轻型夯施工过程中涵洞结构安全性评价

刘建奇+司癸卯+张孟强+邵现田+张启龙

摘要：为了研究轻型夯施工对桥台涵洞结构物的影响，在河北省张承高速公路某标段工程施工现场进行试验，分析了轻型液压夯实机补强夯实过程的冲击能量对涵洞安全性的影响。使用位移传感器测试涵背水平位移与夯击次数的关系、涵背水平位移与夯点水平距离的关系；并采用位移評价方法评定涵洞的安全性。试验结果表明：在轻型夯产生的冲击荷载作用下涵洞结构是安全的。

关键词：位移传感器；涵背；评价方法；位移变化

中图分类号：U443.21文献标志码：B

Safety Evaluation of Culvert Structure in Construction Process of Lightweight Tamper

LIU Jianqi1， SI Guimao2， ZHANG Mengqiang1， SHAO Xiantian2， ZHANG Qilong2

（1. Hebei Province Expressway Management Bureau， Shijiazhuang 050051， Hebei， China；

2. Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China ）

Abstract： In order to study the effect of light tamping on the abutment and culvert， the impact of impact energy on the safety of culvert compacted with lightweight hydraulic tamper was analyzed and tested in the construction site of a section of ZhangjiakouChengde expressway in Hebei Province. The displacement sensor was used to test the relationship between the horizontal displacement of the culvert and the number of tamping and the relationship between the horizontal displacement of the culvert and the horizontal distance of the tamping spots. And the safety evaluation of the culvert was conducted using the displacement evaluation method. The results show that the culvert structure is safe under the impact load produced by lightweight tamper.

Key words： displacement sensor； culvert back； evaluation method； displacement change

0引言

目前，轻型液压夯实机处理（桥台）涵背路基的方法在国内铁路、公路等大型建设工程中得到广泛应用，但对于施工过程中轻型夯冲击能对桥涵结构影响的研究不多[111]。为了探究轻型夯的冲击能量对涵洞结构的影响，选取张承高速路基9标的某座盖板涵作为试验测试场地，覆土后涵高5 m，涵洞内侧高4 m。涵洞两侧采用对称填筑，分层填筑厚度控制在40 cm（松铺），分层碾压，18 t压路机振动碾压不少于6遍。通过试验测试轻型夯施工过程中涵背位移的变化，分析不同夯击距离及夯击次数等工况下，涵洞结构的水平位移变化规律；并探讨国内外关于轻型液压夯实机施工过程中对周围结构物安全评价的指标或方法[1215]，为研究夯实的最佳工艺参数提供理论根据。

1涵洞安全性评价方法

因为位移评价方法无需把测量的位移量转换为其他变量，所以本试验采用位移评价方法对涵洞结构的安全性进行评估。在对涵洞结构进行安全性评价时，可以把竖直度允许偏差值作为涵洞中涵背结构的形状位移变化，如图1所示，其中虚线部分表示涵背变形后的位置。

《公路工程质量检验评定标准》（JTG F801—2012）中规定：墩、台身竖直度允许偏差为0.3%H（H为墩、台身高度）且不大于20 mm； 因此，在进行回填土夯实过程中，如果涵背的变形超过0.3%H或大于20 mm，则轻型液压夯实机在施工过程中对涵洞结构的安全具有危害，如果涵背的变形小于03%H或小于20 mm，则轻型液压夯实机施工过程对涵洞结构安全的危害较小或没有危害[1618]。

2试验检测系统搭建

2.1数据收集过程

本试验用到的石器件及仪器有电阻应变片、位移传感器、动态应变仪和数据采集仪等，通过信号传输线将电阻应变片、动态应变仪和数据采集仪连接在一起，位移传感器通过信号传输线直接连接到数据采集仪。当轻型液压夯实机工作时，涵洞结构受到冲击力作用会发生变形，从而电阻应变片和位移传感器产生电信号，电信号通过信号传输线进入数据采集仪，并在显示窗口中显示数据。

2.2测试器件布置形式

为了保护试验测试装置，避免其在施工过程中遭受破坏，位移传感器、数据采集仪等装置均布设在涵洞的内部。位移传感器在涵洞背侧布局如图2所示，其中黑色的圆圈代表位移传感器。试验测试装置的器件均布置在涵洞总长的1/2处（即正中间位置处），每组位移传感器均从上向下纵向布置。endprint

图2位移传感器在结构物侧面布设

涵背的5组位移传感器固定在支架上，第1组位移传感器与涵洞盖板内侧（内侧涵顶）的距离为50 cm，第5组位移传感器与涵洞底板的距离为50 cm，中间各组位移传感器的间隔均为75 cm，总高4 m（涵洞内侧），位移传感器一端与涵背内侧接触，另一端通过信号线与数据采集仪连接（图2）。

3试验夯点布设方式

为了研究轻型液压夯实机在夯击时产生的冲击力对涵洞结构的影响，将夯点与检测器件布设在同一轴线上，每个轻型液压夯实机的作业层布置4个夯点，夯点位置在每个作业层保持一致，每个夯点与检测系统的水平距离为变量。其中1#夯点距离检测系统的水平距离为10 cm，2#夯点距离检测系统的水平距离为60 cm，3#夯点距离检测系统的水平距离为160 cm，4#夯点距离检测系统的水平距离为260 cm，以此探究不同水平距离与涵洞结构受力的关系，施工现场试验的夯点具体位置布设如图3所示。

4试验过程及检测方法

对路基进行分层填筑、分层碾压，填筑至1 m后，采用轻型液压夯实机的高档（锤重3 t，举高1.2 m）在设定的夯点进行施工夯击，每夯击1次收集5个位移数据，每个夯点夯击12次，即1个夯点一共收集60个数据，每1个作业层共收集240个数据；路基填筑2 m（3、4、5 m涵洞）后，涵洞结构如图4所示。采用同样的施工工艺继续进行试验，并收集数据，每个夯

点在数据采集儀中对应1个储存文件夹。等待试验结束后，利用德维创数据分析软件对所有储存文件中收集的数据进行分析，并从记录的图形中提取每次夯击时位移传感器测试的数值，然后绘制成表格，再对表格中的数据进行分析。

5涵背试验数据采集及分析

5.11#夯点涵背水平位移与夯击次数的关系

1#夯点涵背产生的水平位移与夯击次数的关系如图5所示。涵背路基回填至1 m高时，涵背路基上表面位于第4组应变片和第5组应变片之间，1#夯点距离涵背水平距离为100 cm，几乎与涵背接触，因机械行走与机械架构原因，100 cm是极限接近的水平距离，而且在此夯点夯击时采用最大的夯击能量，所以对1#夯点的夯击过程是整个试验的最不利工况。以此最不利工况分析轻型夯施工过程中涵洞结构的安全性最为合适，只要在该工况下轻型液压夯实机施工时对涵背产生的水平位移满足安全要求，则其他工况必能满足安全施工的要求，该水平位移取每次夯击作用下对涵背产生的最大水平位移。

图51#夯点涵背水平位移与夯击次数的关系

从图5中可以看出：随着夯击次数的增加，涵背的水平位移变化极其离散，但是总体在005～02 mm范围内变化，个别点低于0.05 mm。以此判断水平位移与夯击次数没有较好的相关性，主要与夯击作用产生的冲击荷载有关。同样，在1#夯点实施轻型液压夯实机的最大夯击能量（36 kJ），涵洞最大位移值为0.2 mm，每个作业层位移的最大值的平均值为0192 mm，此位移相对于涵洞结构的尺寸是极其微小的，而且在两边对称填筑的涵背路基结构中，这样的位移变形量在填筑过程中是可以完全抵消的。

6结语

为了探究夯击作用对涵洞结构的影响，本文通过试验测试轻型液压夯实机施工过程中涵洞结构的水平位移变化，分析不同水平夯击距离及夯击次数等工况下，涵洞水平位移及应变变化规律，得到以下结论。

（1）在1#夯点轻型夯实施最大夯击能量（36 kJ）时，涵洞结构最大位移值为02 mm，所有最大值的平均值为0192 mm。由位移评价方法可知，0.2 mm<0.3%H=15 mm，因此该涵洞结构在轻型夯施工过程中是安全的。

（2）在2#夯点进行夯击时，涵洞结构的位移变化范围为0.01～0.1 mm；在3#夯点进行夯击时，涵洞结构的位移变化范围为0～0.05 mm；在4#夯点进行夯击时，涵洞结构的位移变化范围为0～001 mm。由位移评价方法可知：2#、3#、4#夯点的最大位移均小于0.3%H。因此，轻型夯采用最大能量（36 kJ）进行夯实施工时，该涵洞结构在轻型夯产生的冲击能量作用下是安全的。

（3）随着夯点与涵背水平距离的逐渐增加，最大的夯击能量（36 kJ）产生的涵背位移呈减小趋势，并且距离越远，减小的幅度越大。

参考文献：

[1]张有春，鲁建荣.强夯法在我国的发展及应用[J].交通标准化，2013（8）：2124.

[2]黄瑛.强夯对周围已建建筑物的影响[J].中国港湾建设，2007（3）：2436.

[3]刘本学，郝飞，张志峰，等.高速液压夯实机动力学模型试验[J].长安大学学报：自然科学版，2009，29（1）：9598.

[4]司癸卯，张燕飞，张成.快速液压夯实机在地基处理中的应用分析[J].中国工程机械学报，2013（4）：175178.

[5]周志军.土石混填路基压实质量控制方法研究[D].西安：长安大学，2006.

[6]刘松凯.强夯动态模拟及性能检测研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[7]马宗源，徐清清，党发宁.碎石土地基动力夯实的颗粒流离散数值分析[J].工程力学，2013（B6）：184190.

[8]孟庆娟，王琳，王欣.强夯振动影响范围研究综述[J].唐山学院学报，2010，24（3）：5456.

[9]张焕新，方建勤，黄水泉.液压夯实技术补强高速公路台背路基施工工艺试验研究[J].公路，2010（6）：140143.

[10]彭朝晖，候天顺.强夯法及其在工程中的应用[J].建筑科学，2008，24（3）：7881.

[11]李军.论路基处涵洞的基础设计及其地基的处理[J].现代装饰：理论，2013（4）：179179.

[12]陈基灿.高速液压夯实机技术在韶赣高速公路涵洞台背填料夯实补强的工程应用[J].交通世界：建养机械，2009（15）：4445.

[13]刘锋.液压夯实技术在公路桥涵台背回填中的应用研究[D].广州：华南理工大学，2008.

[14]关义军，秦进远，张安适.高速液压夯实机压实补强施工[J].港工技术与管理，2016（5）：1820.

[15]董金玉，李日运，孙文怀，等.快速夯实法（RIC）在高速公路高填方及台背填土施工中的技术研究[J].工程地质学报，2008，16（3）：422426.

[16]冯雄辉，万智.台背液压夯实处理现场试验与数值模拟研究[J].铁道科学与工程学报，2013，10（1）：4954.

[17]敖卓铎.高速公路桥涵台背专项处理应用高速液压夯实[J].山西建筑，2010，36（14）：289290.

[18]王颖蛟，郑小艳.夯锤形状对强夯加固效果的影响[J].水利与建筑工程学报，2013，11（4）：116118.

[责任编辑：王玉玲]endprint