湿陷性黄土路基冲击碾压施工工法.docx
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湿陷性黄土路基冲击碾压施工工法
湿陷性黄土路基冲击碾压施工工法
1.前言
近年来，我国公路建设力度不断加大，而工程建设施工质量直接关系到公路日后的使用质量和安全。
路面及路基在使用过程中所承担的重量及车流量，对公路路基路面施工建设的稳定性及强度提出了更高的要求。
山西省运城市境内，存在着一种特殊地层--湿陷性黄土，该地层土具有遇水呈湿陷性的特点。
正是由于这一特点的存在，使得该地区道路施工较其它地区难度加大，若要在湿陷性黄土地区修筑路基工程，就必须解决路基土层遇水湿陷的问题，这就给我们工程人提出了一个课题--如何消除黄土路基的湿陷性？
本工法即为采用冲击碾压的工艺消除黄土湿陷性的一种施工工法。
我公司技术团队在国道333运城西至豫陕界段南移新建工程八分部施工段落中，经过对150米长的湿陷性黄土路基冲击碾压首件工程的实施及总结，并在该项目后续的大范围湿陷性黄土路基冲击碾压施工中，对冲击碾压施工工艺反复修订，最终形成本工法。
该工法作为消除黄土湿陷性的其中一种工艺，不但施工速度快、效率高、费用低，而且安全性高、节能环保，目前在湿陷性黄土地区多有应用，具有明显的社会效益和经济效益。
2.工法特点
2.1压实力大、影响深度和有效影响深度大。
冲击压实机的压实力是同吨位静碾压路机的10倍，是同吨位振动压路机的3--4倍，压实影响深度可高达5米，有效压实深度在0.8-1.2米，相比振动压路机最佳压实层厚度0.3m，有效解决普通压路机达不到施工深度、无法有效消除黄土湿陷性的问题。
2.2铺层厚度大。
冲击式压路机可进行湿陷性黄土压实，也可进行分层压实和补强压实。
由于其影响深度大，铺层厚度可达0.4--1.0m。
对于补强加固，其补强加固厚度可达2.0m以上。
2.3压实效率高。
其工作速度可达l0--15km/h，压实产量可达1000--1500m3/h。
应用冲击式压路机碾压一般性的黏土，压实5--9遍，其铺层的相对密度可达90%一92%，平均压实效率600--800m3/h。
而传统压实机械工作速度为3--6km/h，压实产量约为240--360m3/h（同吨位比较），大大提高了施工效率，加快施工进度，尤其在较长、较宽的路基段落效率更高。
2.4含水量范围标准要求低。
实践表明冲击压路机对黄土路基的含水量要求不严格，可压实未达到最佳填料含水量的地基基础。
2.5具有检测性。
强大的冲击力作用于地面，视觉效果直观，较易发现未被压实、下有空洞及“橡皮”路面或局部软弱区，可随时对施工质量进行检查控制。
3.适用范围
3.1本工法适用于公路、铁路、水坝、机场、楼房、工厂等各类工程的湿陷性黄土地基处理。
对消除黄土湿陷性、改善地基稳定性和不均匀沉降都能起到很好的作用。
大量的试验及检测数据表明，冲击碾压对黄土地区各类工程的地基处理均有良好的效果。
3.2牵引式冲击压路机单块施工面积不宜小于1500平方米，不利于施工长度小于100米、宽度小于6米的段落。
3.3下列情况不宜采用于冲击碾压：
3.3.1含水量超出范围，经试验段验证效果不明显的路段。
3.3.2路基增强补压经试验段冲击碾压20遍后，平均下沉量≦3cm的路段。
3.3.3掺加石灰或水泥进行改良的黄土路基土方，不应采用冲击碾压。
3.3.4铺设加筋土挡土墙或加筋格网的施工路段。
3.3.5建筑物安全间距不足的路段和有需要特别保护的建筑物路段。
4.工艺原理
冲击碾压隶属于压路机的一种新型的拖式压路机，又叫冲击式压实机、冲击碾压机。
冲击式压路机通过装载机牵引，带动一个三边弧形冲击压实轮，冲击轮在工作中，当牵引车拖动冲击轮向前滚动时，冲击轮重心离地面的高度上下交替变化，产生的势能和动能集中向前、向下碾压，形成巨大的冲击波，通过冲击轮自身的重量和前进时连续均匀的冲击力冲击地面，使土体均匀密实。
在碾压过程中，冲击轮每旋转一周，其重心抬高和下降三次，对地面产生夯实冲击和振动作用三次。
5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
施工准备-→测量放样-→冲压路段清理整平-→检测含水量和密实度-→冲击碾压试验段-→确定施工参数-→进行冲击碾压-→平地机清除多余土方、路基整平-→检测碾压后沉降量及表层压实度-→振动压路机碾压以消除轮迹-→进入下道工序。
表5.1冲击碾压施工工艺流程框图
5.2操作要点
5.2.1施工准备
1、施工前对路基冲击碾压路段进行清理掘除并整平，清表厚度不低于30cm，清表完成后进行洒水、整平、碾压，以保证均匀传递强大的冲击力，使冲击碾压达到最佳效果。
2、碾压前对路基含水量进行检测，掌握实际含水量与最佳含水量的差值。
3、在无法转弯的地段需修筑转弯道，以利冲击压路机转弯行驶。
4、排除地表水，施工区周边做好排水沟以确保场地排水通畅，防止积水。
5、施工前，明确采用机械的规格及性能，冲击压实及振动碾压的遍数、冲击能等参数，确定质量检测方法及评定标准。
5.2.2测量放样
1、对已整平的路基进行放样测量，要求放出道路中心桩及边桩，边桩设在道路红线以外1.0--1.5米处，两侧红线可洒白灰粉，并测量冲压前路面标高，以确定冲压后的沉降量。
2、用全站仪测量沉降观测点的坐标并记录，以便冲击完成后按照此坐标进行放样和标高测量。
观测点平面位置保持不变，在施工过程中，应保证观测点位置的固定。
3、各沉降量观测点应在冲击范围之外两侧设置护桩，作为恢复观测点的标准。
冲击碾压过程中，应派专人跟班作业，认真填写冲击碾压工作记录表，做好压实遍数与沉降量和水平位移观测记录。
5.2.3试验段设置
1、根据设计要求的压实度和沉降量，在大面积冲击碾压施工前选定有代表性的路基施做试验段，以确定冲击遍数、最佳行驶速度、沉降量等技术参数，并检测机械设备的性能和生产能力。
冲击碾压试验段的工作范围一般要求宽度不小于24m，长度不小于150m。
按照每50m设置一个检测断面，每断面按路基宽度设置观测点，每个沉降检测断面布置3点，分别为路基的左、中、右三点（边点距离路基边1m），从而对大面积施工过程的沉降量进行追踪调查。
2、在碾压过程中按照每5遍检测一次压实度及沉降，并详细记录数据，同时对检测数据进行整理分析，确定最佳碾压参数以指导冲击碾压大面积施工。
5.2.4冲击碾压方法
1、根据路基宽度确定循环冲击碾压的行驶路线，用白灰线洒出路线之后，用冲击式压实机进行冲击碾压。
新建道路冲击碾压施工时，施工场地宽度大于冲击压实机转弯半径的4倍时，以道路中心线对称地将场地分成两半，压实行驶路线按图5.2.4.1冲击碾压路线示意图（A）所示。
施工场地的宽度小于4倍转弯半径时，可按图5.2.4.2冲击碾压路线示意图（B）的“s”形冲压方式进行。
以图5.2.4.1冲击碾压路线示意图（A）为例，轮迹走向从路基的一侧边缘开始碾压，转弯后沿道路中心线向另一侧碾压，以纵向错轮1/6轮周长、横向错轮1/6轮间距碾压整个路基表面为冲碾一遍。
以宇通重工6830--25kj三边弧形冲击轮为例，三边弧形的冲击轮在纵向以每前行一周压实l/6轮迹的运行方式进行冲击碾压，在同一碾压带上错轮碾压6次（即在同一点上要往返冲击2次），相当于振动压路机碾压一遍。
因此，采用冲击压路机压实路基时，同一碾压带纵向至少冲击碾压6次，即按纵向错轮l/6轮周长进行。
横向错轮碾压应根据冲击轮宽度确定轮迹搭接宽度，如冲击轮单宽为0.9m、两轮之间距离为1.2m，每次需搭接0.2m，搭接冲压2次才能覆盖两轮之问的空间。
图5.2.4.1冲击碾压路线示意图（A）
图5.2.4.2冲击碾压路线示意图（B）
图5.2.4.3冲击压实方案平面示意图（横向错轮）
2、冲击碾压采用25kj三边弧形冲击式压实机，冲击式压实机行走速度控制在10--15km/h范围内，每遍的碾压轮迹必须紧密相连，保证纵、横向搭接，不得出现漏压、空白区段。
3、由于冲击轮三边弧形的构造特点，冲碾一遍结束后仍有部分路基未被冲碾到，表层会形成波浪起伏，一般每冲碾1遍应按顺时针和逆时针交替进行冲击碾压。
碾压时要调整转弯半径，冲击波峰，即进行错峰压实，以做到压实质量的均匀、满压。
图5.2.4.4冲击压实方案平面示意图（纵向错轮）
4、当冲击压路机冲压若干遍后，若场地波浪起伏过大，立即停止施工，用推土机和平地机整平后再继续冲碾。
5、冲碾过程中如果因轮迹过深而影响压实行进速度，应用平地机平整后再进行冲击碾压，整平时注意保护标记桩。
6、若土体含水量过大，出现软基现象，应做局部翻晒或换填处理。
7、若土体含水量小于最佳含水量，则采用推土机、平地机整平，补充洒水，保证土体处于最佳含水量，保持地基湿润、不出现松散层，水分充分渗透后再继续冲压，并进行压实度和高程检测。
8、各种试验参数整理汇总后确定结论以便指导大面积施工。
9、现场大面积冲击碾压时，按照试验段确定的施工工艺进行冲击碾压，施工过程中也可根据各个段落的现场检测情况对冲击遍数进行调整，最终以检测的压实度、沉降量等数据检验是否满足设计要求，以确定是否完成冲击碾压。
5.2.5湿陷性黄土路基冲击碾压一般要求
湿陷性黄土路基冲击碾压施工中，一般按照以下要求进行冲击碾压，现场由实测压实度及沉降量确定冲碾遍数是否满足设计及规范要求。
1、路基填方段地段路基范围内冲击一次。
2、零填路段路基范围内冲击一次。
3、已经消除路基湿陷性的段落，在填方厚度达到1.5m后冲击增强补压一次。
4、填挖交界路段冲击增强补压一次。
5、下路床填筑完成时进行冲击增强补压施工一次。
6.材料与设备
6.1路基材料
冲碾前，对施工范围内原状土进行取样，确定最佳含水量及标准击实试验。
6.2机械设备
表6.2机械设备情况
序号
设备名称
规格型号
数量
序号
设备名称
规格型号
数量
1
三边弧形冲击碾
25kj-6830
1辆
9
全站仪
宾得R-300X
1套
2
装载机
50C
1辆
10
水准仪
苏光DS3
1套
3
平地机
PY180
1辆
11
灌砂筒
φ150mm
1套
4
推土机
SD16
2辆
12
干燥箱
101-3型
1台
5
振动压路机
LSS2101
3辆
13
电子天平
KF1002型
1台
6
洒水车
12T
2辆
14
电子天平
TD5000型
1台
7
自卸车
F3000
4辆
15
土工标准筛
φ300mm
1套
8
挖掘机
CAT320
1辆
16
50m钢卷尺
QB/T2443-99
1把
7.质量控制
7.1质量控制标准
7.1.1冲击碾压施工质量控制主要以碾压遍数为主，相应检查碾压面的沉降量和碾压面以下20cm处的压实度增长情况。
因此，冲击碾压的质量控制标准应满足施工图设计要求的碾压遍数和沉降量。
7.1.2碾压遍数一般要求不小于20遍，压实度应满足设计的要求，并根据试验段参数及检测冲击效果适当调整。
表7.1.1地基与冲压检测项目
冲击压实机性能参数
土质参数
冲击碾压遍数
行驶速度
沉降量
压实度
25kj三边形双轮
土的含水量在（最佳含水量-4%）--（最佳含水量+2%）之间
湿陷性黄土地基20--40遍
10--15km/h
经试验确定冲压遍数所要求达到的沉降量
经试验确定冲压遍数后所要求提高的压实度
7.2质量保证措施
冲击碾压的检测主要以碾压遍数、施工工艺和沉降量为主。
沉降量检测方便易行，能直观地反映压实效果。
因此，对于冲击碾压质量控制，在铺筑试验段的基础上，强调以施工工艺和沉降量控制为主。
7.2.1冲击碾压中检测
1、对地基土或填料的性质采用常规检测方法，按《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）及《土的工程分类标准》（GB/T 50145-2007）进行土的性质判定，确定是否适宜冲击碾压处理。
2、现场采用灌砂法测定土层的密实度，以确定合理的碾压遍数。
碾压后土层的压实度应满足设计要求。
3、施工质量：
冲击碾压最后5遍的沉降量不得大于1cm，碾压面下1m深度范围内的地基的压实系数及地基系数应满足基床以下路堤填料的压实标准，若碾压面下1m深度位于基床底层，则应满足基床底层的压实标准。
3、检验数量：
冲击碾压达到设计规定的遍数后，每100m等间距检查2个断面6点，每断面左、中、右各1点，左、右点距路基边缘1m。
若未能达到规定的施工质量要求，则继续碾压，直至达到设计要求碾压遍数和沉降量为止。
7.2.2冲击碾压后检测
冲击碾压遍数完成后进行动力触探试验和黄土湿陷系数检测。
按每50m一个横断面，每个横断面布置3个点，分别是路基中线、距离左右边线1m处，进行检测试验，检测深度为处理后地表下1m范围，湿陷性系数分别在处理后地表下0.3m和0.9m深度分别取样进行检测。
具体施工及检测要求，可参照《公路冲击碾压应用技术指南》执行。
7.3质量控制
7.3.1施工过程中建立良好临时排水系统，保证施工过程中场内无积水。
7.3.2如果填料未达到规定要求的干密度，应采取必要的措施（如翻松、晾晒等）来调整填料的含水量，含水量控制在最佳含水量的±2%以内，并重新压实到规定的压实要求。
7.3.3填料铺筑后应采用推土机、平地机排压整平，地面无明显起伏过大情况。
7.3.4冲碾开始后，冲击能量由低到高（现场要求行走速度由慢到快），冲碾过程要求不得有急停、急转现象。
7.3.5每遍冲碾部位按要求设纵向、横向搭接，以保证冲碾均匀性。
7.3.6冲击碾压后，可用平地机把多余土方清除。
冲碾过程中，发现局部凹陷，可填料处理后继续冲碾施工。
7.3.7冲碾施工时每段施工区的长度不宜小于100m，宽度不宜小于6米。
施工中应尽可能采取路线较长、范围宽广的路基进行冲碾，以充分发挥冲击碾压的效能。
8.安全措施
8.1冲击碾压前应查明冲压范围内的地下管线及附近各种构造，并根据构造物的类型采取相应保护措施。
一般情况按表8.1确定水平安全距离。
表8.1冲击碾压水平安全距离
构造物类型
冲压水平安全距离
构造物类型
冲压水平安全距离
U形桥台和涵洞通道
距桥台翼墙端或涵洞通道5m
导线点、水准点、电线杆
10m
其余类型桥台
10m
地下管线
5m
重力式挡墙
距墙背内侧2m
互通式立交桥梁
10m
扶壁（悬臂）式挡墙
距扶（立）壁内侧2.5m
建筑物
30m
8.2冲压施工场地附近有构造物时，应注意观察，发现异常情况时，立即中断施工，以避免构造物损伤。
8.3确保机械设备安全使用，机械设备操作人员必须遵循设备的操作规程，机械操作人员和机动车驾驶人员必须有相应的特殊工种上岗证书，严禁无证上岗，严禁机械、设备带病和违章作业。
8.4施工单位须加强对员工的安全教育，树立安全第一的观念。
操作机手在上机前必须经严格的培训，合格后方能上机。
8.5每台至少配备2名操作机手，轮流进行作业，每名机手每次冲压时间不宜超过2小时。
8.6冲击碾压范围内的出入口应有醒目的安全标志，禁止无关车辆与人员出入冲压现场。
8.7在不断绝交通的情况下应采取交通安全措施，设置交通指示标志。
8.8夜间施工时，现场必须设置符合操作要求的照明设备与夜间警示标志。
8.9冲击压实机以自行方式调迁时，每20km应停驶休息，或洒水对胶轮进行降温，以防爆胎。
9.环保措施
9.1在干燥季节，土石方运输及填筑施工时，要配备洒水车对施工便道、路基作业区进行洒水固尘。
9.2在土石方运输过程中，跨越地方沥青（混凝土）路面时的，对运输车辆的车斗加设挡土板，并用篷布等覆盖，以防落土扬尘。
9.3运输车辆限速行车，车辆碾压的污迹以及运输车辆撒落路面上的土石等，要及时清扫（除）。
9.2清理的表层土应该运到弃土场，弃土场选位时必须慎重，要综合考虑对农田、水利、河道、交通的影响。
弃土场在封闭前要做适当处理，比如整平绿化等。
9.3施工过程中合理安排施工时间，减少噪音与振动对环境的影响。
9.4工程完工后，按要求及时拆除所有安全防护设施和其他临时设施，并将工地及周围环境清理整洁，做到工完料清场地净。
9.5严格执行《中华人民共和国环境法》、《中华人民共和国水土保持法》和其他地方性法律、法规。
10.效益分析
冲击碾压施工工法与同类压实机械的施工法相比工艺简单、施工速度快、效果明显、费用较低，而且施工安全性高，节能环保，技术标准要求低，与普通压实机及强夯相比，具有明显的社会效益和经济效益。
以25kj冲击压实机为例，与同类压实机械施工分析对比情况详见表10.1。
表10.1冲击压实机与强夯、普通压路机的施工参数对比
项目
冲击压实机（25kj）
强夯
普通压路机
压实原理
冲击轮滚动产生的动势能转换成冲击路基的动能，压实路基、冲压能量为25kj。
压实原理与强夯相同。
有效压实深度0.8--1.20m。
用具有较大势能的重锤（1000--8000kj）下落转变成动能，对地基产生动荷载及震动波，挤密压实土体。
有效加固深度4--15m。
静力压路机为轮下的静压力对路基产生压应力压实土体，有效压实厚度为0.2--0.25m。
振动压路机为振动压力波向深层传递，压实路基，有效压实深度0.3--0.5m。
压实工效
工作速度10--15km/h。
每小时可压实面积为：
20000m2/h。
按有效压实厚度0.8--1.2m，压实20遍计，压实工效为:
1000--1500m3/h。
每小时的夯实面积为:
15--25m2/h。
按轻型强夯加固深度4m计，压实工效为:
60--100m3/h。
工作速度3--6km/h。
按压实厚度0.4m，压实遍数5遍计，压实工效为:
240--360m³/h。
对路基的适用性
适用于湿陷性黄土路基，压实影响深度比较合理，施工速度快，最大压实度可超过95%。
仅能适合于路基的原始基础处理及有比较宽工作面的路基处理，施工速度很慢，加固厚度在多数情况有浪费，压实度可超过95%。
适合于各种情况下的路基填筑压实，但须严格按平行作业法分层碾压。
最大压实度可达95%。
经济指标
施工单价2.7元/m2。
每套机械单价80--100万元。
机械构造简单，维修方便。
施工单价17.9元/m2。
每套机械单价约20--40万元。
起吊夯锤的起重量设备利用率较低。
施工单价约6元/m2。
每台机械单价约30--50万元。
机械可靠性较好，维修较复杂。
11.应用实例
国道333运城西至豫陕界段南移新建工程八分部项目。
11.1工程概况
本施工段起止桩号为K165+120--K173+193.032，全长8.07km，按照一级公路标准设计、双向四车道、设计速度80km/h。
整体式路基全宽24.5m，各部分组成为：
中间带2.0m，行车道2×2×3.75m，硬路肩2×3m，土路肩2×0.75m。
设计行车速度为80公里/小时。
本合同段冲击碾压的设计施工内容主要为消除湿陷性黄土地基的湿陷性以及地基承载力不足的补强。
工程量约184562.2㎡。
11.2施工情况
根据道路工程施工图设计要求，冲击碾压选择不低于25kj的冲击压实机械，冲击碾压遍数不少于20遍，冲击碾压后的沉降量小于30cm。
本项目经过机械性能及冲击力筛选，确定所用冲击设备为三边弧形6830型冲击压实机，最大瞬间冲击功率为25kj（相当于冲击力250t以上的重击）。
为满足设计要求，确保大面积冲击碾压质量，我合同段选择地质条件及断面型式均具有代表性的地段于2018年04月20日施做了冲击碾压试验段，试验段起止桩号为K170+810—K170+960段，全长150m。
该试验段全部位于直线段上，且整体地势平整，施工便道畅通无阻，排水通畅，符合冲击碾压试验段的条件。
通过试验段施工，确定了冲击碾压的相关技术参数为：
冲击碾压20遍平均沉降量23.8cm，小于设计要求的不大于30cm，行驶速度宜控制在15km/h。
指导了后续大面积冲击碾压施工的顺利实施。
按照该工法组织的路基冲击碾压施工，不仅大量节约工程造价，缩短了施工工期，提高了工程质量，而且经济效益及社会效益显著，是一种速度快、效率高、费用低的碾压机械。
11.3工程监测与结果评价
通过对现场试验段9个点的压实度、沉降量的实测实量，其各项技术指标均符合图纸设计要求及《公路路基施工技术规范》（JTGF10-2006）的各项规定以及《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2017）的要求，达到了压实度一次性检测合格率100%。
在冲击碾压试验段施工中，本项目制定了详细而科学的冲击碾压首件工程实施方案及安全质量保证措施，通过对试验段的施工，可以评价我项目部编制的冲击碾压施工技术方案是否可行，对出现的问题及时应对处理情况，可以评价冲击压实机的行驶速度、碾压遍数、行驶路线以及人员组织、工艺流程、安全环保措施等对工程质量的影响程度，以便于总结经验，加强管理，避免施工后期造成返工，为规范化施工创造条件。
冲击碾压施工全过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态，工程质量优良率达98%以上，无安全生产事故发生，得到了监理及业主各方的一致好评。
通过本合同段冲击碾压的整个施工过程来看，我项目部所采用的“湿陷性黄土路基冲击碾压施工工法”满足设计及规范要求，可以用于指导其他类似项目湿陷性黄土路基的冲击碾压施工。
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