石质高填方管型通道跟踪试验

刁凯

摘要 预制装配式管道施工具有周期短、成本低、绿色环保等优势，适合开展大范围的推广。由于土体与结构耦合作用的复杂性，目前缺乏对计算方法的深度研究，需要开展相關试验研究，为理论计算奠定基础。依托山区石质高填方通道建设项目，通过对通道填土压力试验监测、通道沉降变形试验监测及通道力学性能试验监测的结果开展分析，明确石质高填方施工对通道结构的影响规律，为管型通道性能保障以及计算分析提供支撑。试验结果表明：对于高填方管型通道采用石质土进行逐层回填的施工方法，对于通道的沉降影响较小，回填的土体不仅作为荷载，也作为承载与结构相互作用，使通道在高填方回填下承受的土压力仍在可接受范围内，预制通道的各构件相对位置稳定，受力可控。

关键词 管型通道；石质高填方；填土压力；通道变形；通道应力

中图分类号 U449.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0060-03

0 引言

小跨径的通道是公路工程中常用的结构型式，具有覆盖面广和体量大的特点。国内外建设的经验表明，采用预制装配式管道可以缩短高速公路的建设周期，提高高速公路的路基质量，延长高速公路的使用寿命，降低投资成本，绿色环保效益好，应用优势显著。

鉴于装配式通道巨大的应用优势，适合开展大范围的推广，在这个过程中面临其他类型的地质条件以及力学性能需求。早期地下工程建设完全依据经验，十九世纪初期才逐渐形成地下结构的计算理论并开始用于指导地下结构的设计和施工。二十世纪中期，电子计算技术的出现和发展推动了岩土力学和工程结构等学科的研究。结构与土体相互作用的界面应是一个广义的相互作用影响，而非绝对地仅限于两者的相互接触界面[1]。考虑地层与结构的相互作用，地下结构的计算理论有了更大的发展，在一定覆土厚度下，结构与土体协同变形和受力，因而需要考虑土层对涵洞结构的弹性抗力特性[2]。我国目前的《公路涵洞设计细则》中，没有考虑土体对结构的抗力效应[3]，将填方简单地视为荷载，会带来造价成本的增加。目前对填方与结构相互作用的试验研究较少[4]。为探明通道与土体相互作用产生的压力变化、位移沉降和应力情况，以芜黄高速公路某石质高填方通道为依托，开展现场跟踪试验，相关测试数据为通道合理设计提供支撑。

1 试验内容

该项目以芜黄高速公路为依托，开展山区石质高填方填筑过程的通道性能跟踪测试，关联填筑过程填料的变化及结构的应力变化，对相关理论研究成果进行验证。

该试验采用GTⅢ-3×2.5管型涵洞，其标准宽Bk=3.0 m，标准高Hk=2.5 m，净通行面积为11.463 1 m2，见图1。

2 试验方案

2.1 通道变形测试

共采用7个位移传感器检测相对畸变，两个沉降测点监测绝对沉降，见图2。

在涵洞内部设置脚手架，支撑点为位移计提供平台。

2.2 通道应变测试

采用20个应变传感器，分别位于管中和管边截面，监测混凝土应变；采用4个跨铰缝应变计，监测管中和管边截面接缝张开量。

2.3 土体测试

挑选距出水口27 m和24 m的第十节和第九节管道，分别布置21个、11个土压力盒，见图3。

3 总体施工流程

总体施工工艺：通道预制——垫层施工——通道安装——回填土施工——道路施工。详细施工工况，见表1。

其中，垫层施工开挖后，在通道两端地板下方各放置三个压力盒，Y-1～Y-3、Y22～Y24，用作采集初读数。回填土施工分为水稳回填施工、碎石回填施工、土方回填施工以及96区碎石回填施工。此外，试验持续到运营阶段2个月，每10 d测试一次。

4 试验测试结果分析

该节中所有横轴理解为时间轴，即工序的推进从开始施工到该测量阶段回填压实完成。

4.1 填土压力试验结果

通过测试得出拱圈周围和顶部土压力变化，由于测试数据较多，仅示出部分具有代表性质的试验结果（后同），见图4。

从图中可以看出，处于两节段底板处的土压力值随着工序的推进大致呈线性关系，最终Y-2上升至370 kPa，

Y-3上升至200 kPa，Y-22上升至300 kPa，Y-24上升至480 kPa。

通过对比发现，距出水口24 m处的第九节通道底板土压力大于第十节通道的底板土压力，特别是在后半段工序的时候，两者差值越来越大。相差如此巨大的原因考虑可能为施工过程中压实度的不同。同样，处于两通道最顶层的土压力也是第九节的大，Y-32比对应的Y-20大130 kPa。

通过对单节通道的各层压力对比分析，还发现，在回填至上层即Y-16～Y-21处时，通道左侧Y-16和Y-19均为各层压力中间值，而且也大致为其所处层的压力平均值。

4.2 通道变形监测结果

4.2.1 通道沉降

在水稳回填及碎石回填阶段以第一天左侧三层右侧一层水稳回填压实完毕为初始测量数据，测得通道沉降，总体规律表明，水稳回填前期数据有波动，在第五层水稳回填并压实完毕后棱镜4测得的沉降值达到0.06 m，棱镜7测得沉降值达到0.036 m，考虑为测量数据错误。棱镜2在第七层水稳回填完毕后测得的沉降值为0.033 m。但随着工况继续推进，各点的沉降值变小，总体观看呈水平分布。

以第一层土方回填压实完成后的高度作为起始高度。测出土方回填及96区第一层碎石回填阶段沉降值，见图5。

从图中可以直观地看出，最初随着回填层数的增加，通道沉降范围并不大，虽有起伏，但基本以沉降值0 m作为水平轴上下波动。但第十六层土方回填后，沉降变大，最终棱镜4和6测得沉降值为0.007 m，棱镜1、2和7测得沉降值在0.015 m附近。

4.2.2 通道结构变形

该次试验从第一层土方回填开始监测位移数据，总體规律表明，各层土方回填完毕后，相对位移变化不大，基本都在0.5 mm左右波动。测量过程中有数据集体突增的情况，在2～6 mm范围，后趋于稳定，总体变幅较小。

4.2.3 通道接缝变形

该次测试中，对管边以及管中两个截面开展了顶板与侧墙接缝的测试工作，对接缝的张开及压缩变形进行检测，评价通道本身的稳定性。通过测得的数据绘出接缝变形图。

（1）管边截面接缝变形，见图6。

从图中可以看出，前期接缝在拉、压状态中转变，随着填土厚度的进一步增加，接缝逐渐转向受压，基本呈线性发展。左侧与右侧变形存在一定不均匀性，左侧最终压缩0.012 mm，右侧后期应变计失效，未能采集有效数据，在第十二层压实完成时，压缩量为0.016 mm。总体而言，右侧较左侧压缩量大。

（2）分析管中截面接缝变形，发现管中与管边截面变形趋势一致，即前期接缝在拉、压状态中转变，随着填土厚度的进一步增加，接缝逐渐转向受压，基本呈线性发展。

管道左侧与右侧变形存在一定不均匀性，左侧最终压缩0.012 mm，右侧未能捕捉有效数据，后期监测结果表明最终压缩量为0.001 mm。该次监测中，管中与管边压缩趋势相反、压缩量也存在较大的不均匀性。

4.3 通道结构力学性能分析

该次试验对管型通道边缘以及中央截面进行应变测试。结果表明，管边截面、管中截面的应力随着工序的推进而呈近似线性的增长，到施工后期，应力降低后趋于稳定，变化波动较小。最终拉压应变维持在±100 με附近。

5 结论

通过对管型通道开展填土压力试验监测、通道沉降变形试验监测及通道力学性能试验监测，明确高填方通道结构施工对通道的影响，主要结论如下：

（1）土压力变化规律。随着填方高度的逐步增大，土压力值基本呈线性上升趋势。每层土压力基本相近，但不同层高土压力值相差较大。“拱形”区域土压力较为接近，表明土体结构存在明显土拱效应。

（2）通道沉降及变形变化规律。前期回填基本无沉降，当回填高度达12 m，沉降逐渐增加，由于地基条件较好，最终沉降量较小。此外，对通道变形的监测表明，通道变形较小，各组件的相对位移在0.5 mm波动；左右侧接缝变形略有差异，但整体变化幅度不大，通道自身在回填过程中保持稳定。

（3）通道力学性能规律。随着填土厚度增加，通道中管边和管中的应变值整体上也在稳步上升，最终变化幅度逐渐减小，趋于稳定，表明土体承担荷载比例逐渐增加。

试验结果反映了通道结果与土体共同作用的复杂性，试验结论可以为石质高填方管型通道的设计分析提供参考借鉴。

参考文献

[1]廖雄华， 李锡夔. 关于土-结相互作用界面力学行为的数值模拟[J]. 计算力学学报， 2002（4）： 450-455.

[2]侯鹏飞. 高填方公路涵洞施工力学响应研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2022.

[3]吴淀杭. 山区公路高填土涵洞设计与加固要点分析[J]. 工程建设与设计， 2022（24）： 101-103.

[4]鲁瑞林， 张永兴， 王桂林， 等. 山区高填涵顶垂直土压力现场测试及计算研究[J]. 西部探矿工程， 2006（12）： 71-72+74.