冲击碾压加固吹填粉细砂地基机理及应用

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2010.04.022 第32卷第4期 北京科技大学学报 Vol32 No 4 2010年4月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing APr 2010 冲击碾压加固吹填粉细砂地基机理及应用 李廷刚 北京科技大学土木与环境工程学院.北京100083 摘要从砂土液化的角度研究冲击碾压技术加固粉细砂地基的实质，揭示了冲击碾压技术加固此类粉细砂地基的作用机 理.通过对首钢曹妃甸吹填粉细砂地基处理中采用冲击碾压技术的工业实验资料和效果进行分析研究，证明使用冲击碾压技 术加固粉细砂地基是可行的. 关键词地基：加固；碾压：砂土液化 分类号TU4723 M echanism and application of mpact com paction in foundaton stab ilizaton of hydraulic recla med silty fne sand ground LITng-gang Schpol ofCivil and Enviromental Engneerng University of Science and Technology Be ijng Beijing 100083 China ABSTRACT Based on he theory of sandy soil lquefactian the working prncple of ipact con paction on silty fne sand ground was analyzed and the mechanics was put prward An industrial trial was carried out on silty fie sand ground in Caofedian District of Shougang Group and the resu lts and effects nd icate that it is abolutely feasble p use this echnopgy n his kind of sitation KEY WORDS soil foundation sabilization comnpaction soil liquefactian 水力吹填法是近年来在我国填海造地工程中较 在高速滚动过程中产生的巨大作用能量来实现对土 为常用的一种方法，该方法是在海上吹沙船上安装 体的压实？.冲击碾压技术在我国应用己经有十几 高压泵，将吸沙管插入海底，通过高压泵吸取海底泥 年的历史，但主要应用于公路、机场及水利项目建 沙和水的混合物后经过排沙管吹入围堰，待水排出 设，针对于吹填粉细砂地基的加固处理尚无成熟 后形成陆地的一种施工方法川.水力吹填的介质可 理论，此次对首钢曹妃甸工程中冲击碾压技术加固 以是淤泥也可以是（粉）细砂或是二者的混合物，无 吹填海砂地基效果进行系统性的研究在国内尚属首 论何种吹填介质，由于吹填工艺的特点，其吹填的地 次，因此具有一定的理论意义和实用价值. 基地下水位会比较高，一般距地表不超过3四吹填 1冲击碾压加固吹填粉细砂地基作用机理 介质在长时间内处于饱和松散状态，承载力低，易发 生震动液化：随着时间的发展.地基中的水不断排 分析 出，地基逐渐密实，地表将发生较大沉降：同时在水 1.1冲击碾压作用原理 力吹填过程中，介质中的轻重颗粒分离，地基易发生 对于土石填筑体的冲击碾压，主要采用三边轮 差异沉降.因此除非吹填地基放置足够长的时间， 冲击压实机，施工中牵引机拖动三边形压实轮高速 否则必须采用人工方法对地基进行加固处理后方可 滚动，压实轮轮廓曲线从最小半径处起步，随后接触 作为建筑地基， 点半径逐步增大，对地表产生揉压；当其滚动接近最 水力吹填地基的加固方法很多.本文针对吹填 大半径处时，出现一瞬间支持力等于重力的碾压过 粉细砂地基的加固处理，介绍了一种新型的加固技 程，当压实轮继续滚动至下一轮瓣轮廓曲线最小半 术一冲击碾压技术，该技术是利用非圆形压实轮 径处时冲击地表土体，从而产生巨大冲击作用.其冲 收稿日期：2009-06-12 作者简介：李廷刚(1978-.男，博士研究生，E.mail litnggng@gnai]con

第 32卷 第 4期 2010年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.4 Apr.2010 冲击碾压加固吹填粉细砂地基机理及应用 李廷刚 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 摘 要 从砂土液化的角度研究冲击碾压技术加固粉细砂地基的实质, 揭示了冲击碾压技术加固此类粉细砂地基的作用机 理.通过对首钢曹妃甸吹填粉细砂地基处理中采用冲击碾压技术的工业实验资料和效果进行分析研究, 证明使用冲击碾压技 术加固粉细砂地基是可行的. 关键词 地基;加固;碾压;砂土液化 分类号 TU472.3 Mechanism andapplicationofimpactcompactioninfoundationstabilizationof hydraulicreclaimedsiltyfinesandground LITing-gang SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China ABSTRACT Basedonthetheoryofsandysoilliquefaction, theworkingprincipleofimpactcompactiononsiltyfinesandgroundwas analyzedandthemechanicswasputforward.AnindustrialtrialwascarriedoutonsiltyfinesandgroundinCaofeidianDistrictof ShougangGroup, andtheresultsandeffectsindicatethatitisabsolutelyfeasibletousethistechnologyinthiskindofsituation. KEYWORDS soilfoundation;stabilization;compaction;soilliquefaction 收稿日期:2009--06--12 作者简介:李廷刚 ( 1978— ), 男, 博士研究生, E-mail:litinggang@gmail.com 水力吹填法是近年来在我国填海造地工程中较 为常用的一种方法, 该方法是在海上吹沙船上安装 高压泵, 将吸沙管插入海底, 通过高压泵吸取海底泥 沙和水的混合物后经过排沙管吹入围堰, 待水排出 后形成陆地的一种施工方法 [ 1] .水力吹填的介质可 以是淤泥也可以是 (粉 )细砂或是二者的混合物, 无 论何种吹填介质, 由于吹填工艺的特点, 其吹填的地 基地下水位会比较高, 一般距地表不超过 3 m, 吹填 介质在长时间内处于饱和松散状态, 承载力低, 易发 生震动液化 ;随着时间的发展, 地基中的水不断排 出, 地基逐渐密实, 地表将发生较大沉降;同时在水 力吹填过程中, 介质中的轻重颗粒分离, 地基易发生 差异沉降.因此除非吹填地基放置足够长的时间, 否则必须采用人工方法对地基进行加固处理后方可 作为建筑地基 [ 2] . 水力吹填地基的加固方法很多 .本文针对吹填 粉细砂地基的加固处理, 介绍了一种新型的加固技 术 ———冲击碾压技术, 该技术是利用非圆形压实轮 在高速滚动过程中产生的巨大作用能量来实现对土 体的压实 [ 3] .冲击碾压技术在我国应用已经有十几 年的历史, 但主要应用于公路 、机场及水利项目建 设 [ 4] , 针对于吹填粉细砂地基的加固处理尚无成熟 理论, 此次对首钢曹妃甸工程中冲击碾压技术加固 吹填海砂地基效果进行系统性的研究在国内尚属首 次, 因此具有一定的理论意义和实用价值. 1 冲击碾压加固吹填粉细砂地基作用机理 分析 1.1 冲击碾压作用原理 对于土石填筑体的冲击碾压, 主要采用三边轮 冲击压实机, 施工中牵引机拖动三边形压实轮高速 滚动, 压实轮轮廓曲线从最小半径处起步, 随后接触 点半径逐步增大, 对地表产生揉压 ;当其滚动接近最 大半径处时, 出现一瞬间支持力等于重力的碾压过 程, 当压实轮继续滚动至下一轮瓣轮廓曲线最小半 径处时冲击地表土体, 从而产生巨大冲击作用, 其冲 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.04.022

第4期 李廷刚：冲击碾压加固吹填粉细砂地基机理及应用 537 击力相当于因压实轮自重对地表产生静压力的20~ 开始冲压时以震动液化机理为主，由于地表以 30倍，巨大冲击力引起周边土体介质产生振动响 下一定深度范围内的粉细砂处于饱和状态，当冲击 应.在这种“揉压一碾压一冲击”的综合作用下土石 式压实机运行至某一工作面时，冲击式压实机的巨 颗粒重新组合，强迫排出土石颗粒之间的空气和水， 大冲击力瞬间作用在填料介质上，产生类似地震波 进而克服土石颗粒之间的吸附力、黏聚力，使土石填 的冲击振动波.该波以面波和体波两种形式传播： 料得到压实5.对于常规振动压路机，理论上压实 前者引起粉细沙地基表面介质的扰动；而在此类饱 功与压路机动力参数有如下的关系式”： 和散体介质中，体波又以三种形式出现，即固体体波 E=aPt h/v (1) P波、流体体波波和剪切波S波.其波速可以分 式中，E为压实功，JP为压路机压实轮的线荷载， 别用下式表示： Nm':A为压路机压实轮工作振幅。四ω为压路机 = 入+2G 压实轮工作频率，H?为压路机作业速度，ms'; Nes(1-n a为系数，单位分别为和四 K X= 从式(1)看出，振动压路机的压实功与压实轮 NIDr 对地的线荷载、工作振幅及工作频率成正比，而与工 G = NP(1-) (2) 作速度成反比，因此可以通过增加压实轮质量来增 大线荷载，或增加振幅、频率或降低作业速度来获得 式中，、和分别为固体体波、流体体波和剪切 较大的压实功.然而，无论是通过增加压实轮质量 波的波速，ms;λ、C为固体颗粒的Lme常数；P、 还是增加压实轮频率都对压路机本身的性能提出了 P分别为固体颗粒密度和流体密度，k8m;K为 更高的要求，而目前振动压路机的作业速度也只有 孔隙流体的体积模量；为孔隙率 2~5m5',如果再降低其作业速度，则生产效率 从上式可以看出，压缩波波速大于剪切波波速， 将受到极大影响.在土壤压实中，与振动频率相比， 且固体压缩波波速大于流体压缩波波速，从而使固 振幅变化对压实效果的影响远比频率变化带来的影 体骨架先于流体受力和获得能量，即粉细砂颗粒优 响要大.由于振幅的增大使被压实材料颗粒运动的 先获得能量，而粉细砂颗粒表面存在结合水，结合水 位移增加，振动的冲击波在土壤中的传播距离增加， 便受到散体骨架的挤压而不能迅速排出，从而使孔 压实的效果就越好.压实轮轮瓣在下落过程中受 隙水压力增加.随后由于剪切波的到达又使散体颗 到牵引机及压实组件中蓄能器的作用而以大于重力 粒受到周期性、大小和方向都不断变化的剪应力的 加速度的加速度迅速下落，产生较其自重大数十倍 作用，这种作用的结果将使粉细砂颗粒彼此间的黏 的冲击力.冲击碾压的作用原理可用图1表示. 聚力降低，当这种剪应力超过一定数值时，就会破坏 颗粒之间原来的连接强度和结构状态，使颗粒之间 前进方向 脱离接触.此时原先由颗粒通过它的接触点所传递 的压力（有效压力）就要传给孔隙水来承担，引起孔 隙水压力的骤然增加. 孔隙水在上述压缩波和剪切波的共同作用下水 压增加，造成孔隙水密度增大，根据浮力的计算 图1冲击碾压作用原理示意图 Fg 1 Workng prnepe of mpact ompacton 公式： F-P:8 (3) 1.2冲击碾压加固吹填粉细砂作用机理 式中，F为固体颗粒所受到的浮力，y为重力加速 根据土壤性质以及作业方式的不同，冲击式压 度，ms2;为固体颗粒排出的流体体积， 实机对土壤的压实作用机理也有所不同：对于地下 粉细砂颗粒所受到的浮力因为孔隙水密度的增 水位较高的粉细砂地基，地下水位以下的粉细砂材 大而增大，当增大到一定程度时，粉细砂颗粒所受浮 料处于饱和状态，成为一种饱和散体介质：对于饱和 力等于其自身所受重力，粉细砂颗粒处于悬浮状态， 散体介质，其固相与液相相互渗透，且固相与液相都 即出现液化.当冲击压实机驶离上述工作区域后， 是连续的，冲击碾压加固此类饱和散体介质的作用 由于粉细砂地基中存在的排水通道，孔隙水得以向 机理可归纳为震动液化和动力加密两种机理的共同 周边消散，孔隙水压力逐渐减小，粉细砂颗粒在自身 作用10， 重力以及上覆土层压力的作用下，重新排列调整趋

第 4期 李廷刚:冲击碾压加固吹填粉细砂地基机理及应用 击力相当于因压实轮自重对地表产生静压力的 20 ～ 30 倍, 巨大冲击力引起周边土体介质产生振动响 应 .在这种 “揉压—碾压 —冲击”的综合作用下土石 颗粒重新组合, 强迫排出土石颗粒之间的空气和水, 进而克服土石颗粒之间的吸附力、黏聚力, 使土石填 料得到压实 [ 5--6] .对于常规振动压路机, 理论上压实 功与压路机动力参数有如下的关系式 [ 7] : E=aP+bAω/v ( 1) 式中, E为压实功, J;P为压路机压实轮的线荷载, N·m -1;A为压路机压实轮工作振幅, m;ω为压路机 压实轮工作频率, Hz;v为压路机作业速度, m·s -1 ; a、b为系数, 单位分别为 m 2 和 m. 从式 ( 1)看出, 振动压路机的压实功与压实轮 对地的线荷载、工作振幅及工作频率成正比, 而与工 作速度成反比, 因此可以通过增加压实轮质量来增 大线荷载, 或增加振幅 、频率或降低作业速度来获得 较大的压实功.然而, 无论是通过增加压实轮质量 还是增加压实轮频率都对压路机本身的性能提出了 更高的要求, 而目前振动压路机的作业速度也只有 2 ～ 5 km·h -1 , 如果再降低其作业速度, 则生产效率 将受到极大影响 .在土壤压实中, 与振动频率相比, 振幅变化对压实效果的影响远比频率变化带来的影 响要大 .由于振幅的增大使被压实材料颗粒运动的 位移增加, 振动的冲击波在土壤中的传播距离增加, 压实的效果就越好 [ 8] .压实轮轮瓣在下落过程中受 到牵引机及压实组件中蓄能器的作用而以大于重力 加速度的加速度迅速下落, 产生较其自重大数十倍 的冲击力 [ 9] .冲击碾压的作用原理可用图 1表示. 图 1 冲击碾压作用原理示意图 Fig.1 Workingprincipleofimpactcompaction 1.2 冲击碾压加固吹填粉细砂作用机理 根据土壤性质以及作业方式的不同, 冲击式压 实机对土壤的压实作用机理也有所不同:对于地下 水位较高的粉细砂地基, 地下水位以下的粉细砂材 料处于饱和状态, 成为一种饱和散体介质 ;对于饱和 散体介质, 其固相与液相相互渗透, 且固相与液相都 是连续的, 冲击碾压加固此类饱和散体介质的作用 机理可归纳为震动液化和动力加密两种机理的共同 作用 [ 10] . 开始冲压时以震动液化机理为主, 由于地表以 下一定深度范围内的粉细砂处于饱和状态, 当冲击 式压实机运行至某一工作面时, 冲击式压实机的巨 大冲击力瞬间作用在填料介质上, 产生类似地震波 的冲击振动波 .该波以面波和体波两种形式传播: 前者引起粉细沙地基表面介质的扰动 ;而在此类饱 和散体介质中, 体波又以三种形式出现, 即固体体波 P1 波 、流体体波 P2 波和剪切波 S波 .其波速可以分 别用下式表示 [ 11] : vp1 = λ+2G ρs( 1 -n) vp2 = Kf nρf vs = G ρs( 1 -n) ( 2) 式中, vp1 、vp2和 vs分别为固体体波、流体体波和剪切 波的波速, m·s -1 ;λ、G为固体颗粒的 Lame常数 ;ρs、 ρf分别为固体颗粒密度和流体密度, kg·m -3;Kf为 孔隙流体的体积模量;n为孔隙率. 从上式可以看出, 压缩波波速大于剪切波波速, 且固体压缩波波速大于流体压缩波波速, 从而使固 体骨架先于流体受力和获得能量, 即粉细砂颗粒优 先获得能量, 而粉细砂颗粒表面存在结合水, 结合水 便受到散体骨架的挤压而不能迅速排出, 从而使孔 隙水压力增加 .随后由于剪切波的到达又使散体颗 粒受到周期性 、大小和方向都不断变化的剪应力的 作用, 这种作用的结果将使粉细砂颗粒彼此间的黏 聚力降低, 当这种剪应力超过一定数值时, 就会破坏 颗粒之间原来的连接强度和结构状态, 使颗粒之间 脱离接触 .此时原先由颗粒通过它的接触点所传递 的压力 (有效压力 )就要传给孔隙水来承担, 引起孔 隙水压力的骤然增加. 孔隙水在上述压缩波和剪切波的共同作用下水 压增加, 造成孔隙水密度增大, 根据浮力的计算 公式 : F=ρfgV排 ( 3) 式中, F为固体颗粒所受到的浮力, N;g为重力加速 度, m·s -2 ;V排 为固体颗粒排出的流体体积, m 3 . 粉细砂颗粒所受到的浮力因为孔隙水密度的增 大而增大, 当增大到一定程度时, 粉细砂颗粒所受浮 力等于其自身所受重力, 粉细砂颗粒处于悬浮状态, 即出现液化.当冲击压实机驶离上述工作区域后, 由于粉细砂地基中存在的排水通道, 孔隙水得以向 周边消散, 孔隙水压力逐渐减小, 粉细砂颗粒在自身 重力以及上覆土层压力的作用下, 重新排列调整趋 · 537·

。538 北京科技大学学报 第32卷 于密实，使震动液化影响范围内最深处的粉细砂地 击碾压实验区内钻孔所揭露地层，除上部吹填土外， 基首先得到加固，冲击压实循坏至一定次数后，粉细 其余场地土均为滨海相海陆交互沉积地层，可划分 砂填料从下到上逐渐密实，冲击碾压作用力将难以 为三个工程地质层，见表1第①层为吹填砂（粉细 引起震动液化，此后强大的冲击能强制压缩密实粉 砂)，第②层为粉质黏土，第③层为粉砂.根据 细砂填料，排出其中的空气和水，使土体发生塑性变 《GB5001一2001建筑抗震设计规范》判定场地土 形，从而得到加密四. 属中软土，场地类别为三类.经标准贯入实验，场地 第①层吹填沙具有轻微液化的可能性.冲压之前， 2曹妃甸吹填粉细砂地基冲击碾压实验 地下水位距地表115四 2.1实验前准备 施工之前，首先使用推土机对吹填砂场地进行 根据野外勘察结果，曹妃甸吹填粉细砂地基冲 简单整平，在场地两侧边界以外1处埋设水位监 表1地基土工程地质分层及特征 Table I Definition and chamceristic of diffe rent lyers of the fundation 工程地质层及编号底板埋深m 地层厚度m 地质特征描述 稠度或密度 ①冲填土 5.0-57 50-5.7 浅灰色，主要由粉细砂组成，含贝壳碎片，处于饱和状态 松散一稍密 ②粉质黏土 5.7-63 03-1.3 灰黑色，含有机质及贝壳.有腥臭味具层理.局部夹薄层粉土 流塑 灰色，含少量贝壳，颗粒呈圆形，均粒，混有黏性土，具层理，局部含 ③粉砂 9.8-11.0 31-46 稍密一中密 黏土或细砂夹层，处于饱和状态 测管，并进行标准贯入以及静力触探等相关项目的 通过转弯时半径的调整交错变化的，因此其压实过 检测，标准贯入和静力触探各布置八个测点.由于 程可以称为“回转错轮法”，即施工过程中，压实机 吹填砂表层极为松散，承受荷载的能力差，而冲击式 从冲压场地一侧起点起步，运行至该侧终点时调转 压实机整机的重量约27t要在吹填砂上以10~ 车头，沿场地中线冲压返回至该段起点，再调转车头 15mh'的速度运行难度极大，容易出现陷车现 至起步时一侧，外侧压实轮从第一次冲压两条轮迹 象，影响冲击式压实机的作用效果.为了克服这一 之间错轮（不重叠）碾压通过，按照此种方式压实轮 困难对吹填砂表面进行洒水处理，洒水量应当以使 轮迹逐步从场地一侧推至另一侧时记为一次.冲压 工作面以下25~35的吹填砂湿润为宜；通过增 过程可见图2压实机转一圈，压“1一3”、“2一4” 加牵引机车牵引功率和车轮数量的措施，增加牵引 …两个相间的车道，交错套压 力，减小冲击式压实机运行过程中的地表阻力：同 行驶方向 时，由于非圆形冲击碾压轮作用在地表上会造成表 面起伏不平，从而速度降低造成陷车，因此及时刮平 路中线 冲击碾压过的吹填砂地基具有重要意义， 2.2冲击碾压实验 采用25k三边形冲击式压实机对粉细砂地基 进行冲击碾压.为保证冲压质量，要严格保证冲击 图2冲击式压实机施工运行轨迹示意图 Fi设2 Opemtion tracks of mpact compact知 式压实机在冲压过程中的运行速度，速度过慢，则冲 击力不足，难以取得应有的压实效果：速度过快，则 2.3冲压技术控制 可能冲压轮轮瓣顶点作用于路基表面后迅速离开， 施工过程中，随时监测地下水位的变化情况，根 冲击力没有足够的时间向下层路基传递，影响下层 据水位变化及时调整冲击碾压作业速度和作业次 的作用效果.一般冲击式压实机的运行速度应遵循 数.为了有效控制冲压质量，避免过压或压实不足， “先慢后快、先轻后重”的原则，冲压初期速度控制 采用沉降量和南非专门为冲击碾压设备开发的连续 在8~10mh,待被压实材料具有一定强度后速 冲压反应系统(CB对施工过程进行控制. 度提高到10~12km. 2.3.1沉降监测 由于冲击式压实机作业特点是牵引式.只能前 冲击碾压采用“沉降收敛”的方式，即以若干次 行且所压轮迹中波峰波谷是随着压实次数的递增， 数为一个检测单元，检测每个单元的沉降量小于某

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 于密实, 使震动液化影响范围内最深处的粉细砂地 基首先得到加固, 冲击压实循坏至一定次数后, 粉细 砂填料从下到上逐渐密实, 冲击碾压作用力将难以 引起震动液化, 此后强大的冲击能强制压缩密实粉 细砂填料, 排出其中的空气和水, 使土体发生塑性变 形, 从而得到加密 [ 12] . 2 曹妃甸吹填粉细砂地基冲击碾压实验 2.1 实验前准备 根据野外勘察结果, 曹妃甸吹填粉细砂地基冲 击碾压实验区内钻孔所揭露地层, 除上部吹填土外, 其余场地土均为滨海相海陆交互沉积地层, 可划分 为三个工程地质层, 见表 1.第 ①层为吹填砂 (粉细 砂 ), 第 ②层为粉质黏土, 第 ③层为粉砂.根据 《GB50011— 2001建筑抗震设计规范 》判定场地土 属中软土, 场地类别为三类.经标准贯入实验, 场地 第①层吹填沙具有轻微液化的可能性.冲压之前, 地下水位距地表 1.15 m. 施工之前, 首先使用推土机对吹填砂场地进行 简单整平, 在场地两侧边界以外 1 m处埋设水位监 表 1 地基土工程地质分层及特征 Table1 Definitionandcharacteristicofdifferentlayersofthefoundation 工程地质层及编号 底板埋深 /m 地层厚度 /m 地质特征描述 稠度或密度 ①冲填土 5.0 ～ 5.7 5.0 ～ 5.7 浅灰色, 主要由粉细砂组成, 含贝壳碎片, 处于饱和状态. 松散 ～稍密 ②粉质黏土 5.7 ～ 6.3 0.3 ～ 1.3 灰黑色, 含有机质及贝壳, 有腥臭味, 具层理, 局部夹薄层粉土. 流塑 ③粉砂 9.8 ～ 11.0 3.1 ～ 4.6 灰色, 含少量贝壳, 颗粒呈圆形, 均粒, 混有黏性土, 具层理, 局部含 黏土或细砂夹层, 处于饱和状态. 稍密 ～中密 测管, 并进行标准贯入以及静力触探等相关项目的 检测, 标准贯入和静力触探各布置八个测点.由于 吹填砂表层极为松散, 承受荷载的能力差, 而冲击式 压实机整机的重量约 27 t, 要在吹填砂上以 10 ～ 15 km·h -1的速度运行难度极大, 容易出现陷车现 象, 影响冲击式压实机的作用效果.为了克服这一 困难, 对吹填砂表面进行洒水处理, 洒水量应当以使 工作面以下 25 ～ 35 cm的吹填砂湿润为宜 ;通过增 加牵引机车牵引功率和车轮数量的措施, 增加牵引 力, 减小冲击式压实机运行过程中的地表阻力;同 时, 由于非圆形冲击碾压轮作用在地表上会造成表 面起伏不平, 从而速度降低造成陷车, 因此及时刮平 冲击碾压过的吹填砂地基具有重要意义. 2.2 冲击碾压实验 采用 25 kJ三边形冲击式压实机对粉细砂地基 进行冲击碾压.为保证冲压质量, 要严格保证冲击 式压实机在冲压过程中的运行速度, 速度过慢, 则冲 击力不足, 难以取得应有的压实效果 ;速度过快, 则 可能冲压轮轮瓣顶点作用于路基表面后迅速离开, 冲击力没有足够的时间向下层路基传递, 影响下层 的作用效果 .一般冲击式压实机的运行速度应遵循 “先慢后快、先轻后重 ”的原则, 冲压初期速度控制 在 8 ～ 10 km·h -1 , 待被压实材料具有一定强度后速 度提高到 10 ～ 12 km·h -1 . 由于冲击式压实机作业特点是牵引式, 只能前 行且所压轮迹中波峰波谷是随着压实次数的递增, 通过转弯时半径的调整交错变化的, 因此其压实过 程可以称为 “回转错轮法 ”, 即施工过程中, 压实机 从冲压场地一侧起点起步, 运行至该侧终点时调转 车头, 沿场地中线冲压返回至该段起点, 再调转车头 至起步时一侧, 外侧压实轮从第一次冲压两条轮迹 之间错轮 (不重叠 )碾压通过, 按照此种方式压实轮 轮迹逐步从场地一侧推至另一侧时记为一次.冲压 过程可见图 2, 压实机转一圈, 压 “ 1— 3”、 “ 2— 4” ……两个相间的车道, 交错套压. 图 2 冲击式压实机施工运行轨迹示意图 Fig.2 Operationtracksofimpactcompaction 2.3 冲压技术控制 施工过程中, 随时监测地下水位的变化情况, 根 据水位变化及时调整冲击碾压作业速度和作业次 数.为了有效控制冲压质量, 避免过压或压实不足, 采用沉降量和南非专门为冲击碾压设备开发的连续 冲压反应系统 ( CIR)对施工过程进行控制. 2.3.1 沉降监测 冲击碾压采用 “沉降收敛 ”的方式, 即以若干次 数为一个检测单元, 检测每个单元的沉降量小于某 · 538·

第4期 李廷刚：冲击碾压加固吹填粉细砂地基机理及应用 539 一规定的数值之后，认为冲击碾压己经达到了其作 从表2记录可以看出，实验开始阶段，地下水 用效果，继续追加次数意义不大，再结合连续冲压反 位随着冲碾次数的增加波动较大，说明土体较为 应系统的监测结果来判断是否继续冲压， 松散，在冲击波的作用下孔隙水压力迅速增大，因 2.3.2孔隙水压力监测 此每天严格控制冲碾次数.6月9日冲碾13次之 施工过程中，在冲击碾压巨大冲击力的反复作 后水位急速升高，虽停止冲碾但在此后的3h内水 用下，地下水的孔隙水压力会迅速增大，形成超孔隙 位一直处于较高状态，后来经调查得知这一时段 水压力，最终导致震动液化现象的出现，此时若继续 正好是海水涨潮时间，由于整个吹填场地并未与 冲压，则冲击碾压的作用力会被超孔隙水压力抵消， 海水完全隔断，而且冲碾实验区恰好贴近围堰，因 难以获得应有的压实效果，甚至会造成大面积地基 此受涨潮影响水位升高.考虑到海潮的影响，在此 失稳，因此需要及时停止冲压，待水压力消散到一定 后的施工中均根据当地的潮汐变化调整作业时 程度后再行冲压.水压力监测的一种直观方法就是 间，避免潮汐影响.随着冲碾次数的增加，水位的 地下水位的监测，冲压过程中随时监测地下水位的 变化不再大幅波动，在冲碾超过40次后，水位的 变化情况，当水位上升过高时就停止冲压，然后继续 变化已经很小，这说明土体逐渐密实，颗粒间已经 监测水位，当水位恢复并基本稳定后再行冲压，如此 形成了较强的骨架支撑，孔隙水压力受冲击波的 反复直至达到压实要求 影响减小. 表2冲压过程中水位监测记录 Tabl 2 Monitor records of the water kevel during mpact compaction 日期 次数 冲压起始时间 起始水位/m 冲压终止时间 终止水位四 2006-06-08 0-5 1020 1.15 1210 1.02 2006-06-09 6-8 1050 1.11 11:55 1.06 2006-06-09 9-10 1443 1.10 15.30 1.04 2006-06-09 11-13 1650 1.09 17:10 1.00 2006-06-09 0 1756 096 1950 098 2006-06-10 14-15 950 1.08 1025 1.07 2006-06-10 15-19 1310 1.08 1430 103 2006-06-11 20 950 1.06 1003 1.04 2006-06-11 21-25 1k00 1.04 1210 1.02 2006-06-12 26-27 1k24 1.06 11:43 1.02 2006-06-12 28-30 1550 1.00 1230 098 2006-06-12 31-32 1250 07 1315 096 2006-06-12 33-35 1448 097 1508 094 2006-06-14 36-39 838 1.2 915 1.00 2006-06-14 40-42 1315 1.01 13.42 099 2006-06-14 43-46 1430 1.00 1513 096 2006-06-15 47-50 900 099 945 098 2006-06-15 51-55 1041 099 11:25 098 2006-06-15 56-60 1400 098 1455 098 注：表中水位是地下水位距地表基准高度 6月15日冲压结束后，整个场地静置3d后于6会受到土体的反作用力，在冲击式压实机匀速运行的 月18日1200时再次测量地下水位，距地表为情况下，土体密度越大，则强度越高.则反作用力越 1.0m 大，压实轮的反向加速度也就越大，如图3所示.根 2.3.3连续冲压反应系统(CR实时监测 据上述原理，在冲击式压实机压实轮轴组件上安装数 CR系统是利用对于同一种介质的土体，其强度据采集器，采集每一次压实轮冲击土体时的反向加速 在一定范围内与土体密度呈函数关系的原理，在冲击度峰值，将这些数据录入到计算机系统，同时利用安 式压实机作业过程中，由于每次压实轮作用土体时都装在冲击式压实机上的全球定位系统确定每次压实

第 4期 李廷刚:冲击碾压加固吹填粉细砂地基机理及应用 一规定的数值之后, 认为冲击碾压已经达到了其作 用效果, 继续追加次数意义不大, 再结合连续冲压反 应系统的监测结果来判断是否继续冲压. 2.3.2 孔隙水压力监测 施工过程中, 在冲击碾压巨大冲击力的反复作 用下, 地下水的孔隙水压力会迅速增大, 形成超孔隙 水压力, 最终导致震动液化现象的出现, 此时若继续 冲压, 则冲击碾压的作用力会被超孔隙水压力抵消, 难以获得应有的压实效果, 甚至会造成大面积地基 失稳, 因此需要及时停止冲压, 待水压力消散到一定 程度后再行冲压 .水压力监测的一种直观方法就是 地下水位的监测, 冲压过程中随时监测地下水位的 变化情况, 当水位上升过高时就停止冲压, 然后继续 监测水位, 当水位恢复并基本稳定后再行冲压, 如此 反复直至达到压实要求. 从表 2记录可以看出, 实验开始阶段, 地下水 位随着冲碾次数的增加波动较大, 说明土体较为 松散, 在冲击波的作用下孔隙水压力迅速增大, 因 此每天严格控制冲碾次数 .6月 9日冲碾 13 次之 后水位急速升高, 虽停止冲碾但在此后的 3 h内水 位一直处于较高状态, 后来经调查得知这一时段 正好是海水涨潮时间, 由于整个吹填场地并未与 海水完全隔断, 而且冲碾实验区恰好贴近围堰, 因 此受涨潮影响水位升高 .考虑到海潮的影响, 在此 后的施工中均根据当地的潮汐变化调整作业时 间, 避免潮汐影响.随着冲碾次数的增加, 水位的 变化不再大幅波动, 在冲碾超过 40次后, 水位的 变化已经很小, 这说明土体逐渐密实, 颗粒间已经 形成了较强的骨架支撑, 孔隙水压力受冲击波的 影响减小 . 表 2 冲压过程中水位监测记录 Table2 Monitorrecordsofthewaterlevelduringimpactcompaction 日期 次数 冲压起始时间 起始水位 /m 冲压终止时间 终止水位 /m 2006--06--08 0 ～ 5 10:20 1.15 12:10 1.02 2006--06--09 6 ～ 8 10:50 1.11 11:55 1.06 2006--06--09 9 ～ 10 14:43 1.10 15:30 1.04 2006--06--09 11 ～ 13 16:50 1.09 17:10 1.00 2006--06--09 0 17:56 0.96 19:50 0.98 2006--06--10 14 ～ 15 9:50 1.08 10:25 1.07 2006--06--10 15 ～ 19 13:10 1.08 14:30 1.03 2006--06--11 20 9:50 1.05 10:03 1.04 2006--06--11 21 ～ 25 11:00 1.04 12:10 1.02 2006--06--12 26 ～ 27 11:24 1.06 11:43 1.02 2006--06--12 28 ～ 30 11:50 1.00 12:30 0.98 2006--06--12 31 ～ 32 12:50 0.97 13:15 0.96 2006--06--12 33 ～ 35 14:48 0.97 15:08 0.94 2006--06--14 36 ～ 39 8:38 1.02 9:15 1.00 2006--06--14 40 ～ 42 13:15 1.01 13:42 0.99 2006--06--14 43 ～ 46 14:30 1.00 15:13 0.96 2006--06--15 47 ～ 50 9:00 0.99 9:45 0.98 2006--06--15 51 ～ 55 10:41 0.99 11:25 0.98 2006--06--15 56 ～ 60 14:00 0.98 14:55 0.98 注:表中水位是地下水位距地表基准高度. 6月 15日冲压结束后, 整个场地静置 3 d后于 6 月 18 日 12:00 时再次测量地下水位, 距地表为 1.0m. 2.3.3 连续冲压反应系统 ( CIR)实时监测 CIR系统是利用对于同一种介质的土体, 其强度 在一定范围内与土体密度呈函数关系的原理, 在冲击 式压实机作业过程中, 由于每次压实轮作用土体时都 会受到土体的反作用力, 在冲击式压实机匀速运行的 情况下, 土体密度越大, 则强度越高, 则反作用力越 大, 压实轮的反向加速度也就越大, 如图 3所示 .根 据上述原理, 在冲击式压实机压实轮轴组件上安装数 据采集器, 采集每一次压实轮冲击土体时的反向加速 度峰值, 将这些数据录入到计算机系统, 同时利用安 装在冲击式压实机上的全球定位系统确定每次压实 · 539·

。540· 北京科技大学学报 第32卷 14r 轮冲压地表的坐标，并将这些点位坐标也录入到计 12 一1次一30次 算机系统，利用系统软件对数据进行统计分析，并绘 制出由不同颜色组成的彩图，就可以非常直观地判 8 定整个场地的强弱分布以及随着冲压次数增加强度 6 的增长情况，因此采用该系统可以作为地基检测的辅 2 助手段，能够快速有效地确定合理的冲压次数 图4是此次实验过程中分别冲压1次、19次、 243 4344444445 4546 20次、39次、40次、60次以及60次静置3d后CR 时间s 图3CR工作原理图 系统绘制的彩图.按照事先设定的数值范围，图中红 F 3 Working princ ple ofCIR 色代表强度低，黄色代表中等强度，绿色代表强度高. d ■<421g ☐421g-7.42g ■>7.42g 图4曹妃甸冲击碾压实验连续冲压反应系统(CR实时监测彩图（两1次：(19次：(920次：(39次：(940次：（手0次 (马60次(3d后) Fig 4 Test pptsofCR durng mpactcompactin in Caoi (a)1 pass (b 19 passes (20 passes (d)39 pases 40 passes 60 passes(号60Pase气3daej 从图4可以看出：随着冲压次数的增加，总体趋 积红色区域.这是因为两瑞为冲压回转区，冲击碾压 势上绿色区域逐渐增加，表明地基强度不断提高：但 速度降低，无法有效压实地基 连续冲压至19次时所测数值与冲压之前数值基本 结合沉降监测和连续冲压反应系统(CR的实 接近，这是因为连续冲压引起超孔隙水压力增大导 时监测结果，最终确定冲压40次即己基本达到冲击 致地基强度降低：静置一夜后20次时强度有明显提 碾压的最佳作用效果. 高，这显然是因为孔隙水压力消散，粉细砂颗粒重新 3冲击碾压实验检测结果及分析 排列形成强度，这与地下水位的变化趋势是相吻合 的.冲压39次和40次以及冲压60次并静置3后 冲击碾压前后进行标准贯入实验和静力触探实 也出现了类似现象.当冲压到40次时，绿色区域已 验，统计结果见表3 经占据大部分，此时测得的反向加速度平均值为 从表3可以看出，地基经冲压之后，吹填饱和粉 8.01多与60次时测得的反向加速度平均值828g细砂土层各项强度指标都有大幅度提高，增幅超过 相差己经很小，表明该地基已经基本达到了冲击碾 100%,而其他两层各指标也有一定提高，但增幅不 压设备所能达到的作用效果，继续追加次数从经济 大，而且第③层粉砂层的标准贯入击数的增幅远高 角度讲是不值得的.60次后只有在两端还有大面 于第②层粉质黏土中标准贯入击数的增幅，这一现

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 3 CIR工作原理图 Fig.3 WorkingprincipleofCIR 轮冲压地表的坐标, 并将这些点位坐标也录入到计 算机系统, 利用系统软件对数据进行统计分析, 并绘 制出由不同颜色组成的彩图, 就可以非常直观地判 定整个场地的强弱分布以及随着冲压次数增加强度 的增长情况, 因此采用该系统可以作为地基检测的辅 助手段,能够快速有效地确定合理的冲压次数 [ 13] . 图 4是此次实验过程中分别冲压 1次、19 次、 20次、39次 、40次、60次以及 60次静置 3 d后 CIR 系统绘制的彩图.按照事先设定的数值范围, 图中红 色代表强度低, 黄色代表中等强度, 绿色代表强度高. 图 4 曹妃甸冲击碾压实验连续冲压反应系统 (CIR)实时监测彩图.( a) 1次;( b) 19次;( c) 20次;( d) 39次;( e) 40次;( f) 60次; (g) 60次 ( 3d后 ) Fig.4 TestplotsofCIRduringimpactcompactioninCaofeidian:(a) 1pass;(b) 19passes;( c) 20 passes;( d) 39passes;( e) 40passes;( f) 60 passes;( g) 60 passes( 3dlater) 从图 4可以看出:随着冲压次数的增加, 总体趋 势上绿色区域逐渐增加, 表明地基强度不断提高;但 连续冲压至 19次时所测数值与冲压之前数值基本 接近, 这是因为连续冲压引起超孔隙水压力增大导 致地基强度降低 ;静置一夜后 20次时强度有明显提 高, 这显然是因为孔隙水压力消散, 粉细砂颗粒重新 排列形成强度, 这与地下水位的变化趋势是相吻合 的 .冲压 39 次和 40次以及冲压 60次并静置 3d后 也出现了类似现象.当冲压到 40次时, 绿色区域已 经占据大部分, 此时测得的反向加速度平均值为 8.01 g, 与 60次时测得的反向加速度平均值 8.28 g 相差已经很小, 表明该地基已经基本达到了冲击碾 压设备所能达到的作用效果, 继续追加次数从经济 角度讲是不值得的.60次后只有在两端还有大面 积红色区域, 这是因为两端为冲压回转区, 冲击碾压 速度降低, 无法有效压实地基 . 结合沉降监测和连续冲压反应系统 ( CIR)的实 时监测结果, 最终确定冲压 40次即已基本达到冲击 碾压的最佳作用效果. 3 冲击碾压实验检测结果及分析 冲击碾压前后进行标准贯入实验和静力触探实 验, 统计结果见表 3. 从表 3可以看出, 地基经冲压之后, 吹填饱和粉 细砂土层各项强度指标都有大幅度提高, 增幅超过 100%, 而其他两层各指标也有一定提高, 但增幅不 大, 而且第 ③层粉砂层的标准贯入击数的增幅远高 于第 ②层粉质黏土中标准贯入击数的增幅, 这一现 · 540·