高速公路橋涵臺(tái)背專項(xiàng)處理應(yīng)用高速液壓夯實(shí)

敖卓鐸

1 工程概況

廣梧高速河口—平臺(tái)段，河口—雙鳳段是國(guó)家重點(diǎn)公路規(guī)劃第18橫向路線廣東省廣州至云南昆明的一段。起點(diǎn)位于云浮市云城區(qū)河口鎮(zhèn)，接廣梧一期高速公路，終點(diǎn)與蒼郁高速公路相連，全長(zhǎng)98.49 km。該項(xiàng)目全線分河口—雙鳳段、雙鳳—平臺(tái)段，其中雙鳳—平臺(tái)段被列入交通部、廣東省聯(lián)合勘察設(shè)計(jì)典型示范項(xiàng)目，以及廣東省交通廳首批科技示范工程。我省建成的高速公路大部分橋涵臺(tái)背均出現(xiàn)不同程度工后沉降，從而導(dǎo)致“跳車”現(xiàn)象，滿足不了行車安全、舒適、暢通等要求。本項(xiàng)目盡量減少橋涵臺(tái)背的工后沉降，確保行車安全、舒適，但本項(xiàng)目沿線缺乏透水性填料和水密法用的水源，要想達(dá)到上述要求比較困難。廣梧高速公路有限公司委托廣東恒建高速公路發(fā)展有限公司利用該公司擁有的高速液壓夯實(shí)技術(shù)，結(jié)合沿線透水性不良的填料，利用高速液壓夯實(shí)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的作用機(jī)理、施工工藝以及質(zhì)量檢測(cè)方法展開試驗(yàn)研究。

2 目的與方法

2.1 目的

廣梧高速公路沿線缺乏透水性填料，臺(tái)背涵側(cè)采用非透水性填料(粉土質(zhì)砂)進(jìn)行填筑，由于振動(dòng)壓路機(jī)在臺(tái)背附近部分路基不能振動(dòng)碾壓，使其壓實(shí)度不易滿足要求，故而通過高速液壓夯實(shí)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以達(dá)到臺(tái)背涵側(cè)路基的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。而采用夯實(shí)機(jī)對(duì)不同填料進(jìn)行夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，應(yīng)用不同夯實(shí)工藝。本次試驗(yàn)主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)典型填料圍繞高速液壓夯實(shí)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的作用機(jī)理、施工工藝以及質(zhì)量檢測(cè)方法展開。主要研究如下內(nèi)容:

1)明確地基基底承載力要求和試驗(yàn)填料特性;2)分析夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)效果，確定相應(yīng)試驗(yàn)填料的夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)施工工藝;3)形成臺(tái)背涵側(cè)路基施工工藝和質(zhì)量檢測(cè)方法的建議。

2.2 高速液壓夯實(shí)機(jī)

液壓高速夯實(shí)機(jī)為機(jī)—電—液壓一體化產(chǎn)品，由夯錘、夯架、夯腳、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、電器系統(tǒng)等組成。夯架采用可相對(duì)移動(dòng)的雙層嵌套式結(jié)構(gòu)及帶緩沖墊的夯腳，可懸掛在挖掘機(jī)、裝載機(jī)等機(jī)體上，由承載設(shè)備提供液壓動(dòng)力。其工作原理是:用液壓缸將夯錘提升至一定高度后釋放，夯錘在重力和液壓力的作用下快速下落，打擊靜壓在地面上帶緩沖墊的夯腳，再通過夯腳夯擊地面，并在液壓缸的作用下實(shí)現(xiàn)快速的上下往復(fù)動(dòng)作。

3 試驗(yàn)情況

3.1 填料土性試驗(yàn)

取試驗(yàn)段典型填料50 kg進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，包括液塑限、顆粒級(jí)配分析、擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)等，以掌握填料的性狀。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)夯實(shí)試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)段區(qū)段劃分

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，試驗(yàn)工點(diǎn)選擇在廣梧高速公路K63+913通道橋1號(hào)臺(tái)臺(tái)背路基，路基填筑高度4 m。

試驗(yàn)工點(diǎn)按照補(bǔ)強(qiáng)路基高度劃分為3個(gè)區(qū)段，即2.4 m，3.0 m和3.4 m，每個(gè)區(qū)段長(zhǎng)度分別為9 m，并在每個(gè)區(qū)段進(jìn)行兩種夯實(shí)勢(shì)能的試驗(yàn)，即二檔和三檔。

3.2.2 傳感器布置與測(cè)試方法

1)夯實(shí)前傳感器的埋設(shè)及測(cè)試。試驗(yàn)前，對(duì)應(yīng)3個(gè)區(qū)段基底進(jìn)行基本承載力測(cè)試。

試驗(yàn)段先通過壓路機(jī)進(jìn)行正常碾壓填筑，然后采用夯實(shí)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。在壓路機(jī)逐層碾壓過程中進(jìn)行傳感器埋設(shè)和土的物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試，埋設(shè)傳感器包括動(dòng)態(tài)土壓力盒和裝配式沉降板，測(cè)試夯實(shí)過程中在豎向方向的動(dòng)應(yīng)力傳遞和對(duì)橋臺(tái)的側(cè)向動(dòng)應(yīng)力。物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試包括含水量和密度，以得到夯實(shí)前不同深度處的壓實(shí)度。由于K63+913通道橋橋臺(tái)為懸臂式，其夯實(shí)機(jī)夯實(shí)過程中對(duì)橋臺(tái)混凝土產(chǎn)生受拉的位置位于橋臺(tái)底部外側(cè)，因而外側(cè)底部混凝土面粘貼應(yīng)變片。

路基通過壓路機(jī)正常壓實(shí)達(dá)到試驗(yàn)高度后(3個(gè)臺(tái)階高度分別為2.4 m，3.0 m，3.4 m)，采用輕型動(dòng)力觸探測(cè)試基本承載力，每個(gè)區(qū)段測(cè)試2點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)段均勻分布，得到夯實(shí)前不同深度處的基本承載力，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)避免重復(fù)，同時(shí)避開傳感器埋設(shè)位置。

2)夯實(shí)過程的測(cè)試。在夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)過程中，進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力、沉降變形、臺(tái)背混凝土應(yīng)變和基本承載力測(cè)試。二檔區(qū)每夯實(shí)4次后測(cè)試變形和基本承載力各1次，三檔區(qū)每夯實(shí)3次后測(cè)試變形和基本承載力各1次，每個(gè)區(qū)段基本承載力測(cè)試布置2點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)不重復(fù)。同時(shí)，每次夯實(shí)時(shí)均進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力和混凝土應(yīng)變測(cè)試。

3)補(bǔ)強(qiáng)后開挖測(cè)試。夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)束后，每個(gè)區(qū)段先進(jìn)行輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，從側(cè)面向工點(diǎn)中部進(jìn)行垂直開挖，測(cè)試不同深度處的密度和含水量。

3.3 施工工藝

1)路基填筑前，對(duì)基底范圍內(nèi)的地表雜土、樹根等進(jìn)行清除，對(duì)基底整平壓實(shí)，壓實(shí)度不小于90%。同時(shí)，對(duì)基底基本承載力進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于基底承載力低于150 kPa的位置需要進(jìn)行加強(qiáng)。2)現(xiàn)場(chǎng)填料與試驗(yàn)選用的填料一致。3)臺(tái)背填筑范圍，橋臺(tái)臺(tái)背填土長(zhǎng)度不應(yīng)小于臺(tái)高的3倍～4倍。4)使用機(jī)械，在橋臺(tái)周圍1 m以外使用18 t以上壓路機(jī)分層填筑，分層填筑的每層壓實(shí)厚度不大于25 cm，振動(dòng)碾壓(不少于8遍)。1 m范圍內(nèi)進(jìn)行靜壓(不少于8遍)。5)壓實(shí)不同路基高度后，采用夯實(shí)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，夯實(shí)過程中進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。安全施工距離是從夯實(shí)作業(yè)中點(diǎn)到臺(tái)背的距離，已有臺(tái)背夯實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明，該距離為60 cm，夯實(shí)機(jī)夯錘半徑為50 cm，即夯錘與臺(tái)背的最小距離為10cm。夯錘布點(diǎn)方式采用梅花樁式，錘心與錘心相距150 cm，兩個(gè)作業(yè)點(diǎn)邊距為50 cm。6)夯實(shí)結(jié)束后進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。夯實(shí)后路基基底承載力應(yīng)達(dá)到180 kPa以上。

3.4 試驗(yàn)結(jié)論

1)臺(tái)背涵側(cè)路基采用夯實(shí)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，能提高路基壓實(shí)度，減小路基沉降，臺(tái)背混凝土拉應(yīng)變遠(yuǎn)小于其限值，是一種有效的補(bǔ)強(qiáng)方法，試驗(yàn)提出的施工工藝是較為合理的，采用的填料是可行的。2)夯實(shí)機(jī)工作時(shí)對(duì)路基產(chǎn)生的最大動(dòng)應(yīng)力受夯實(shí)勢(shì)能、夯實(shí)路基高度和路基模量等因素影響，而夯實(shí)勢(shì)能是主要影響因素。夯實(shí)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力隨夯實(shí)次數(shù)的增加而增大，隨夯實(shí)路基高度增加略有增大，隨夯實(shí)勢(shì)能的增大而增大，一檔、二檔和三檔夯實(shí)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致。3)夯實(shí)機(jī)產(chǎn)生的豎向動(dòng)應(yīng)力隨深度增加而迅速減小，應(yīng)力主要影響深度在2.0 m～2.5 m。夯實(shí)機(jī)在2.5 m深度處的影響寬度約為1.5 m。4)路基相同深度處壓路機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力約為夯實(shí)機(jī)的16.0%～20.0%，小型打夯機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力約為夯實(shí)機(jī)的3.1%～3.9%。5)路基夯實(shí)后承載力增大主要在2.5 m范圍內(nèi)，二檔和三檔區(qū)在2.5 m范圍內(nèi)的平均基本承載力分別約增大20 kPa和 30 kPa，夯實(shí)路基越高，基本承載力增大越小。6)路基沉降量隨夯實(shí)次數(shù)增大而增大，其增長(zhǎng)率隨次數(shù)而減小，沉降量隨深度逐漸減小;變形量主要發(fā)生在1.5 m范圍內(nèi)。7)路基面壓實(shí)度隨夯實(shí)次數(shù)增加而增大，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ三區(qū)路基在二檔和三檔分別作用16次和12次后壓實(shí)度增大2.4%，1.9%，2.1%和3.5%，2.7%，2.5%。壓實(shí)度沿深度變化主要發(fā)生在2 m左右的范圍內(nèi)。8)夯實(shí)機(jī)夯實(shí)時(shí)，臺(tái)背混凝土主要發(fā)生彈性變形，最大應(yīng)變隨夯實(shí)次數(shù)略有增大，均不超過10 μ ε。

3.5 試驗(yàn)建議

1)從本次試驗(yàn)路基沿深度方向的豎向應(yīng)力、基本承載力、沉降量及壓實(shí)度等方面的變化可知，夯實(shí)機(jī)在本工點(diǎn)路基的影響深度范圍為2.5 m，建議路基夯實(shí)高度取2.5 m以內(nèi)。2)建議臺(tái)背路基夯實(shí)工藝采用二檔12錘或三檔9錘，夯錘布點(diǎn)方式采用梅花樁式，兩錘心相距1.5 m，夯錘與臺(tái)背的最小距離為0.1 m。3)建議采用輕型動(dòng)力觸探儀檢測(cè)夯實(shí)效果，碾壓路基夯實(shí)后基本承載力平均值應(yīng)提高20 kPa，本工點(diǎn)碾壓路基夯實(shí)后基本承載力應(yīng)達(dá)到180 kPa。4)針對(duì)本試驗(yàn)工點(diǎn)采用的粉土質(zhì)砂為臺(tái)背路基填料，盡管其壓實(shí)性能滿足要求，為確保其水穩(wěn)定性，建議試驗(yàn)工點(diǎn)臺(tái)背路基夯實(shí)填筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高-20 cm后，填筑20 cm厚碎石(自然級(jí)配，最大粒徑不大于5 cm)，且中間夾鋪一層土工布，以增強(qiáng)路基防排水能力。

4 項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效果和社會(huì)效果

本項(xiàng)目的推廣可以解決山區(qū)高速公路施工中在缺乏透水性良好的回填料和水源情況下，利用高速液壓夯實(shí)機(jī)作用機(jī)理優(yōu)點(diǎn)，把公路沿線符合要求的土源利用好，加快建設(shè)進(jìn)度，縮短工期，節(jié)約造價(jià)近60%(回填中粗砂水密法與填土夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益比較)，有著明顯的社會(huì)效益。

5 技術(shù)應(yīng)用

通過本次對(duì)第7合同段K63+913通道橋1號(hào)臺(tái)臺(tái)背用粉土質(zhì)砂回填，利用高速液壓夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)加做一層碎石防水層，既能達(dá)到規(guī)范要求的壓實(shí)度和水穩(wěn)定性，又能加速工后沉降，使橋臺(tái)在營(yíng)運(yùn)中達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，減少“跳車”現(xiàn)象，確保行車安全和舒適，同時(shí)能利用沿線充足的土源，降低成本、節(jié)約造價(jià)。綜上所述，廣梧高速公路河口—平臺(tái)段第10合同段～第18合同段在拱涵涵背前后10 m及擋土墻墻背5 m內(nèi)均廣泛利用高速液壓夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)處理。