振动碾压法与强夯法在圆砾（卵石）高填方工程施工中的应用分析

孙杭伟

上海城建新路桥建设工程有限公司

摘要：新疆某机场高填方工程采用圆砾（卵石）作为填筑地材，设计选用了振动碾压与强夯法，作为动力压实的施工手段。本文通过现场原位测试和室内的土工试验等检测方法，比较了振动碾压法与强夯法在圆砾（卵石）填筑的适用性、效率、经济性、安全性，本工程中振动碾压更具有优势。

关键词：振动碾压法；强夯法；应用分析

1 工程概况

新疆某机场改扩建工程土石方工程量巨大（填方量近 2 亿立方米，基本全靠外借），填方边坡较高（最大高度约 30m，为高填方工程），回填材料为以圆砾（卵石）为主，土石等级为 III 级，土石类别为硬土。笔者所参与项目为该改扩建工程项目前期试验段工程，试验段填筑区面积约140万平方米，最大填筑高度约27米，其中包含土石方填筑、边坡防护、排水工程以及原土地基处理。通过本试验段工程施工，确定合理的土石方填筑方法、施工工艺和检测指标，为推广应用于全场土石方设计、施工提供依据。

本试验段工程大规模填筑施工前，在飞行区道面影响区已处理好的原土地基上，选取10000m2的区域进行振动碾压分层填筑试验段施工（虚铺33cm，44cm各5000平方），选取10000m2的区域进行强夯法试验段施工（1点1满、2点1满各5000平方，强夯能级点夯3000KN.M，满夯1000KN.M，夯点间距4m*4m），用振动碾压法和强夯法进行对比试验，针对可用圆砾（卵石）填料进行碾压、强夯等压实工艺的填筑试验，确定适应场区料源和工期的相应工法及其有关参数，为机场圆砾（卵石）大规模填筑施工提供成功的经验和依据。

2 填筑料的物理性质

2.1 料源级配情况（砾质混合料）：飞行区道面影响区及边坡稳定影响区填筑材料为圆砾（卵石），碾压填筑时，填料最大粒径不得大于压实层厚的 2/3，强夯填筑时粒径不得大于 40cm，并要求圆砾（卵石）等粗颗粒填料级配良好（不均匀系数 Cu≥5，曲率系数 Cc＝1～3）。

试验段施工前，对料源地圆砾（卵石）的级配情况取样三组并进行颗粒分析，颗粒分析结果如下：不均匀系数 Cu分别为33.3、43.5、38.2；曲率系数 Cc分别对应为2.1、1.6、1.5。

根据圆砾（卵石）填筑料取样颗粒分析结果，料源级配良好，符合设计要求。

2.2参考新疆地区其他机场项目、公路项目圆砾（卵石）填筑施工经验以及工地试验室通过重型击实试验确定本次试验段圆砾（卵石）的最佳含水率在4.5±1.5%之间。

3 试验段方案

3.1 试验方案

3.1.1振动碾压

振动碾压试验段填筑层分层松铺厚度为33cm、44cm（根据新疆地区其他项目圆砾（卵石）填筑施工经验，暂定松铺系数1.1）。最终松铺系数以试验段施工确定，以保证找平碾压之后的分层厚度。

碾压时现场进行压实度跟踪检测，以取得碾压组合与现场压实指标的关系，为大面积施工提供参考数据，在第6、8、10、12遍振动碾压完成及第14遍静压完成后分别进行固体体积率检测，用以确认碾压遍数与填筑料固体体积率的对应数值，来确定最佳的压实遍数。

施工工艺流程：原地面高程测量、放样--填筑料摊铺、整平—测量虚铺后高程—碾压---高程测量—试验检测。

3.1.2强夯法

强夯法施工工艺根据设计要求选用1点1满及2点1满，点夯夯击能为3000 kN•m，夯点间距4m*4m，10-12击，满夯夯击能为1000kN•m（1/采用4锤径搭接，3-5击），强夯完成后进行平整碾压。

强夯收敛采用双标准控制：夯击遍数及单点击数不小于设计要求；点夯最后两击平均夯沉量不大于50mm；满夯最后两击平均夯沉量不大于50mm。

施工工艺流程：原地面高程测量、放样—填筑料堆填、整平—测量堆填后高程—强夯点放样—强夯施工、平整碾压—高程测量—试验检测。

4 效果检验

4.1 密实度检测

圆砾（卵石）填筑质量根据设计要求采用固体体积率评定，灌水法检测，控制指标为固体体积率不小于85%。

4.1.1振动碾压法

振动碾压法施工检测频率根据设计要求为2000m2一组，一个检验区块不得少于3组，5000m2试验段检测数量为3组，跟踪检测结果见下表：

33CM虚铺厚度试验段数据
检测项目	摊铺完	6遍	8遍	10遍	12遍	14遍	备注
平均厚度 （CM）	35.67	34.52	34.18	33.57	33.05	32.94
固体体积率(%)	1	89.00	91.00	90.00	90.00	90.00
	2	88.00	93.00	90.00	88.00	90.00
	3	90.00	88.00	91.00	90.00	91.00
压实系数	1.083

44CM虚铺厚度试验段数据
检测项目	摊铺完	6遍	8遍	10遍	12遍	14遍	备注
平均厚度 （CM）	44.63	41.02	39.52	39.45	39.25	39.28
固体体积率 (%)	1	88.00	90.00	89.00	90.00	89.00
	2	88.00	90.00	89.00	91.00	91.00
	3	89.00	90.00	89.00	91.00	90.00
压实系数	1.136

4.1.2强夯法

振动碾压法施工检测频率求为4000m2一组，一个检验区块不得少于3组，5000m2试验段检测数量为3组，检测结果见下表：

1点1满3米强夯试验段检测结果
检测点位	取样深度	干密度（g/m3）	固体体积率 (%)	合格标准 （%）	备注
1	0-3米	2.12-2.32	79-87	≥85	不合格
2	0-3米	2.31-2.49	87-93
3	0-3米	2.11-2.36	80-89

2点1满3米强夯试验段检测结果
检测点位	取样深度	干密度（g/m3）	固体体积率 (%)	合格标准 （%）	备注
1	0-3米	2.36-2.37	89	≥85
2	0-3米	2.35-2.43	88-91
3	0-3米	2.37-2.39	89-91

振动碾压法按试验段所选机具组合施工在44cm虚铺厚度以下，从第6遍振动碾压完成填筑质量即满足设计要求，在后续继续进行振动碾压时由于当地气候干燥，温度高，水分蒸发快，故而处理效果基本无增加，甚至可能由于过振而导致质量下降，综合来看，在碾压10-12遍时处理效果相对较佳；强夯法1点1满由于点夯时存在夯点间隙处理不完全，满夯不足以补强点夯间隙处较深的1-3米范围，填筑体处理质量不稳定，而2点1满工法可完全满足质量标准。对两种方法进行比较，振动碾压法处理效果与强夯法处理效果相当。

4.2 承载力检测

地基承载力检测采用Ν120（击/10cm）型超重型动力触探，由于设计并无具体的判定标准，该项检测在本次试验段工程施工中作为填筑质量的一个辅助判断项目。本文仅对两种工法各选用一个具有代表性的N120超重型动力触探检测数据。

4.2.1振动碾压法

	检测项目	测点号	起始试验深度（m）	终止试验深度（m）	实测 锤击数	修正后 锤击数
检测项目和检测结果	Ν120 （击/10cm）	1	0	0.1	5	5
			0.1	0.2	8	8
			0.2	0.3	10	10
			0.3	0.4	15	15
			0.4	0.5	20	20
			0.5	0.6	24	24
			0.6	0.7	25	25
			0.7	0.8	32	32
			0.8	0.9	41	41
			0.9	1
	锤击数（平均值）		20

当贯入深度为1.0m时，锤击数Ν₁₂₀>50,锤击时杆体微量下沉，终止试验。

4.2.2强夯法

	检测项目	测点号	起始试验深度（m）	终止试验深度（m）	实测 锤击数	修正后 锤击数
检测项目和检测结果	Ν120 （击/10cm）	1	0	0.1	5	5
			0.1	0.2	9	9
			0.2	0.3	10	10
			0.3	0.4	13	13
			0.4	0.5	15	15
			0.5	0.6	20	20
			0.6	0.7	24	24
			0.7	0.8	27	27
			0.8	0.9	32	32
			0.9	1	39	39
			1	1.1
	锤击数（平均值）		19

当贯入深度为1.1m时，锤击数Ν₁₂₀>50, 锤击时杆体微量下沉，终止试验。

根据N120超重型动力触探检测数值，随着触探头贯入深度的增加阻力随之增加，表明无论是振动碾压还是强夯法对圆砾（卵石）处理的效果都极为有效。

4.3 面波检测

波速测试：采用瑞雷波法，飞行区道面影响区每 10m 厚每5000m2一点，波速≥300m/s，且每种填料不少于3点。测试原理为在单一介质中面波以稳定的速度传播，当遇到不同的介质时，在界面上面波产生频散效应，通过对频散曲线的反分析可以得到场地分层剪切波速。本文仅对两种工法各选择一组检测数据来代表各自施工工艺的处理效果。

4.3.1振动碾压法

在振动碾压法施工填筑已达到10米的区域进行面波测试，测试结果：

测 试 结 果	测点号	覆盖土层厚度（m）	等效剪切波速（m/s）
	1#	9.91	317.4
	2#	10.18	338.0
	3#	10.55	353.8

波速测试汇总表：

1#			2#			3#
测试 深度 （m）	剪切波速m/s	等效剪切波速m/s	测试 深度 （m）	剪切波速m/s	等效剪切波速m/s	测试 深度 （m）	剪切波速m/s	等效剪切波速m/s
1.52	249.4	317.4	3.27	323.0	338.0	2.04	311.6	353.8
3.11	409.3		4.69	366.6		8.26	361.1
8.34	332.9		8.17	360.3		8.48	304.3
9.91	283.9		10.18	311.1		10.55	389.1

4.3.2强夯法

在强夯法施工填筑已达到10米的区域进行面波测试，测试结果见下表：

测 试 结 果	测点号	覆盖土层厚度（m）	等效剪切波速（m/s）
	1#	8.77	349.9
	2#	9.45	342.9
	3#	9.65	340.4

波速测试汇总表：

1#			2#			3#
测试 深度 （m）	剪切波速m/s	等效剪切波速m/s	测试 深度 （m）	剪切波速m/s	等效剪切波速m/s	测试 深度 （m）	剪切波速m/s	等效剪切波速m/s
2.58	295.6	349.9	0.39	340.3	342.9	2.27	298.6	340.4
4.36	353.3		1.66	340.0		3.25	321.1
7.01	407.2		5.21	340.4		8.42	376.5
8.77	362.4		9.45	343.9		9.65	304.4

通过以上面波测试的检测数据，不难看出，两种施工方法的填筑处理质量都达到了设计要求值，处理效果较好。

5 填筑工艺在高填方施工中的适用性、施工效率、经济性及安全性分析

5.1填筑工艺的适用性分析

本次试验段工程为高填方施工，单独采用强夯法施工则填筑体边坡稳定影响区坡面的填筑质量难以保障，强夯施工时难免在填筑填坡面周边保留至少1-2个夯点间距的距离不进行处理，以保证施工时坡面不发生坍塌、夯锤翻锤现象，强夯法在填筑体周边施工的质量、安全状况较差，若要保证填筑体坡面周边施工质量，势必需要与振动碾压法配合施工，预留边坡处理范围采用振动碾压，而与振动碾压法配合施工时又产生了另一个问题，即两种不同施工工艺间的搭接面处理问题.

搭接面处的处理又增加了施工工程量计量的难度（涉及到搭接面薄弱区域重复施工的工程量），同时对工程施工的连续性产生较大影响。本工程边坡范围约3.3KM，从整个填筑面来看，每填筑一个强夯层即有约3.3KM的搭接处理量（随填筑高度增加搭接量逐步缩小），处理量较大且繁琐。而振动碾压法则可以逐步分层施工直至设计标高。从本高填方工程实际实施过程来看，强夯法在进行原土地基处理以及土面区回填的效果、适用性都较好，但强夯法在进行边坡稳定影响区施工时有较大的局限性。

5.2填筑工艺的效率及经济性分析

针对两种不同施工工艺的施工效率及经济性分析，笔者在进行振动碾压法和强夯法试验段施工的基础上，对振动碾压法在5000m2的面积上分层填筑7层（填筑后高度2.7-2.8米）、强夯法在5000m2的面积上填筑3米进行强夯（夯后高程在2.7-2.8米）施工中所用机械、设备、施工时间、施工成本进行对比分析。

5.2.1振动碾压法

5.2.1.1选用机械设备：

22T振动压路机1台、平地机1台、15T 洒水车1辆,装载机1辆

5.2.1.2施工时间分析（单层填筑时间）：

（1）工作面上料：虚铺厚度44cm，需要圆砾（卵石）量为2200立方，110车，上料所需时间2小时。

（2）摊铺、整平时间：采用1辆装载机摊铺、大致推平，1台平地机精细整平，所需时间约7-8小时，按8小时计。

（3）碾压时间：单层面积5000m2,碾压遍数10遍（压路机来回为1遍），1台压路计碾压完成需要碾压5000*10*2=100000m2。

所选压路机钢轮宽2米，考虑0.2m搭接，有效碾压长度1.8米，压路机行驶速度按2.5km/h计，压路机1小时碾压面积为2500*1.8=4500m2。

单台压路机5000m2填料处理时间需要100000/4500=22.22小时,计23小时。

碾压后高程测量同步进行，时间2小时。

单层5000m2所需总时间为2+8+23+2=35小时。

填筑七层理论所需时间为7*35=245小时。即需要11天左右。

5.2.1.3经济性分析：

考虑到无论是振动碾压法还是强夯法施工，人工成本基本一致，故此处经济性分析仅针对机械、设备，此处机械、设备仅针对新疆地区。

压路机费用48000/月（含机械租赁、油费）、铲车费用28000/月（含机械租赁、油费）、平地机费用55000元/月（含机械租赁、油费），洒水车费用28000/月（含机械租赁、油费）

5000m2填筑7层所需费用为（48000+28000+55000+28000）*11/30=58300元，此处由于试验段面积较小，所需机械设备成本基本无摊销，故与大面积分层碾压填筑相比施工单位成本略高。

5.2.2强夯法

5.2.2.1选用机械设备：

强夯机1台、推土机3台班、平地机1台班、洒水车1辆，压路机1台班。

5.2.2.2施工时间分析：

（1）备料、整平施工时长：总计需要15000立方，按1米左右一层分3层填筑至3米高度，所需时间为1天。

（2）强夯施工时长：

夯点单击数10，单个夯点夯击完成到挪至下一夯点所需时间经实测为15分钟（约0.25小时），单点夯击面积为16m2，5000m2范围1遍点夯所需时间约为5000/16*0.25=78.125小时；

第一遍点夯后进行推平、夯点布置所需时间8小时；

第二遍点夯所需时间78.125小时；

第二遍点夯后进行推平所需时间6小时；

进行满夯（2.5米锤径，1/4d搭接，夯击数3-5击按4击计）单点处理面积14m2，每点所需时间为6分钟（约0.1小时），5000m2范围满夯所需时间为5000/14*0.1=35.7小时，约36小时。 进行夯后平整碾压所需时间为12小时。

强夯施工总计所需时长为218.25小时（计219小时）。

强夯全过程施工总计所需时长为219+24=243小时（以天计为11天）。

5.2.2.3强夯经济分析

考虑到无论是振动碾压法还是强夯法施工，人工成本基本一致，故此处经济性分析仅针对机械、设备，此处机械、设备仅针对新疆地区。

（1）强夯施工费用（含强夯机、推土机费用）：15元/m2，计15*5000=75000元。

（2）平地机费用：1800元/台班，计1*1800=1800元

（3）洒水车费用：28000元/月，计11/30*28000=10266元

（4）压路机费用：1600元/台班，计1*1600=1600元

总计施工费用为75000+1800+10266+1600=88666元。

根据以上施工时长及经济分析数据列表如下：

序号	施工工艺	工程量（m3）	施工时长（h）	施工费用（元）
1	振动碾压法	14000	245	58300
2	强夯法	14000	243	88666

从上表中可看出，在施工时长上，振动碾压法施工效率略小于强夯法，但其施工费用远小于强夯法，从价值工程的角度来分析，功能略为下降，成本大大降低，从实用价值来看，振动碾压法更优。

5.3填筑工艺的安全性分析

振动碾压法施工安全性较好，主要安全风险为在卸料时可能由于车辆视线不佳而导致对指挥卸料人员的伤害，该风险可以通过采取诸如加强安全教育、为指挥人员配备反光服、指挥棒等措施降至极小的范围，同时振动能量较小，对临近的建构筑物影响也较小。

强夯法采用履带式起重机通过将重锤提升至一定高度后自由下落获得所需的夯击能，在进行级配圆砾的强夯施工时，容易产生飞石，飞石击中人或其他机械设备时则容易造成伤害，故而在强夯施工时，需要一定的安全距离，如强夯观测人员需要根据夯击能的不同设置不同的安全观测距离；对强夯区域周边设置相应安全区域；同时强夯施工由于夯击能量高，振动影响大，对临近建构筑物产生较大影响，通常施工时还需要根据夯击能设置离不同距离的隔震沟。同时强夯施工备料时同样存在指挥卸料人员的伤害风险。

从安全性来看，对圆砾石的处理，振动碾压的安全性较好，而强夯施工的安全风险较大，需要采取较多的安全措施。

6 结论

振动碾压法与强夯法对圆砾（卵石）填筑施工的处理上都具有相当好的效果，但在圆砾（卵石）高填方施工中，振动碾压法在使用性上略胜强夯施工一筹，施工效率与强夯法基本一致，施工成本上振动碾压法占据较大优势，安全性较强夯法高。综合来看，在新疆地区进行圆砾（卵石）高填方填筑施工时，在同样能保证施工质量的基础上，我们更倾向于选用适用性强、经济性更佳、安全性更高的振动碾压法。

参考文献：

[1]新疆某机场地基处理与土方回填试验段工程地基处理施工图设计说明；

[2]《岩土工程勘察规范》GB50021-2001

[3]《民用机场高填方工程技术规范》MH/T5035-2017

[4]建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)