湿陷性黄土路基填筑不均匀沉陷防治

湿陷性黄土路基填筑施工工艺QC成果

中铁五局四公司天顶项目部QC小组

2009年2月19日

湿陷性黄土路基填筑不均匀沉陷防治

中铁五局四公司天顶项目部QC小组

2009年2月19日

一、小组概况

（一）小组名称：中铁五局四公司天顶项目部QC小组。. （二）课题登记及注册时间：2008年3月3日

（三）本课题活动时间：2008年3月3日至2008年11月25日 小组成员状况表：见下表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 姓名 钟勇奇 耿长宝 罗都颢 鲜先永 李佳益 莫伟 张赈立 任旺 谭龙 文化程度 大本 大本 大本 中技 中专 中专 大本 大专 中技 职务 项目经理 总工 项目副总 队长 技术主管 技术员 技术员 技术员 现场领工员 组内职务 受TQC教育情况 二、工程概况

本项目系连霍国道主干线天水至定西高速公路TD12合同段属于第SJ3设计合同段的第四段即陇西县云田乡土山下至陇西段（K256+000~K259+606.799、LK1+000~LK4+100）路线全长6.706799km。位于陇西县境内地处黄土高原。

路线主要位于渭河支流韩河河谷区。在河谷及阶地上主要发育有第四纪冲积、洪积松散堆积物其中二级及以上阶地上部覆盖有第四系上更新统风积黄土下部为低液限粘土；山麓及

坡脚处有薄层的第四纪残破积、崩积层；黄土梁区为典型的风积黄土区。

根据地貌成因分类原则本合同段公路沿线主要地貌为黄土梁地貌位于韩河二级以上阶地地形起伏较大路线穿越时需要深挖高填。

陇西地区黄土厚度大分布广泛该土层具湿陷性且湿陷性大。拟建公路主要从渭河河谷区经过，其河床、河漫滩、低阶地无湿陷性黄土分布，黄土主要分布于河流的高地阶（二、三级阶地）和黄土梁卯区，高阶地和黄土梁卯区湿陷性基本相近，本区湿陷等级一般为Ⅳ级（很严重）自重湿陷性场地。

本合同段工程地质分区首先根据大的地貌单元划分，再结合各微地貌、岩土体特性进行工程地质亚区划分，可划分为三个大的工程地质区和四个工程地质亚区，即：

1）河谷区（Ⅱ区）

本工程地质区按其微地貌、时代成因可分为四个工程地质亚区：河床、河漫滩亚区冲洪积物亚区（Ⅱ1）、一级阶地冲洪积物亚区（Ⅱ3）、二级阶地湿陷性黄土亚区（Ⅱ5）、三级阶地湿陷性黄土亚区（Ⅱ6）。

3）黄土梁卯工程地质区（Ⅲ区）

表3 本合同段湿陷性黄土路段分布表

序号 1 三级阶地湿陷性黄土亚区（Ⅱ6） 2 二级阶地湿陷性黄土亚区（Ⅱ5） 3 三级阶地湿陷性黄土亚区（Ⅱ6） 4 二级阶地湿陷性黄土亚区（Ⅱ5） 5 三级阶地湿陷性黄土亚区（Ⅱ6） 6 二级阶地湿陷性黄土亚区（Ⅱ5） K258+733~ K258+794 61 15 K258+337~ K258+733 396 15~22 K258+237~ K258+337 100 15 K258+125~ K258+237 112 15~22 K257+756~ K258+125 369 15 K256+000~ K257+756 1756 15~22 工程地质亚区 起讫桩号 长度（m） 深度（m） 备注 7 三级阶地湿陷性黄土亚区（Ⅱ6） K258+794~ K259+280 486 15~22 8 黄土梁卯区 K259+280~ K259+606.799 327 9 二级阶地湿陷性黄土亚区（Ⅱ5） 主线~ LK0+837 837 15~22 互通区 10 三级阶地湿陷性黄土亚区（Ⅱ6） LK0+837~ LK1+400 563 >20 11 黄土梁卯区 LK1+400~ LK3+519 2119 >20

拟建公路主要从渭河河谷区经过，其河床、河漫滩、低阶地无湿陷性黄土分布，黄土主要分布于河流的高地阶（二、三级阶地）和黄土梁卯区，高阶地和黄土梁卯区湿陷性基本相近，本区湿陷等级一般为Ⅳ级（很严重）自重湿陷性场地。高阶地和黄土梁卯区黄土冲沟中，由于湿陷性黄土被冲蚀，厚度较小，甚至缺少。

由于本区的黄土湿陷大，在在黄土梁区及高阶地区局部地段形成了黄土陷穴，黄土陷穴分布无明显规律性，一般零星点性分布，部分段落以串珠状分布。在施工过程中需要仔细勘察，填埋夯实。

本合同段存在约10.8km湿陷性黄土路段，对于填方路段，通过强夯等措施进行处理，路基两侧作表层加固防渗措施；对于浅挖方路段，工程开挖后，湿陷性土层基本被开除，路基以下湿陷性对公路建设影响较小，通过冲击碾压等措施进行处理，路基两侧作表层加固防渗措施。

本合同段设计有两处挡土墙。第一段位于陇西东枢纽立交K256+889.5~K256+914，为路肩式挡土墙，位于山洪沟沟岸台地，横坡较陡，地基土由新黄土组成，据路线段挖井取样分析，三级阶地大部分段均为Ⅳ级（很严重）自重湿陷性场地，对地基采用强夯处理，以满足地基承载力需要。第二段位于连接线LK1+385~LK1+645段，为路堑式挡土墙，位于黄土梁卯区，地基土由新黄土组成，黄土具有自重湿陷性，对地基采用强夯处理，以满足地基承载力需要。

本合同段深挖路堑主要位于陇西东枢纽立交区及连接线隧道入口处，路堑表层均为新黄土（Q32eol），具有湿陷性。工程地质条件和水文地质条件简单，无断裂及构造运动迹象，地

层比较平缓，勘察区区域稳定性较好。根据勘察情况及参考现有山坡的情况，边沟外侧设2米宽的落碎台，第一级、第二级边坡坡率采用1：0.75，第三级、第四级边坡坡率采用1：1，第五级、第六级边坡坡率采用1：1.25，第七级边坡坡率采用1：1.5一坡到顶，每级之间设置两米宽平台，并设置0.4×0.4排水沟。第一级、第二级采用浆砌片石拱形骨架防护。以上各级边坡平台采用浆砌片石加固，坡面植草。

三、选题理由

（1）本段路基多为Ⅳ级（很严重）自重湿陷性黄土

黄土是一种特殊的黏性土，其粉土颗粒含量高，多孔隙且具有大孔隙，天然含水量小，呈黄红色，富含碳酸钙，易溶盐。目前根据黄土沉积地质年代的不同，将黄土分为新黄土、老黄土和红色黄土3类。老黄土不分成因一般不具有湿陷性。新黄土可能具有湿陷性但不是所有的新黄土都具有湿陷性新黄土根据成因不同一般分为3类，公路工程建设时即采用这个分类。见表1。

表1 黄土工程分类

地层划分 新黄土 马兰黄土 地层符号 Q4 地质年代 近代 新第四纪 按成因划分三类 1、 风积 2、 冲积或洪积 3、 坡积 离石黄土上部 老黄土 离石黄土下部 红色黄土 午城黄土 Q2 Q2 Q1 老第四纪 12 中第四纪 1、黄土的颗粒与构造

黄土的颗粒组成以粉粒为主其含量达55%以上黄土中的粉粒和集粒共同构成了支承黄土结构的骨架。由于粉粒和集粒排列比较疏松接触连接点较少骨架内部构成了一定数量的架空孔隙因此黄土具有多孔隙性。

黄土的孔隙按照大小可分为3类。即大孔隙（基本上肉眼可见直径约为0.5mm~1.0mm的孔道）、细孔隙和毛细孔隙。这种孔隙形成了黄土的高孔隙度故又称黄土为“ 大孔土”。黄土的孔隙率变化在35%～60%之间有沿深度渐小的趋势在地理分布上黄土的孔隙率变化则有着自东向西、自南向北渐增的规律。

表2 黄土的主要特性试验数据表

天然含水量% 13.4 3~24 干密度（g/cm） 1.45 1.1~1.7 3孔隙率液限/% /% 47 38~55 27.6 23~38 16.4 12~22 11.2 8~15 塑限/% 塑指/% 颗粒组成% >0.05mm 0.05~0.005 <0.005mm 19.4 8~28 63.9 45~90 16.7 2~29 注：上为平均值下为极值。

2、黄土的水理特性

2.1渗水性

由于黄土具有大孔隙及垂直节理等特殊构造,其垂直方向水的渗透性较水平方向为大。在施工中黄土经压实后大孔隙构造被严重破坏其透水性也将会大大降低。 2.2收缩和膨胀

黄土遇水会迅速膨胀水分干燥蒸发后又会慢慢收缩。水平方向的收缩量比垂直方向的收缩量大一般约大50%~100% 。 2.3崩解性

黄土具有崩解性各类黄土的崩解性相差很大新黄土浸入水中后很快就会全部崩解老黄土则要经过一段时间才能全部崩解。红色黄土浸水后基本不会崩解。 2.4湿陷性

黄土浸水后在外荷载或土的自重或二者的共同作用下强度会迅速降低而发生的下沉现象称为湿陷。湿陷性黄土的名称即由此而来。湿陷性黄土又分为自重性湿陷与非自重性湿陷两大类。自重性湿陷是指土层浸水后仅仅由于土的自重发生的沉陷；非自重性湿陷是指土层浸水后由于自重及附加压力的共同作用而发生的湿陷。

在湿陷性黄土的分布地区由于降雨或农田灌溉在路侧形成许多积水长时间不做处理或长时间蒸发不掉积水会持续下渗使湿陷性土层在自重或外界荷载作用下发生湿陷形成圆形或椭圆形的“碟盘形”湿陷坑。一般湿陷坑直径为15m~30m最大可达60m；湿陷中心深度一般为30cm~60cm最深可达110cm 。显而易见湿陷性黄土地区的湿陷坑对其范围内的路基、路面、桥涵、挡土墙等构造物的变形破坏影响非常大。

3、湿陷性黄土的判别

3.1黄土的湿陷性用湿陷系数δs 判定时，按下列规定湿陷性的判定需做土样的压缩试

验：一台土壤渗压仪、取原状土（原状土须分清上下面，严禁弄反）、土样直径不小于10cm（不得在土样上面用刀切刮），在施加一定荷载后测定它的沉陷量，再加水至饱和，再测定加水饱和后的沉陷量，得出湿陷系数：

当时δs<0.015时，应定为非湿陷性黄土； 当δs≥0.015时，应定为湿陷性黄土。

3.2湿陷性用自重湿陷量Δzs 判定时，按下列规定填筑路基工程时，土的湿陷类型也可按实测自重湿陷量或室内计算自重湿陷量Δzs判定，界限值以7cm为准。按下列规定：

Δzs=β∑δsihi

当Δzs≤7cm时，应属非自重湿陷性地段；当Δzs>7时，应属自重湿陷性地段。

4、湿陷性黄土的分类

湿陷性黄土自路基基础底面算起，地基在一定压力和充分浸水条件下，浸水饱和至下沉稳定为止的湿陷变形量为总湿陷量Δs：

Δs=∑βδsihi

湿陷性黄土的分类应该根据基底下各土层累计的总湿陷量和计算自重湿陷量的大小等因素判定。一般把湿陷性黄土共分为4个等级，即轻微（Ⅰ级）、中等（Ⅱ）、严重（Ⅲ）、很严重（Ⅳ），具体分类情况为： 1、 对于非自重湿陷性地基的湿陷性判定

当Δs≤30cm时，为Ⅰ 级；当30cm<Δs≤60cm 时,为Ⅱ级。 2、对于自重湿陷性地基的湿陷性判定

（1）当 7 cm<Δzs≤35cm时，Δs≤30cm为Ⅱ级，30cm<Δs≤60cm为Ⅱ级或Ⅲ级，Δs>60cm时为Ⅲ级。

（2）当时Δzs>35cm，0<Δs≤60cm为Ⅲ级，Δs>60cm为Ⅳ级。

（2）湿陷性黄土路基的病害严重、复杂多样

1、路基沉陷

在一定压力作用下，湿陷性黄土路基受水浸湿，黄土结构迅速破坏而发生显著附加下沉，从而导致路基的沉陷破坏。纵向沉陷、横向沉陷及边坡崩塌是路基沉陷的典型破坏形式。

路基沉陷的主要原因：黄土路基的沉陷主要由于黄土路基的压缩变形大，垂直节理发育，排水不畅等原因造成。

（1）对于高填路基，黄土基底本身的压缩变形大，强度不够，施工时又未充分预压，

或采取换填措施，一旦有水浸入，就导致路基的湿陷。

（2）由于黄土垂直节理比较发育，且植被少，土质疏松，只要有水的作用，就容易引起水土流失，造成路基沉陷。尤其大暴雨，极易使黄土层或路基形成沟穴、坑洞，甚至掏空路基，危及安全，这是导致路基沉陷的主要原因。

（4）黄土路基湿陷具有很大的隐蔽性，在路基底部，时隐时现，如果探源不仔细，很难发觉，危害大。

（5）由于线路的纵坡和弯道内侧的合成坡度较大，因此在陡坡变坡处和台阶型边坡的内缘均易发生湿陷。

2、路基陷穴

黄土陷穴分布具有一定的规律性。从地貌看，在黄土塬的边缘、河谷阶地的边缘、冲沟两岸及河床中都常有陷穴分布。这是由于阶地边缘、河谷两侧多为坡积的松散黄土，易被冲蚀，因而离阶地斜坡和沟谷斜坡越近，越容易形成陷穴。另外，阶地高差越大，沟谷越深，地表水通过阶地边缘和沟谷的斜坡地带时下渗愈厉害，因而陷穴也越深，有的深达20余米。从地层上看，疏松的新黄土层，尤其是现代上层湿陷性黄土地层，很容易形成陷穴。而早期的黄土地层，陷穴发育受到限制。

路基陷穴的主要原因：使黄土路基产生陷穴的主要原因，除了与土的结构和水的潜蚀有关外, 还与当地特殊的水文气候条件及微地貌地形特征有关。

（1）土的结构。黄土的自身特点；为陷穴产生提供了本质条件。①湿陷性黄土是一种土质松疏、主要成分为粉土颗粒组成的特殊土，其细微颗粒极易遭受潜蚀；②黄土中易溶盐含量丰富，对强度起作用的结构状碳酸钙，在含CO2的水或酸性环境中，受水溶蚀，破坏黄土的内部结构，使之变得松软，利于地下水渗透；③大孔隙和裂隙发育，为水的渗透提供了便利通道，加速了机械潜蚀。

（2）水的潜蚀。在地形起伏多变、地表径流容易汇集的地方及土质松散、垂直节理较多的新黄土中最易形成陷穴。黄土湿陷是产生陷穴的基本原因，水的潜蚀作用是产生陷穴的诱因。当渗透水流的水力梯度较大时，水流将黄土中的粘土粒和粉土粒带走，从而扩大了黄土的裂隙或大孔管道。渗透的水流断面扩大后，渗透流速加快，更加提高了水流的浸蚀和搬运作用。同时，在水的渗透过程中，黄土中含量较大的易溶盐被溶解并带走，使黄土固结强度下降，从而产生陷穴。

（3）特殊的水文气候条件。黄土地区特殊的水文气候条件，为陷穴的产生提供了有利条件。雨量少而集中，尤其在暴雨后，大量地表水迅速积聚，且有一定压力，水透过黄土而

形成陷穴。

（4）微地貌地形特征。微地貌地形特征，对陷穴产生有一定影响。一般陷穴多发生在一边靠山，一边临沟地段，有时也发生半填半挖或路堑与路堤接岔地段，以及桥涵台背填土地段。在地形起伏特别是缓坡突然转为陡坡地段，也常形成陷穴。

3、黄土路基边坡破坏

边坡主要破坏形式有：边坡表面冲刷、边坡坍滑、边坡失稳导致滑坡。

破坏的主要原因：当路堤顶面两侧之排水沟、边沟及坡面缺少必要的防护措施时，雨水沿坡面漫流，加剧了坡面冲刷，轻者坡面冲沟纵横，重则坡脚水土流失、边坡坍滑 ，乃至路基失稳破坏。

边坡产生破坏的原因，除了与水有关外，还与路基填筑质量不佳、压实度未达到设计标准有关、边坡设计不合理，边坡断面形式和坡度不能有效保证其稳定性有关。研究表明，湿陷性黄土压实干重度达到1615 kN/m ，可明显减少路基本身的沉陷。如果地基土软弱、强度不高，当路基填土高度大于临界值时，就可能造成路基整体的滑动破坏。

4、黄土高填路基破坏

在黄土的崾岘或冲沟之上，公路往往为高填路基，黄土桥和坝式路基是公路跨越沟谷的主要方式。对于湿陷性黄土高填路基，在水的作用下很容易引起破坏。如黄土桥的破坏、路堤的沉陷及路堤的崩塌破坏等。

破坏的主要原因：地面水的冲刷和地下水的侵蚀，是造成黄土路堤破坏的主要原因。 （1） 地面水的溶蚀和潜蚀。由于高路堤主要修筑在崾岘及冲沟上,通常也位于路线的凹形竖曲线上，所以，冲刷很容易导致高填路基的破坏。如雨水从两岸斜坡和路面两端流向堤面形成积水，这部分水主要通过路堤下渗和蒸发才能排除。雨水在排除过程中，溶解了沉积在土颗粒表面的易溶盐、中溶盐及胶结物，破坏了土颗粒间的联结薄膜，使土的抗剪强度显著下降；当渗流速度较大时出现潜蚀和洞穴，路堤沉降增加，裂缝扩大，甚至造成滑塌和破坏等。

（2） 洪水的破坏。黄土地区气候干燥，植被覆盖差，暴雨时地面径流量大，水土流失严重。高填路基位于崾岘和沟口处，沟内汇水面积大，暴雨时涵洞不能及时排洪，导致高填路基上游大量积水，浸泡路基边坡，冲蚀冲沟土层，造成湿陷成穴，特别是在路基填土与原状土的结合处常常会出现穿孔现象，并贯通整个坝体底部。由于洪水携带泥沙在表层沉积，暗穴进口不易发现，洪水多次浸蚀、冲刷, 暗穴内部逐渐扩大，导致路基整体沉陷而破坏。

（3） 地下水对路基的水平溶蚀、潜蚀以及冻融作用等, 也会造成路基破坏。

四、目标、目标实现办法及可行性分析

（1）总体目标

平均每天填方1000m3。

（2）实现目标的可行性分析

小组成员经过讨论，认为实现目标有以下有利条件： 1、 小组结构合理，技术全面，有多年QC活动的实践经验。 2、 公司领导和业主特别关注，有技术保障。

3、 施工进度的加快，对降低成本支出，提高职工的收入，是参建的员工共同的心愿；

是全公司上下关注的事情；设备、人力的投入，公司会给予很好的配合。

4、结合以往经验，并提高书籍、网络收集大量的第一手资料，对黄土特性有了深刻的认识。

五、实现目标的具体办法

项目概况：本合同段沿线部分地段的黄土存在Ⅱ~Ⅳ级湿陷性，湿陷性黄土段长3815.8

米。在填方路段，填土高度大于4米的路段，如果具有足够的工作面时，路基基底冲击碾压，没有足够的工作空间时，路基基底强夯处理；填土高度大于4米的路段，湿陷性等级小于等于Ⅱ级且具有足够的工作面时，路基基地冲击碾压处理，对湿陷性等级大于Ⅱ级的，路基基底强夯处理。

（一）强夯

湿陷性黄土的垂直大孔性、松散多孔结构和遇水即降低或消失的土颗粒间的加固凝聚力，是它发生湿陷的两个内部因素，而压力和水是外部条件。地基处理的目的是改善土的性质和结构，减小土的渗水性、压缩性，控制其湿陷性的发生。强夯法就是针对湿陷性黄土的特性，采用起重机将大吨位的夯锤提升到一定高度，使其自由下落，通过对地基施加很大的冲击能，使地基强度提高，土的压缩性降低，消除黄土的湿陷性，以达到地基加固的目的。重锤冲击致使土颗粒破碎或产生水间的相对移动，使微结构破坏，从而使孔隙中气体迅速排出或压缩，孔隙体积减小，从而形成较密实的土体结构。

1、施工准备

（1）环境调查：地基处理前，应查明强夯范围内地下的构造物和各种地下管线的位置及标高等，以免因施工而造成损坏。同时对路基范围内的洞穴、水井、废窑洞、墓穴及平整土

地中填埋的沟壕的调查，采取切实可行的措施消除可能产生的路基质量隐患。当强夯施工所产生的振动对邻近建筑物及建筑物内人员或设备可能产生有害的影响时，应设置监测点（当无测振条件时，可通过试验确定安全距离），采取挖减振沟等隔振或防振措施。

（2）清理表土：按照设计要求清理表层的草皮和腐殖土层（一般路段清表厚度不得小于30cm，腐殖土层较厚以及附着有非适用材料的路段应将其清除彻底），并挖除局部的淤泥、翻浆土层，有积水路段应排除积水并将土翻松晾干。

（3）修建临时排水设施：施工前组织工程技术人员排查和完善排水设施，施工时在强夯区四周设置临时排水沟，以便及时排除雨水，若地形起伏不平应进行必要的平整。 4.1.4编制施工组织设计

强夯前应编制强夯施工组织设计，内容应包括机具选择、人员组织以及强夯时起重机行走路线、强夯方法和施工总平面布置、计划进度等。

2、采集数据

强夯处理前，取不同深度处原状土的天然密度（干密度）、天然含水量、地基承载力、湿陷性系数，并做土的液塑限试验。根据试验数据判断：达到要求湿陷处理深度时，合理的夯击能所对应的最佳夯击数、夯沉量、干密度及承载力，并以最佳夯击数所对应的夯沉量、干密度及承载力作为施工控制指标。

（1）采用强夯法时，土的含水量至关重要。土的天然含水量宜低于塑限含水量1～3%或液限含水量的0.6倍。在拟夯实的土层内，当土的天然含水量低于10%时，应对其增湿至接近最佳含水量；当土的天然含水量大于塑限含水量3%以上时，应晾干降低其含水量。

（2）湿陷性黄土处于或略低于最佳含水量，孔隙内一般不出现自由水，每夯完一遍不必等孔隙水压力消散，可采取连续夯击，减少吊车移位，提高强夯施工效率，降低工程造价。

（3）消除黄土层湿陷性的有效深度，应根据试夯结果确定。在设计要求消除湿陷性的深度内，土的湿陷系数δs均应小于0.015。

（4）严格按要求进行逐点夯击，每击一次，观测一次高程并记录。用同样方法完成一个夯点的夯击，并观测此夯点的总沉降量和高程并记录。发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时，应及时将坑底整平。

3、确定技术参数及施工

对于路基高度大于4m的自重湿陷性黄土路段，强夯夯击能为3000kN·m，每点夯击数为18击，布点间距为5m，有效加固深度为6m，强夯夯击能应先轻后重，其参数必须在施工时通过试夯调整确定，主夯完毕后，采用夯击能1000kN·m的低锤满拍夯击3击，强夯

范围距民房、构造物较近的路段设置1米宽3米深的隔震沟。

4、施工安全要求

（1）强夯施工应有固定的作业班组，现场管理和施工应有专人统一指挥，并坚持班前会进行安全教育。

（2）施工前应在强夯区采取隔离措施，严禁非操作人员进入施工现场。 （3）起重机操作室挡风玻璃前，应设防护网遮挡。

（4）确保强夯设备使用中安全可靠，防止起重机吊臂在强夯时突然释重而产生后倾，当起吊过重时，宜在起重机上附加门架或支撑架，避免前倾。

（5）夯锤起吊后严禁操作人员从夯锤下方通过。

（6）强夯一段时间后（一般在1000次夯击左右），起重机应进行保养，要检查机械设备、动力线路、钢丝绳磨损等情况，重点检查调整回转台平衡钩轮与导轨的间隙，避免加大平衡钩轮的冲击负荷。

（二）冲击碾压

冲击碾压是采用冲击式压实机（一种新型压实设备），配备压实轮，压实轮在牵引机拖动行驶滚动中产生集中的冲击能并辅以滚压、揉压的综合作用，使土石颗粒之间发生位移、变形和剪切，从而使土体深层随着冲击波的传播得到压实。压实轮在牵引机的拖动下连续作用于地面，使大面积地基得以压实。冲击碾压技术的突出特点是影响深，一般在3M，速度快，12-15KM/h，压实质量高。

1、压实机的标定和冲击力的计算

（1）冲击式压实机的标定：

25KJ冲击式压实机是以压实轮与内组件的质量M，压实轮向量半径差h所产生的势能E来标定的。

E=Mgh

M--—动力部件的质量（Kg），M=12t g—重力加速度，取g=9.8m/s2

h—轮子外半径同内半径的差值h=R-r(m)=0.22m 其压实能力标定值E=12*9.8*0.22=25(KJ) （2）冲击力的计算

压实机在行走中压实轮对地面的冲击力与压实轮转动的线速度有关，牵引车的牵引速度

一般在12-15Km/h，计算出冲击的速度为3.33m/S，取作用路程为0.0333m，则冲击作用的时间t=0.01S，按动量与冲量的原理计算冲击力N：

N=M（V0ˊ- V-0）/t V0ˊ—冲击初速度（m/s）；

V0—冲击末速度（m/s），此处为0； T—冲击作用时间（s）。 N≈400T

实际上V和t是变量,N一般在250T~400T之间,以这样大的低频高幅冲击能力作用于土体,使土体得到极大限度的压实。

2、冲击碾压设备的选择

A、主要设备：采用25KJ冲击式压实机，配备三边形压实轮。 B、辅助设备：平地机、洒水车、光轮压路机。

3、施工参数的确定

冲击碾压试验

冲击碾压法采用的是一种新型压实设备，目前还没有一套成熟的理论和设计计算方法，用冲击碾压法处理湿陷性黄土地基，一定要根据现场的地质条件和工程的使用要求，正确选用各个施工参数，才能达到有效而经济的目的。本工程取LK1+000~LS1+140段为试验区。

通常湿陷性黄土地基较多地采取强夯法处理，这次本标段路基的湿陷性黄土地基采用25KJ冲击压实机在地表面冲碾20遍处理。冲击式压路机为高振幅低频率，对深层产生较强的冲击能量，随着土石密实度增加，其影响深度也逐渐增加。冲击压实以实测沉降量的变化为主，同时进行灌砂法密实度检测，确定合理的碾压遍数。

为了总结施工经验，收集基础数据，指导大面积非自重湿陷性黄土地区路基的施工，试验段共布设10个测试横断面（10米一个测试断面），每断面三个测点（左、中、右）。分0~10遍、11~15遍、16~20遍、21~25遍进行测试。冲击碾压20遍、25遍后，分别用水准仪检测沉降量法、环刀法、灌砂法、表面波、贝克曼梁、承载板（CBR）、动态圆锥贯入仪（DCP）和落锤式弯沉仪（FWD）等检测手段对该段路基基底进行了地基下沉量、干密度，湿陷系数、弹性模量等指标的检测。

4、湿陷性黄土路基基底的处理

通常湿陷性黄土地基较多地采取强夯法处理，这次本标段路基的湿陷性黄土地基采用25KJ冲击压实机在地表面冲碾20遍处理。冲击碾压20遍、25遍后，分别用水准仪-标尺检

测沉降量法、环刀法、灌砂法、表面波、贝克曼梁、承载板（CBR）、动态圆锥贯入仪（DCP）和落锤式弯沉仪（FWD）等检测手段对该段路基基底进行了地基下沉量、干密度，湿陷系数、弹性模量等指标的检测，结果表明冲碾20遍后在地表下110cm内土基平均压实度达到Kh=91%,即黄土的干密度由原来的pd=1.35g/cm3提高到1.70g/cm3，其湿陷系数由0.0438降为0.0022，消除了湿陷性，地表下土基1m内平均弹性模量E达到80MPa以上，在路基基底而下2m内经冲击压实，形成连续、均匀、密实的加固硬层，其技术指标已完全符合黄土地基加固的质量要求。由此可得：采用冲击碾压法进行湿陷性黄土地基处理是切实可行的，能高深度压实原地基。

5、冲击碾压的施工

（1）施工工序：

场地放样→场地清理→场地周边防护→碾压前密实度、高程测量、记录→洒水车洒水、平地机刮平、压路机静压（场地长度不小于100米）→冲击碾压3遍（时速＞12km/h）→平地机刮平，洒水均匀，压路机静压→冲击碾压5-8遍（时速＞12km/h）→平地机刮平，压路机静压→冲击碾压累计至20遍→平地机刮平、压路机静压处理→20cm、70cm、90cm、120cm深度密实度检测及高程测量→符合设计值进入下道工序（低于设计值增加冲击遍数）

（2）施工注意事项：

A、该段路基属填方地段，地势平缓，冲击碾压施工前要做好清表，范围要依据边线放样进行。

B、冲击碾压前，记录好清表前地面高程，水准点，中桩位置原始资料，以便以后用前后数据进行对比以确定冲击压实后的沉降量。

C、为防止振动及土体侧向变形对构筑物的挤压破坏，冲击压实时冲压机距涵洞边缘保持2米的净距，与明涵台保持5米的净距，本路段两侧30米内均有民房数处，所以在施工段两侧挖深1米，宽30CM的防震沟。

D、冲击碾压若干遍后，地面成波浪状，严重时会产生跳车现象，继而影响车速和冲击效果，应及时进行整平处理，并视土质含水量和扬尘状态适时洒水。

E、按要求碾压20遍后，考虑到地面下有15CM的扰动层，因此适时进行整平、静压处理。

F、施工中平地机、洒水车要配合到位，一次性处理长度要尽可能大，确保机车行驶速度，从而保证处理深度。

六、效果

（1）强夯试验及其结果分析

强夯法依靠夯击时产生的巨大冲击能量，使土体产生强烈的震动相应力，从而导致路基土体产生物理力学性质的变化，如土中孔隙压缩、土体局部液化、夯击点周围产生裂隙、土体渗透性能发生变化、孔隙水逸出而致使土体迅速固结等 ，以达到减少沉降提高承载能力的目的。这种处理方法适合于处理各类饱和土和非饱和土。强夯法加固路基土的作用一般可以概括为 4 个方面：土体压实挤密、局部液化、固结和土体触变的恢复。对于不同的地基土，强夯的作用不同。对于非饱和的黄土类土，强夯时压实挤密作用表现得更为显著。由于巨大的冲击能，使地基土中出现冲击波和很大的动应力，在提高土体的强度和降低压缩性的同时，消除黄土的湿陷性。

1、土质条件

根据对 12标强夯试验区试验前取样试验的物理指标进行统计，该段黄土厚度4.5～6.8 m ，压缩系数为 0.2～0.4 MPa – 1，为中等压缩性黄土；天然含水量为 7%左右，饱和度在 15 %左右，黄土处于硬塑状态；其孔隙比在 0.85 左右；黄土干密度较大，为 1.10～1.50 g/cm ；湿陷系数δs= 0.032，自重湿陷系数δ

zs=0.001 7，湿陷起始压力

p sh =97.8 kPa，湿陷量△s

=84.6 mm，湿陷程度很严重，湿陷等级 Ⅳ级。

2、试验设计

试验设备选用“神钢 7055”型号起重机，夯锤重10.36 t。为了确定合适的强夯参数，选择夯击能 E为 600、800、1 000、1 200、1 400、1 600 和 2 000kN ·m，每种夯击能单点夯击次数n为6击、8击和10 击。

强夯的试验要求为：首先进行点夯 2 遍，夯点位置按正方形布置，夯点间距 4 m ×4 m。单点夯击时，第一遍夯击点间距 8 m，第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间。点夯的夯击次数用最后两击的夯沉[15]量 △s≤5 cm 作为控制标准 。

3、 结果分析

单击夯击能和夯击次数是强夯设计中的主要参数。根据夯击能可以确定地基处理的深度，而夯击次数又可决定夯后地基的处理效果。一般地，夯击次数可通过现场试夯确定，常以夯坑的压缩量最大、夯坑周围隆起量最小为确定的原则，可从现场试夯得到的夯击次数 n和夯沉量关系曲线确定。图 1 给出了不同夯击能下的夯点前后两次夯击与夯点夯沉量 之间的关系。可见,随着夯击次数的增加，前后两次夯击的地基下沉量差逐渐减小，在 E = 2 000、

1600、1 200、1 000、800 和600 kN ·m 夯击能下7 —8 次夯击后，最后两击的夯沉量基本已小于5 cm，所以可以确定最小的单点夯击数为 8 击。由于夯沉量与具体的地层条件有关所以不同夯击能量的夯沉曲线有所不同有的具有波动现象。

图1 不同夯击能下前后两击沉量分布曲线

按单点击数为8击和10击强夯试验2周后取夯点间土进行物理力学试验。文中仅给出了黄土湿陷性、压缩性和孔隙比的变化规律。图2 （a）、b分别为不同夯击能 E = 800 kN·m、1 200 kN·m、1 600 kN·m下不同夯击次数的黄土湿陷系数随深度变化曲线。由图2 （a）、（b）可见，湿陷系数随着深度有所波动，这与试验误差有关，但总体上较处理前有较大的改善。图2（a）中，单点击数为8击时，E=800 kN·m时的有效影响深度大致为 4.0 m，E= 1 200 kN·m的有效影响深度也大致为4～4.5 m，E=1 600 kN·m时的有效影响深度可大于6.0 m；而由图 2（b）分析可知，单点击数为 10 击时对应夯击能下，有效影响深度有所加深， E = 800kN·m、1 200 kN·m、1 600 kN·m下的有效影响深度分别为4.5 m、5.0 m、6. 0 m，有效影响深度内的湿陷性系数有所降低。

图 2 不同夯击能作用下黄土湿陷系数随深度的变化

图 3 不同夯击能作用下黄土压缩模量随深度的变化

图 3（a）、（b）为不同夯击能夯击次数分别为8和10 击时的压缩模量的变化规律，与夯前的压缩量比较有了明显的增加，说明强夯对黄土的压缩的影响明显。从图中也可以大致确定出不同夯击和夯击次数下的影响深度。由图3 （a）可大致确E=800 kN·m、1 200 kN·m、1 600 kN·m下有效影响深度分别为4.5～5.0 m、5.0 m、6.0 m；从图3（b）中也可大致确定 E=800 kN·m、1 200N·m、1 600 kN·m，夯击10次时的有效影响深分别为4.0 m、5.8 m、6.0 m。与按湿陷性变化的况确定的有效影响深度相比大致相当。

综合看来，夯击 8 次时，夯击能E = 800 kN·、1 200 kN·m、1 600 kN·m 下的影响深度可以定为 4.0 m、4.0～5.0 m、6.0 m。

（2） 冲击碾压处理效果分析

冲击碾压试验段位于 LK1+000~LS1+140段进行。该段黄土厚度 3. 3～12. 0m，土的压缩系数为 0. 29～0. 42 MPa -1，天然含水量为4%～13%，饱和度为10%～20 %，孔隙比为0.9～

1.1 ，干密度为 1.10～1.40 g/cm 3。黄土的湿陷系数为 0. 020～0. 07 ，平均湿陷系数δs= 0. 041，湿陷量为 233. 4 mm ，湿陷程度很严重 ，湿陷等级Ⅳ级；自重湿陷系数均为 0.015～0.05，平均自重湿陷系数δzs =0.024，起始湿陷压力为 55～110 kPa。可见，黄土的湿陷明显，必须通过路基处理消除其湿陷性，以达到路基设计要求。

冲击碾压法具有压实和击实两种功效。冲击压实机由牵引车拖动，靠凸轮瓣对土进行冲击压实，碾压后土的密度超出了常规压路机的压实效果。试验效果可以用压实系数的要求确定，一般控制在 20～40 次为宜。试验过程采用25 kJ 三边形冲击式压路机，以 12 km/ h 冲碾速度碾压；按 10、20、30、40、50、60 遍进行冲击碾压；每 10 遍在直线段测点处测定不同遍数的下沉量、压实度;获得冲击遍数 m 与沉降 S 及压实度 D r 的变化规律，以确定路基处理的标准。

图4 冲击碾压遍数与下沉量及压实度的关系曲线

图4为施工完成后测得不同冲击碾压遍数 m与地面下沉量 S 和压实度 D r 的变化曲线。可见，冲击碾压在 0～20 遍时冲碾造成的路基沉降增长较快，30 遍以后变化缓慢；60 遍后的下沉量为 0.12m。从路基压实度变化来看，冲碾 0～10 遍变化最大，10～30 遍压实度增加缓慢，压实度于 40 遍最大，40 遍以后压实度变化不明显。

由图5（a）冲击碾压前后的动力触探曲线对比可知，深度 0.6 m 内的触探击数 N 有所增加。冲击碾压对土层的湿陷性有影响的深度大致为 2. 5 m ，而具有显著影响的深度应在 1.0 m 左右（图5（b））。由处理前后的孔隙比比较可知，黄土的孔隙比 e在深度3.0 m左右范围内明显减小（图5（c））。图5（d）则是黄土压缩系数a与深度的关系，比较处理前后的压缩系数变化规律可知，黄土的压缩性在深度2.8 m左右范围内有显著减小。

（a）触探击数随深度的变化 （b）湿陷系数随深度的变化

（c）孔隙比随深度的变化 （d）压缩系数随深度的变化

图 5 黄土处理前后物理力学性质的对比

可见采用现有的施工机械和施工条件，冲击碾压40 遍为最佳冲击遍数，冲击 40 遍的路基平均下沉量为 0.096 m，路基表层压实度大于 97 %。从黄土湿陷性系数随深度变化来看，深度 1.0 m 处的湿陷系数已小于 0.015 ,说明经冲击碾压处理，在深度1.0 m 范围内的湿陷性已被消除，而在此深度范围内的土的孔隙比和压缩系数以及原位动力触探击数有了明显的改善 ,因此可以确定冲击碾压的有效影响深度为 1.0 m 左右。

七、 结束语

湿陷性黄土地区科学的施工方法、防治措施的研究和运用，是确保公路工程施工质量的前提。只有不断地提高建设单位、施工单位对湿陷性黄土危害的认识，从设计方案、施工方案中不断地完善相应的对策，才能提高工程质量，减少病害的发生。

3 湿陷性黄土路基的病害类型

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