橋臺(tái)涵背特殊位置路基快速液壓夯實(shí)技術(shù)

司癸卯，趙建成，邵現(xiàn)田，陳 哲，張啟龍

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064)

橋臺(tái)涵背特殊位置路基快速液壓夯實(shí)技術(shù)

司癸卯，趙建成，邵現(xiàn)田，陳 哲，張啟龍

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064)

為了解決橋頭跳車(chē)等工程問(wèn)題，依托張承高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究公路橋背涵側(cè)回填路基沉降量、壓實(shí)度與夯擊次數(shù)的關(guān)系，壓實(shí)度與路基深度的關(guān)系，以及壓實(shí)度與夯點(diǎn)布置方式的關(guān)系，確定了輕型液壓夯實(shí)機(jī)最佳施工參數(shù)，并為不同回填土路基的補(bǔ)強(qiáng)夯實(shí)提供試驗(yàn)步驟，亦為相關(guān)的工程實(shí)踐及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中最佳施工參數(shù)的確定提供了依據(jù)。

橋頭跳車(chē);壓實(shí)度;路基深度;路基沉降量

1 輕型液壓夯實(shí)機(jī)

輕型液壓夯實(shí)機(jī)由液壓油缸、機(jī)架、夯錘和著力裝置等組成，其工作原理為:液壓缸將夯錘提升至一定高度后快速釋放，夯錘在重力和液壓蓄能器的共同作用下加速下落，擊打靜壓在地基上的著力裝置，并通過(guò)著力裝置間接夯擊地基［7-10］，如圖1所示。

圖1 輕型液壓夯實(shí)機(jī)工作原理

本試驗(yàn)選擇泰安恒大制造的快速液壓夯實(shí)機(jī)［5］，其夯擊能有 3個(gè)擋位，分別為一擋、二擋、三擋(也稱(chēng)低、中、強(qiáng)擋)。一擋、二擋、三擋夯錘下落高度依次為50、80、120 cm，所產(chǎn)生的最大夯擊勢(shì)能為36 kJ，夯擊勢(shì)能的頻率為20～30次·min－1。在工程施工過(guò)程中多采用三擋進(jìn)行回填土補(bǔ)強(qiáng)夯實(shí)作業(yè)，因此，此次試驗(yàn)也采用三擋對(duì)橋臺(tái)涵側(cè)進(jìn)行夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)。

2 試驗(yàn)場(chǎng)地及填料土性質(zhì)

本試驗(yàn)選擇張承高速公路承德段9標(biāo)為試驗(yàn)場(chǎng)地，填料為就近開(kāi)山破碎的未篩分碎石與土混合的碎石土。碎石土的篩分試驗(yàn)結(jié)果為:試樣中石料最大粒徑小于200 mm，碎石含量大于60%;界限含水量試驗(yàn)結(jié)果為:液限17.2%，塑性指數(shù)為2.1;標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果為:試樣中小于38 mm粒徑的最大干密度為2．44 g·cm－3，最佳含水率為 4.2%［11-12］。

3 夯擊次數(shù)與沉降量、壓實(shí)度的關(guān)系

3．1 試驗(yàn)步驟

(1)檢測(cè)碾壓后路基的壓實(shí)度(現(xiàn)狀壓實(shí)度)。

(2)選取5個(gè)夯點(diǎn)(1#～5#)，夯點(diǎn)位于一條直線(xiàn)上，間距為2 m;利用水準(zhǔn)儀測(cè)量5個(gè)夯點(diǎn)初始地面高程。

(3)對(duì)每個(gè)夯點(diǎn)采用高擋(錘重3 t，舉高1．2 m)夯擊，每夯擊1次采用水準(zhǔn)儀測(cè)量1次高程，每個(gè)夯點(diǎn)夯擊12次(初定)。

(4)根據(jù)高程檢測(cè)結(jié)果分析不同夯擊次數(shù)與路基沉降量的關(guān)系。找到每條沉降曲線(xiàn)中特殊點(diǎn)(沉降量拐點(diǎn))對(duì)應(yīng)的夯擊次數(shù)，沉降量小于1 cm時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。以拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的夯擊次數(shù)至最后一擊沉降量小于1 cm的夯擊次數(shù)為范圍，測(cè)定每點(diǎn)的壓實(shí)度(為確保檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，每點(diǎn)檢測(cè)2次，取其平均值)，繪制夯擊次數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系曲線(xiàn)。

根據(jù)上述曲線(xiàn)確定滿(mǎn)足壓實(shí)度要求所需的夯擊次數(shù)，以及對(duì)應(yīng)該夯擊次數(shù)的沉降量，以該沉降量控制施工［13-16］。

3．2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3．2．1 夯擊次數(shù)與累計(jì)沉降的關(guān)系

由于填料粒徑較大(≤20 cm)，采用灌水法測(cè)定路基碾壓后的壓實(shí)度，共檢測(cè)3個(gè)點(diǎn)，壓實(shí)度平均值為94.6%;選取5個(gè)夯點(diǎn)測(cè)定初始高程，采用輕型夯高檔對(duì)每個(gè)夯點(diǎn)進(jìn)行夯擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1及圖2所示。

可以看出，夯點(diǎn)處累計(jì)沉降量隨著夯擊次數(shù)的增加而增加，夯擊第8次后平均累計(jì)沉降量增量已小于1 cm(相比第7次累計(jì)沉降量)，因此以8次為累計(jì)沉降量拐點(diǎn)，開(kāi)展夯擊次數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系研究。

圖2 高擋夯擊次數(shù)與累計(jì)沉降的關(guān)系

3．2．2 夯擊次數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系

在同一工作面上另取14個(gè)夯點(diǎn)，兩兩一組，共7組，分別夯擊6～12次，夯擊結(jié)束后用灌水法測(cè)定壓實(shí)度，結(jié)果如表2及圖3所示。

表2 高擋夯擊次數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系

圖3 高擋夯擊次數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系曲線(xiàn)

從表2和圖3可以看出，在原壓實(shí)度為94.6%的情況下，經(jīng)過(guò)輕型夯補(bǔ)強(qiáng)施工，壓實(shí)度提高至少2%;輕型夯追加密實(shí)作用明顯，能夠提高涵背路基的壓實(shí)度，減少路基沉降引起的橋頭跳車(chē)病害。

同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，夯擊7次與夯擊6次的壓實(shí)度變化幅度將近1%，而夯擊8、9、10、11、12次壓實(shí)度基本維持在97%～98%范圍內(nèi)，增加的幅度較小，可初步判斷7次為最高夯擊能量作用的最佳夯實(shí)次數(shù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，夯擊10、11、12次后夯點(diǎn)周?chē)行》秶乇砺∑穑f(shuō)明該夯點(diǎn)的土體豎向擠壓接近極限。

因此，綜合判斷該能量下的最佳夯擊次數(shù)為7次，夯擊7次后，原壓實(shí)度為94.6%的路基能補(bǔ)強(qiáng)增加到97%～98%，滿(mǎn)足施工質(zhì)量要求，同時(shí)也符合施工的經(jīng)濟(jì)性。

3．2．3 沉降量與壓實(shí)度的關(guān)系

匯總每個(gè)夯點(diǎn)沉降量與壓實(shí)度數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3及圖4所示。

表3 高擋累計(jì)沉降量與壓實(shí)度的關(guān)系

圖4 高擋累計(jì)沉降量與壓實(shí)度的關(guān)系

可以看出，當(dāng)累計(jì)沉降量達(dá)到14 cm左右，壓實(shí)度能保證在97%以上。一般采用高擋壓實(shí)7次就能使沉降量達(dá)到14 cm以上，因此，推薦原路基壓實(shí)度在94%時(shí)采用高擋壓實(shí)7次。

4 壓實(shí)度沿深度的變化

檢測(cè)高擋7次夯擊后路基的壓實(shí)度。分層填筑(松鋪40 cm)，分層碾壓(18 t壓路機(jī)振動(dòng)碾壓6遍)，填筑5層(碾壓結(jié)束后預(yù)計(jì)填筑高度達(dá)1．5～1．8 m)，填筑結(jié)束后采用輕型夯高擋夯實(shí)7次，取2個(gè)夯點(diǎn)。夯實(shí)結(jié)束后，清除夯點(diǎn)表面的浮土，檢測(cè)夯點(diǎn)處的壓實(shí)度，采用鉤機(jī)及人工輔助開(kāi)挖的方式沿夯點(diǎn)豎向開(kāi)挖至50 cm，檢測(cè)壓實(shí)度，再行開(kāi)挖至1.0 m處檢測(cè)壓實(shí)度。分析壓實(shí)度沿深度的變化情況。

填高1．2 m后取4個(gè)夯點(diǎn)，采用高擋夯實(shí)7次，夯實(shí)結(jié)束后，清除表面松散土，每個(gè)夯點(diǎn)沿深度方向每開(kāi)挖50 cm(鉤機(jī)開(kāi)挖并輔以人工開(kāi)挖控制)檢測(cè)一次壓實(shí)度，取平均值。結(jié)果如圖5及表4所示。

圖5 壓實(shí)度沿深度檢測(cè)位置及結(jié)果

表4 開(kāi)挖后壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果 %

可以看出:清除表層20 cm的松土后進(jìn)行第1次檢測(cè)，4個(gè)夯點(diǎn)的平均壓實(shí)度為97.5%，比碾壓前增加3%，夯實(shí)效果明顯;第1次開(kāi)挖50 cm后(相當(dāng)于開(kāi)挖了70 cm)，4個(gè)夯點(diǎn)的壓實(shí)度平均值為96.7%，即70 cm深度范圍內(nèi)夯實(shí)效果明顯，壓實(shí)度提高了2%;第2次開(kāi)挖50 cm(相當(dāng)于開(kāi)挖了120 cm)，此時(shí)4個(gè)夯點(diǎn)壓實(shí)度平均值為94.8%，幾乎與壓路機(jī)碾壓后的結(jié)果相同(94.6%)。綜合以判斷，在高擋能量的影響深度范圍內(nèi)(≥1.5 m)，路基1 m深度內(nèi)壓實(shí)度增加明顯，提高2%～3%，至此可確定輕型夯的最經(jīng)濟(jì)夯實(shí)厚度為1.0 m，即每填高1 m后采用輕型夯夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)能保證該深度范圍的壓實(shí)度滿(mǎn)足質(zhì)量要求。

5 夯點(diǎn)布置方式與壓實(shí)度的關(guān)系

檢測(cè)振動(dòng)碾壓結(jié)束后的原狀壓實(shí)度;選取7個(gè)夯點(diǎn)，分為緊密布置及等邊三角形布置2種情形(圖6)，采用輕型夯高擋依次對(duì)夯點(diǎn)進(jìn)行7次夯實(shí);對(duì)7個(gè)夯點(diǎn)依次進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，其中等邊三角形情形增加夯點(diǎn)中間的路基壓實(shí)度檢測(cè);分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表5。

圖6 夯點(diǎn)布置

表5 夯點(diǎn)布置方式不同的壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果 %

從壓實(shí)度的檢測(cè)結(jié)果可以看出，輕型夯夯擊之后，緊密型夯點(diǎn)布置方式只有最后1個(gè)夯點(diǎn)壓實(shí)度滿(mǎn)足質(zhì)量要求，其他3個(gè)夯點(diǎn)壓實(shí)度相比原狀壓實(shí)度有所降低。主要原因是:高擋夯擊能量作用下，夯擊作用對(duì)鄰近的路基有擾動(dòng)，特別在淺層擾動(dòng)明顯(壓實(shí)度檢測(cè)也是淺層壓實(shí)度檢測(cè))，深層擾動(dòng)因時(shí)間關(guān)系未進(jìn)一步研究。采用三角形布置方式，各夯點(diǎn)壓實(shí)度較原狀壓實(shí)度均提高了2%以上，只是夯點(diǎn)中間的路基壓實(shí)度有所減小，但減小的幅度較小，與原狀壓實(shí)度較為接近，即夯擊對(duì)其擾動(dòng)影響較小。綜合分析得出，采用等邊三角形的方式布置夯點(diǎn)最佳，夯點(diǎn)間距為輕型夯底座半徑，不建議采用緊密型布置方式。

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)路基碾壓結(jié)束后(碾壓后的壓實(shí)度為94.6%)，輕型夯采用高擋夯擊7次后累積沉降量達(dá)到14 cm左右，此時(shí)壓實(shí)度能保證在97%以上，達(dá)到以沉降量控制施工質(zhì)量的目的。

采用輕型夯高擋夯擊7次的工藝，可以保證路基1 m深度內(nèi)的壓實(shí)度提高2%～3%，滿(mǎn)足施工質(zhì)量要求;輕型夯的最經(jīng)濟(jì)夯實(shí)厚度為1．0 m，每填高1 m后采用輕型夯夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)能保證該深度范圍的壓實(shí)質(zhì)量。

采用等邊三角形的方式布置夯點(diǎn)最佳，夯點(diǎn)間距為輕型夯底座半徑，此時(shí)夯點(diǎn)處的壓實(shí)度均能滿(mǎn)足要求，同時(shí)夯擊對(duì)夯點(diǎn)間的路基擾動(dòng)較小。

［1］ 劉 莉．采用液壓夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)高速公路臺(tái)背路基施工參數(shù)的試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2009(6):84-87．

［2］ 周 杰．淺談高速公路橋頭跳車(chē)的成因及防治［J］．公路交通科技，2010(Z1):100-103．

［3］ 張燕飛．快速液壓夯實(shí)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2013．

［4］ 張秋香，譚玉榮，鄭朝輝，等．弱碾壓區(qū)沖壓補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)與液壓夯實(shí)機(jī)［J］．建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2014(7):90-92．

［5］ 王良發(fā)，卿海園，蔣 為．HHT-3連續(xù)式強(qiáng)夯機(jī)在公路三背回填施工中的應(yīng)用［J］．西部交通科技，2014(7):95-98．

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［7］ 張 成．1 t快速液壓夯實(shí)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元分析及液壓系統(tǒng)仿真［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2013．

［8］ 李 仁．高速液壓強(qiáng)夯機(jī)在“三背”回填施工中的應(yīng)用［J］．科技與企業(yè)，2015(9):118．

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［11］ 張伍民，翟衛(wèi)軍．承德市徑流分析［J］．河北水利，2008(1):5-8．

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［16］ 程 翀．三背填土施工質(zhì)量的控制探討［J］．科學(xué)之友，2009(11):52-53．

Rapid Hydraulic Tamping Technology for Subgrade at Special Location of Abutment and Culvert

SI Gui-mao，ZHAO Jian-cheng，SHAO Xian-tian ，CHEN Zhe，ZHANG Qi-long
(Key Laboratory for Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

In order to solve the problem of bump at the bridge-head，the relationship between the settlement of the backfill at the back of the abutment and culvert side，degree of compaction and the times of tamping，the relationship between the degree of compaction and the depth of subgrade，and the relationship between the degree of compaction and the arrangement of tamping points，were studied based on the field test conducted on the construction site of Zhangjiakou-Chengde expressway．The optimum construction parameters of the light hydraulic tamping machine were determined，and the test steps were provided for the reinforcement of backfill subgrade，which provides the basis for determining the optimum construction parameters for the relevant engineering practice and field test．

bump at bridge-head;degree of compaction;depth of subgrade;settlement of subgrade

U443．21

B

1000-033X(2017)09-0089-04

0 引 言

在高速公路的路基回填夯實(shí)中，分層碾壓過(guò)多會(huì)使路面的工后沉降較大及路基承載力不足，甚至導(dǎo)致路堤邊坡失穩(wěn);特別是在路基工程施工中的某些特殊地段，如橋臺(tái)背路基，由于施工條件和夯實(shí)設(shè)備的限制，導(dǎo)致回填土難以壓實(shí)，達(dá)不到施工要求的壓實(shí)度，從而造成公路運(yùn)行后出現(xiàn)橋頭跳車(chē)、路面破損、沉降較大等各種現(xiàn)象［1］。輕型液壓夯實(shí)機(jī)的出現(xiàn)為解決這些工程問(wèn)題提供了設(shè)備保障，并且可以對(duì)不同作業(yè)位置進(jìn)行夯實(shí)，對(duì)作業(yè)面進(jìn)行單點(diǎn)或連續(xù)夯實(shí)，特別適于作業(yè)面狹窄的工地使用［2-6］。

本文依托張承高速公路，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究公路橋背涵側(cè)回填路基沉降量、壓實(shí)度與夯擊次數(shù)的關(guān)系，壓實(shí)度與路基深度的關(guān)系，以及壓實(shí)度與夯點(diǎn)布置方式的關(guān)系，從而確定輕型液壓夯實(shí)機(jī)與施工工藝的合理匹配，使公路橋背涵側(cè)回填壓實(shí)度和沉降量達(dá)到最佳，以解決公路修筑后出現(xiàn)的橋頭跳車(chē)現(xiàn)象，保證公路的實(shí)用性和安全性。

2017-03-10

河北省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(Y-2014052)

司癸卯(1963-)，男，安徽望江人，工學(xué)博士，副教授，研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械機(jī)電一體化。

［責(zé)任編輯:杜衛(wèi)華］