拌质量比为8%的水泥土，使用100kg～125kg的夹杆锤夯实机分层回填夯实，机具安装就位后，使其平整稳固，然后吊起桩管，对准桩位，缓缓放下，使桩管、桩尖、桩锤处于同一垂线上，借锤击力及桩管自重，将桩管压入土中。管桩表面在6m、8m、9m、10m做有进尺标记，用来控制成孔深度。桩尖开始入土时，先低锤轻击，待沉入土中1-2m各方面正常后，再用预定的速度、落距、锤击沉管至设计深度。夯击沉管时，若出现桩孔斜移、桩靴损坏等情况，应及时回填挤密重打，每次成孔拔管后应及时检查桩尖。用柴油锤沉管至设计深度后，立即关闭油门，及时匀速（≤1m/min，软弱层及软硬交界处0.8m/min）拔管，有困难时可旋活桩管后起拔，拔出桩管后立即测量桩孔直径和深度。（3）填料的拌制与运输：水泥土采用厂拌，各种用料计量准确，配合比符合设计，外观颜色均匀一致，水泥土拌合均匀，不含有大于20mm的土块，拌合后确保水泥土含水量接近最优含水量，采用运输车覆盖运输，水泥土运至现场后可根据“手捏成团，落地散花”判断其含水量是否合适。水泥土应随拌随用，已拌成水泥土不得超过6小时或隔夜使用，被雨水淋湿的水泥土严禁使用，下雨期间不得进行水泥土拌制。（4）回填夯实：成孔后及时夯填，向孔内填料前先夯实孔底，桩孔填料前，应清底并夯实，夯击次数一般不少于25次，然后根据确定的分层回填厚度和夯击次数逐次填料夯实。水泥土分层回填夯实，逐层以量斗定量向桩孔内下料，每层回填厚度280-320mm，每次下土时长约4s，采用提升式夯实机分层夯实，落锤高度0.6m，夯击次数每层25次。水泥土回填夯实采用连续施工，每个桩孔一次性分层回填夯实，不得间隔停顿或隔日施工以免降低桩的承载力。（5）质量控制：桩孔质量检验应在成孔后及时进行，所有桩孔均需检验并做出记录，检验合格后方可进行夯填施工。孔内填料的夯实质量，应及时抽样检查，其数量不应少于总孔数的2%，每台班不应少于1孔；自桩顶向下0.5m起，宜每1m取2个土样测定干密度；平均压实系数λc不应低于0.97，其中压实系数最小值不应低于0.93。应抽检处理深度内桩间土的平均挤密系数ηc，检测探井数不应少于总桩数0.3%，且每项单体工程不得少于3个；自桩顶高程向下0.5m起，在检测孔中宜每1m取2个土样采用环刀法(桩孔外100mm处1个、相邻中心点1个)测定干密度，计算该层土的挤密系数平均值，成孔后3个孔之间的平均挤密系数不宜小于0.93，最小挤密系数不宜小于0.88。承载力检验应在成桩后14d-28d后进行，检测数量不应少于总桩数的1%，且每项单体工程复合地基静载荷试验不应少于3点。在场地内均布检测点(取土探井)，检测点孔径可取600mm，检测点深度宜大于处理深度1m，每个检测点均按照竖向1m的间距采取Ⅰ级原状土样，用以测定各层土的湿陷性、压缩性、干密度及其他相应的物理力学性质指标。2.2.4水泥土填筑法（1）基底验收：严格按照《公路工程质量检验评定标准》第一册：土建工程（JTGF80/1-2017）进行验收，验收过程严格执行“三检制度”，主要指标包括压实度、纵断高程、平面偏位、宽度、平整度、横坡度、边坡坡度，验收合格后进入下一道工序。（2）基底挂线打方格：方格尺寸按照试验段确定的松铺厚度及每车方量计算方格大小。方格大小要求大小一致，横平竖直。（3）方格上土：每个方格一车，倒土尽量成一条直线，便于推土机初平。（4）推土机初平：上土完成后采用推土机初平，保证路基横、纵坡度和宽度。（5）素土洒水闷料：试验室检测路基天然含水量，根据水泥稳定土的最佳含水量确定加水量，用洒水车进行补水，直到满足规范要求，使素土含水量上下保持一致。（6）平地机精平：用光轮压路机静压1遍，根据设计标高用石灰点标注控制点标高，平地机按照测量标高进行整平。（7）水泥布料：用专用的水泥粉料撒布机进行布料，保证布料均匀，布料数量根据每平方米的布料数量对粉料撒布机电脑进行设置，保证水泥剂量满足规范要求。（8）水泥稳定土拌合：水泥布料完成后，路拌机及时进行拌合，拌合深度要嵌入基底1-2cm，保证上下层有效连接。在拌合过程中，及时检查拌合深度，对路拌机拌合参数进行调整，保证拌合深度，不得出现素土夹层。（9）含水量检测：路拌机拌合完成后，试验室及时检测水泥剂量和含水量，水泥剂量要满足规范要求，含水量应控制在最佳含水量±2%范围内，不满足要求进行补水或晾晒，直到含水量满足要求。（10）碾压成型：首先采用22T羊角碾进行碾压，碾压速度保持在2～4km/h，共碾压4遍，待羊角碾碾压完成后，平地机将碾压痕迹刮平，再采用26T振动压路机进行碾压，碾压速度保持在2～4km/h，先静压1遍，再振动碾压3遍，最后静压1遍，直线段采用从两边向中间碾压，曲线段采用从内侧向外侧碾压，碾压顺序都是由低到高，碾压时采用梯队作业，按照路基试验段确定的机械组合和碾压遍数。碾压先慢后快，碾压要均匀，轮迹重叠宽度满足规范要求。3.改良效果通过采用强夯、冲击碾压、水泥土挤密桩、水泥土等工艺对湿陷性黄土路基进行改良施工，第一方面，经检测黄土路基压实度、弯沉等指标均符合《公路工程质量检验评定标准》第一册：土建工程（JTGF80/1-2017）的规定，有效确保了路基工程质量；第二方面，根据项目交工后的试运营情况，路基工程整体稳定，未出现路基沉陷病害，节约了路基湿陷病害整治费用，节省了公路养护成本；第三方面，与传统的灰土路基掺石灰相比，水泥土路基填筑采用水泥作为外掺材料，避免使用石灰，减少对生态环境的影响，取得了较好的环保效益。综上所述，湿陷性黄土路基采用强夯、冲击碾压、水泥土挤密桩、水泥土等改良施工工艺，通过机械化和标准化的施工，能够有效消除或降低黄土路基的湿陷性，使得西宁至互助一级公路扩能改造工程黄土路基实现了内实外美，创造了良好的社会效益。结语：本文针对西宁至互助一级公路扩能改造工程路基湿陷性黄土处置问题，对施工过程中采用的强夯、冲击碾压、水泥土挤密桩、水泥