石質(zhì)高填方管型通道跟蹤試驗(yàn)

刁凱

摘要 預(yù)制裝配式管道施工具有周期短、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，適合開(kāi)展大范圍的推廣。由于土體與結(jié)構(gòu)耦合作用的復(fù)雜性，目前缺乏對(duì)計(jì)算方法的深度研究，需要開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究，為理論計(jì)算奠定基礎(chǔ)。依托山區(qū)石質(zhì)高填方通道建設(shè)項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)通道填土壓力試驗(yàn)監(jiān)測(cè)、通道沉降變形試驗(yàn)監(jiān)測(cè)及通道力學(xué)性能試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的結(jié)果開(kāi)展分析，明確石質(zhì)高填方施工對(duì)通道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，為管型通道性能保障以及計(jì)算分析提供支撐。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于高填方管型通道采用石質(zhì)土進(jìn)行逐層回填的施工方法，對(duì)于通道的沉降影響較小，回填的土體不僅作為荷載，也作為承載與結(jié)構(gòu)相互作用，使通道在高填方回填下承受的土壓力仍在可接受范圍內(nèi)，預(yù)制通道的各構(gòu)件相對(duì)位置穩(wěn)定，受力可控。

關(guān)鍵詞 管型通道；石質(zhì)高填方；填土壓力；通道變形；通道應(yīng)力

中圖分類(lèi)號(hào) U449.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）10-0060-03

0 引言

小跨徑的通道是公路工程中常用的結(jié)構(gòu)型式，具有覆蓋面廣和體量大的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)表明，采用預(yù)制裝配式管道可以縮短高速公路的建設(shè)周期，提高高速公路的路基質(zhì)量，延長(zhǎng)高速公路的使用壽命，降低投資成本，綠色環(huán)保效益好，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著。

鑒于裝配式通道巨大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，適合開(kāi)展大范圍的推廣，在這個(gè)過(guò)程中面臨其他類(lèi)型的地質(zhì)條件以及力學(xué)性能需求。早期地下工程建設(shè)完全依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，十九世紀(jì)初期才逐漸形成地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論并開(kāi)始用于指導(dǎo)地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工。二十世紀(jì)中期，電子計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展推動(dòng)了巖土力學(xué)和工程結(jié)構(gòu)等學(xué)科的研究。結(jié)構(gòu)與土體相互作用的界面應(yīng)是一個(gè)廣義的相互作用影響，而非絕對(duì)地僅限于兩者的相互接觸界面[1]。考慮地層與結(jié)構(gòu)的相互作用，地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論有了更大的發(fā)展，在一定覆土厚度下，結(jié)構(gòu)與土體協(xié)同變形和受力，因而需要考慮土層對(duì)涵洞結(jié)構(gòu)的彈性抗力特性[2]。我國(guó)目前的《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》中，沒(méi)有考慮土體對(duì)結(jié)構(gòu)的抗力效應(yīng)[3]，將填方簡(jiǎn)單地視為荷載，會(huì)帶來(lái)造價(jià)成本的增加。目前對(duì)填方與結(jié)構(gòu)相互作用的試驗(yàn)研究較少[4]。為探明通道與土體相互作用產(chǎn)生的壓力變化、位移沉降和應(yīng)力情況，以蕪黃高速公路某石質(zhì)高填方通道為依托，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)跟蹤試驗(yàn)，相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)為通道合理設(shè)計(jì)提供支撐。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

該項(xiàng)目以蕪黃高速公路為依托，開(kāi)展山區(qū)石質(zhì)高填方填筑過(guò)程的通道性能跟蹤測(cè)試，關(guān)聯(lián)填筑過(guò)程填料的變化及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，對(duì)相關(guān)理論研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。

該試驗(yàn)采用GTⅢ-3×2.5管型涵洞，其標(biāo)準(zhǔn)寬Bk=3.0 m，標(biāo)準(zhǔn)高Hk=2.5 m，凈通行面積為11.463 1 m2，見(jiàn)圖1。

2 試驗(yàn)方案

2.1 通道變形測(cè)試

共采用7個(gè)位移傳感器檢測(cè)相對(duì)畸變，兩個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)絕對(duì)沉降，見(jiàn)圖2。

在涵洞內(nèi)部設(shè)置腳手架，支撐點(diǎn)為位移計(jì)提供平臺(tái)。

2.2 通道應(yīng)變測(cè)試

采用20個(gè)應(yīng)變傳感器，分別位于管中和管邊截面，監(jiān)測(cè)混凝土應(yīng)變；采用4個(gè)跨鉸縫應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)管中和管邊截面接縫張開(kāi)量。

2.3 土體測(cè)試

挑選距出水口27 m和24 m的第十節(jié)和第九節(jié)管道，分別布置21個(gè)、11個(gè)土壓力盒，見(jiàn)圖3。

3 總體施工流程

總體施工工藝：通道預(yù)制——墊層施工——通道安裝——回填土施工——道路施工。詳細(xì)施工工況，見(jiàn)表1。

其中，墊層施工開(kāi)挖后，在通道兩端地板下方各放置三個(gè)壓力盒，Y-1～Y-3、Y22～Y24，用作采集初讀數(shù)。回填土施工分為水穩(wěn)回填施工、碎石回填施工、土方回填施工以及96區(qū)碎石回填施工。此外，試驗(yàn)持續(xù)到運(yùn)營(yíng)階段2個(gè)月，每10 d測(cè)試一次。

4 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

該節(jié)中所有橫軸理解為時(shí)間軸，即工序的推進(jìn)從開(kāi)始施工到該測(cè)量階段回填壓實(shí)完成。

4.1 填土壓力試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)測(cè)試得出拱圈周?chē)晚敳客翂毫ψ兓?，由于測(cè)試數(shù)據(jù)較多，僅示出部分具有代表性質(zhì)的試驗(yàn)結(jié)果（后同），見(jiàn)圖4。

從圖中可以看出，處于兩節(jié)段底板處的土壓力值隨著工序的推進(jìn)大致呈線性關(guān)系，最終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。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，距出水口24 m處的第九節(jié)通道底板土壓力大于第十節(jié)通道的底板土壓力，特別是在后半段工序的時(shí)候，兩者差值越來(lái)越大。相差如此巨大的原因考慮可能為施工過(guò)程中壓實(shí)度的不同。同樣，處于兩通道最頂層的土壓力也是第九節(jié)的大，Y-32比對(duì)應(yīng)的Y-20大130 kPa。

通過(guò)對(duì)單節(jié)通道的各層壓力對(duì)比分析，還發(fā)現(xiàn)，在回填至上層即Y-16～Y-21處時(shí)，通道左側(cè)Y-16和Y-19均為各層壓力中間值，而且也大致為其所處層的壓力平均值。

4.2 通道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.2.1 通道沉降

在水穩(wěn)回填及碎石回填階段以第一天左側(cè)三層右側(cè)一層水穩(wěn)回填壓實(shí)完畢為初始測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)得通道沉降，總體規(guī)律表明，水穩(wěn)回填前期數(shù)據(jù)有波動(dòng)，在第五層水穩(wěn)回填并壓實(shí)完畢后棱鏡4測(cè)得的沉降值達(dá)到0.06 m，棱鏡7測(cè)得沉降值達(dá)到0.036 m，考慮為測(cè)量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。棱鏡2在第七層水穩(wěn)回填完畢后測(cè)得的沉降值為0.033 m。但隨著工況繼續(xù)推進(jìn)，各點(diǎn)的沉降值變小，總體觀看呈水平分布。

以第一層土方回填壓實(shí)完成后的高度作為起始高度。測(cè)出土方回填及96區(qū)第一層碎石回填階段沉降值，見(jiàn)圖5。

從圖中可以直觀地看出，最初隨著回填層數(shù)的增加，通道沉降范圍并不大，雖有起伏，但基本以沉降值0 m作為水平軸上下波動(dòng)。但第十六層土方回填后，沉降變大，最終棱鏡4和6測(cè)得沉降值為0.007 m，棱鏡1、2和7測(cè)得沉降值在0.015 m附近。

4.2.2 通道結(jié)構(gòu)變形

該次試驗(yàn)從第一層土方回填開(kāi)始監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)，總體規(guī)律表明，各層土方回填完畢后，相對(duì)位移變化不大，基本都在0.5 mm左右波動(dòng)。測(cè)量過(guò)程中有數(shù)據(jù)集體突增的情況，在2～6 mm范圍，后趨于穩(wěn)定，總體變幅較小。

4.2.3 通道接縫變形

該次測(cè)試中，對(duì)管邊以及管中兩個(gè)截面開(kāi)展了頂板與側(cè)墻接縫的測(cè)試工作，對(duì)接縫的張開(kāi)及壓縮變形進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)價(jià)通道本身的穩(wěn)定性。通過(guò)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪出接縫變形圖。

（1）管邊截面接縫變形，見(jiàn)圖6。

從圖中可以看出，前期接縫在拉、壓狀態(tài)中轉(zhuǎn)變，隨著填土厚度的進(jìn)一步增加，接縫逐漸轉(zhuǎn)向受壓，基本呈線性發(fā)展。左側(cè)與右側(cè)變形存在一定不均勻性，左側(cè)最終壓縮0.012 mm，右側(cè)后期應(yīng)變計(jì)失效，未能采集有效數(shù)據(jù)，在第十二層壓實(shí)完成時(shí)，壓縮量為0.016 mm?？傮w而言，右側(cè)較左側(cè)壓縮量大。

（2）分析管中截面接縫變形，發(fā)現(xiàn)管中與管邊截面變形趨勢(shì)一致，即前期接縫在拉、壓狀態(tài)中轉(zhuǎn)變，隨著填土厚度的進(jìn)一步增加，接縫逐漸轉(zhuǎn)向受壓，基本呈線性發(fā)展。

管道左側(cè)與右側(cè)變形存在一定不均勻性，左側(cè)最終壓縮0.012 mm，右側(cè)未能捕捉有效數(shù)據(jù)，后期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明最終壓縮量為0.001 mm。該次監(jiān)測(cè)中，管中與管邊壓縮趨勢(shì)相反、壓縮量也存在較大的不均勻性。

4.3 通道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

該次試驗(yàn)對(duì)管型通道邊緣以及中央截面進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試。結(jié)果表明，管邊截面、管中截面的應(yīng)力隨著工序的推進(jìn)而呈近似線性的增長(zhǎng)，到施工后期，應(yīng)力降低后趨于穩(wěn)定，變化波動(dòng)較小。最終拉壓應(yīng)變維持在±100 με附近。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)管型通道開(kāi)展填土壓力試驗(yàn)監(jiān)測(cè)、通道沉降變形試驗(yàn)監(jiān)測(cè)及通道力學(xué)性能試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，明確高填方通道結(jié)構(gòu)施工對(duì)通道的影響，主要結(jié)論如下：

（1）土壓力變化規(guī)律。隨著填方高度的逐步增大，土壓力值基本呈線性上升趨勢(shì)。每層土壓力基本相近，但不同層高土壓力值相差較大?！肮靶巍眳^(qū)域土壓力較為接近，表明土體結(jié)構(gòu)存在明顯土拱效應(yīng)。

（2）通道沉降及變形變化規(guī)律。前期回填基本無(wú)沉降，當(dāng)回填高度達(dá)12 m，沉降逐漸增加，由于地基條件較好，最終沉降量較小。此外，對(duì)通道變形的監(jiān)測(cè)表明，通道變形較小，各組件的相對(duì)位移在0.5 mm波動(dòng)；左右側(cè)接縫變形略有差異，但整體變化幅度不大，通道自身在回填過(guò)程中保持穩(wěn)定。

（3）通道力學(xué)性能規(guī)律。隨著填土厚度增加，通道中管邊和管中的應(yīng)變值整體上也在穩(wěn)步上升，最終變化幅度逐漸減小，趨于穩(wěn)定，表明土體承擔(dān)荷載比例逐漸增加。

試驗(yàn)結(jié)果反映了通道結(jié)果與土體共同作用的復(fù)雜性，試驗(yàn)結(jié)論可以為石質(zhì)高填方管型通道的設(shè)計(jì)分析提供參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]廖雄華， 李錫夔. 關(guān)于土-結(jié)相互作用界面力學(xué)行為的數(shù)值模擬[J]. 計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)， 2002（4）： 450-455.

[2]侯鵬飛. 高填方公路涵洞施工力學(xué)響應(yīng)研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué)， 2022.

[3]吳淀杭. 山區(qū)公路高填土涵洞設(shè)計(jì)與加固要點(diǎn)分析[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)， 2022（24）： 101-103.

[4]魯瑞林， 張永興， 王桂林， 等. 山區(qū)高填涵頂垂直土壓力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及計(jì)算研究[J]. 西部探礦工程， 2006（12）： 71-72+74.