路桥过渡段填料中动荷载传递特性

2020-07-30谢永利刘毅鑫

建筑科学与工程学报 2020年4期

谢永利，刘毅鑫，王东

(1.长安大学公路学院，陕西西安 710064; 2.中交二公局东萌工程有限公司，陕西西安 710119)

0 引言

近年来，随着中国公路交通事业的蓬勃发展，对公路质量的要求逐渐提高，然而目前公路桥涵过渡段仍旧存在大量的桥台跳车现象。桥台跳车现象是由于路桥过渡段处于刚性桥台与柔性路堤的衔接处，桥台与路堤间刚度不同，两者之间产生的差异沉降而造成的，所以减少甚至消除路桥过渡段的不均匀沉降是当下公路工程亟需解决的工程问题。

大量学者对路桥过渡段不均匀沉降成因机理进行了研究[1-5]，其中蒋关鲁等[1]对路桥过渡段进行了三维数值模拟，指出在进行不同程度的地基处理后均存在不均匀沉降现象。涂仁盼等[2-3]利用由现场监测数据得出的对数模型研究了路桥过渡段沉降规律。陈虎[4]揭示了路桥过渡段沉降最大处服从指数衰减的函数关系。牛富俊等[5]通过现场勘测，指出坡向与过渡段沉降相关性最大。部分学者研究了解决此问题的处置方法，通过将Netlon土工网、土工格室柔性搭板、路基加筋处理、EPS轻质填料、复合地基等运用到工程实际中，很好地减弱了过渡段差异沉降产生的不利影响[6-14]。目前处理差异沉降问题多采用强夯法加固地基，强夯法施工是由法国的Menard公司首创的一种处理地基的方法[15]。许多研究工作者对强夯法加固机理和夯击参数等进行了研究，其中龚福初等[16-19]研究了各项夯击参数对于强夯有效加固效果的影响。Tarawneh等[20]采用液压夯技术处理沙漠地质公路，发现试验过后土体自身抗液化系数明显提高，处理土层厚度可达4～5 m，显著提高了地基承载力。Allouzi等[21]利用有限元模型模拟了液压夯处理砂土地基的过程，认为该地基经过30次夯击作用后，若继续夯击10次，地基仅获得1%的改善效果。

本文针对级配碎石填筑的路桥过渡段，结合土中测试元件，对压路机与液压夯施工时产生的动荷载进行实时监测，分析了振动荷载与冲击荷载下同一测试层中的应力分布特征，研究了振动荷载与冲击荷载沿竖直方向的传递规律。

1 测试方法

1.1 元件介绍

本次试验采用BX-7型电阻式压力盒(图1)，其具有灵敏度高、体积小、结构简单等特点，适用于路基、挡土墙、隧道等工程动、静态的测试。

图1 土压力盒安装

电阻应变片是电阻应变测试中将应变转换为电阻变化的传感元件。应变片测取应变的工作原理是基于金属丝的应变电阻效应，即金属丝的电阻R随其机械变形而变化的一种物理特性。设金属丝长度为L，横截面面积为F，电阻率为P，根据电阻公式(1)，电阻式压力盒将电阻应变片用一定特性黏结剂胶黏在受力膜上，当受力膜受力变形时，黏结在受力膜上的电阻应变片也随之变形，并产生相应的电阻变化，其表达式为

R=PL/F

(1)

ΔR/R=ΔL/L

(2)

式中：ΔR为电阻应变片的电阻变化；ΔL为弹性元件表面电阻应变片的长度变化。

1.2 设备参数

本次路桥过渡段现场监测试验使用的机械为压路机和液压夯，性能参数如表1，2所示，压路机往返过程中碾压宽度为2.17 m，整个桥背填料的碾压需分3次完成；液压夯锤锤脚的直径为1 m，夯击面积约为0.25π m2，锤击冲程可调，在0～1.2 m之间，最大冲击能为36 kJ。

表1 振动压路机性能参数

表2 液压夯性能参数

1.3 元件埋设

针对本次级配碎石填筑的路桥过渡段，采用分层埋设电阻式压力盒的方式(图2)，实时监测液压夯、压路机工作时的荷载值。本次试验选取桥背中间区域，为了研究填料深层处的荷载传递情况，共埋设3层测试元件，每层间距为45 cm，其中第1分层处上覆填料厚度为120 cm，填料顶面标高为0 cm，第1分层的标高为-120 cm，第2分层的标高为-165 cm，第3分层的标高为-210 cm。同一层压力盒按照梅花形分层布设，其间距为1.0 m，同一层中电阻式压力盒编号分别为Ⅰ～Ⅴ，具体布设方式如图3所示。在本文中出现的电阻式压力盒编号均以层数结合平面编号的形式表示，如1-Ⅳ号电阻式压力盒为第1分层土中Ⅳ号电阻式压力盒。同时为了下文清晰表达出荷载随深度变化的规律，将3层土之间相互对应的3个电阻式压力盒分为一组，本次试验共有5组，沿深度走向的每一组电阻式压力盒命名为第n路径，如1-Ⅰ号、2-Ⅰ号、3-Ⅰ号依次向下为第①路径，以此类推，其余4条路径皆以此方式进行组合。

图2 测试元件空间布设

图3 测试元件平面布设图

电阻式压力盒的埋设分为4个步骤(图3)：①精确定位，在填料碾压、夯击密实后，通过台背中心参照点，找出5个压力盒位置点；②埋设元件，在整平的填料表面，利用挖槽工具，在已标记好的压力盒位置点挖出直径为0.15 m、高为0.1 m的坑槽，在坑槽底部放上细料后整平，之后将略大于压力盒直径的铁片放在细料上方，最后将压力盒置于铁片上，利用水平泡将其调平，调平后用细砂覆盖住整个坑槽，并将每个压力盒标记好；③整理测线，压力盒接口处测线用2 m长的土工布将其围绕裹好，并使用绑扎带系好系牢，防止夯击时将其剪断，待压力盒埋设完毕后，挖出坑道，将测线沿坑道、台背、台耳依次顺延至桥台背面，并将其裹好以防雨水浸湿；④覆盖保护，最后一步使用细料将压力盒与坑道测线进行覆盖，并使用工具将细料填土整平压实，以达到保护作用。

2 填筑方法与材料

2.1 填筑方法

级配碎石填筑之前需使用挖掘机与整平机将台背底面整平，之后采用分层填筑结合分层碾压的方式对台背进行回填，按照标准施工章程，台背每15 cm填筑1次，共填筑3层，填筑到45 cm时，压路机先碾压密实，之后液压夯会进一步以15击数进行满夯，最后填筑下一层级配碎石填料。

2.2 填筑材料

本次路桥过渡段使用级配碎石填料，其级配如表3所示，台背碾压顺序为自台前向台后分层碾压，并严格控制分层厚度与密实度，锥坡填土与台背填土同时进行，并按照设计宽度一次填足。

表3 级配碎石的颗粒粒径范围

3 动荷载传递规律

3.1 振动荷载下同一测试层中的应力分布特征

由压路机施工示意图与压路机前进过程中(图4)第1分层平面振动荷载特征(图5)可知，1-Ⅰ号与1-Ⅳ号压力盒最先受到压路机振动碾压作用，实时监测到1-Ⅰ与1-Ⅳ号压力盒最先达到峰值荷载，分别为98.3，68.5 kPa，之后压路机碾压到1-Ⅴ号中心点压力盒上，峰值荷载达到68.5 kPa，最后受到压路机振动碾压的为1-Ⅱ与1-Ⅲ号压力盒，峰值荷载分别为65.2，109.6 kPa。

图4 压路机行进示意图

图5 压路机前进过程中振动荷载特征

压路机在前进过程中，5个压力盒在达到峰值点前的振动幅度均比达到峰值点后的振动幅度大，最先受到碾压振动作用的1-Ⅰ与1-Ⅳ号压力盒反映出的振动幅度特征最为明显，比其余3个压力盒反映出的这一规律都要显著。这说明压路机在靠近压力盒的过程中，振动荷载的振动幅度变化规律分为2个阶段：第一阶段为压路机在靠近压力盒的过程中，振动荷载的振动幅度不断增大，直至到达压力盒正上方时振动幅度达到最大值；第二阶段为压路机在远离压力盒的过程中，振动荷载的振动幅度不断衰减直至消散。

图6为压路机返回过程中第1分层平面振动荷载特征。由压路机施工示意图(图4)可知，在返回过程中1-Ⅱ与1-Ⅲ号压力盒最先受到压路机振动碾压作用，实时监测到1-Ⅱ与1-Ⅲ号压力盒最先达到峰值点，分别为67.3，110 kPa；紧接着压路机碾压到中心点处1-Ⅴ压力盒，峰值荷载达到71.4 kPa；1-Ⅰ号与1-Ⅳ号压力盒最后受到碾压，峰值荷载分别为98.1，59.5 kPa。

图6 压路机返回过程中振动荷载特征

压路机在返回过程中，荷载值达到峰值点前的振动幅度明显大于峰值点后的振动幅度，通过对比压路机往返过程的振动荷载响应特征(图5，6)可知，压路机在靠近压力盒的过程中，振动频率持续增大直至最大值，之后在远离压力盒的过程中，振动幅度逐渐衰减。压力盒经过压路机行进过程中的碾压作用后，返回过程中压力盒所测荷载值有小幅度的提高，如1-Ⅱ号土压力盒所测荷载值由65.2 kPa增长为67.3 kPa，可以发现，随着压路机碾压遍数的增多，桥背填土逐渐密实，同一平面中传递的振动荷载逐渐增大。此外，可以看出，填料在振动荷载作用下，同一填筑平面内5个测试元件测得的振动荷载存在差异性，其中Ⅰ号与Ⅳ号土压力盒测得的振动荷载的波形曲线较为一致，但Ⅱ号与Ⅲ号土压力盒测得的振动荷载波形曲线明显不同，这表明测试元件周围填料的密实度存在差异性，从而造成现场数据具有一定的离散性。加上压路机行进过程中若存在轻微偏移，也会导致每个测试元件测得的振动荷载具有差异性。

3.2 冲击荷载下同一测试层中的应力分布特征

本次试验为填料经过连续4次夯击作用后，监测同一水平层中各压力盒测得的应力情况。图7为液压夯夯击第1层级配碎石上覆填料中心区域时，第1层水平向5个压力盒测得的冲击荷载随夯击数持续增长的变化曲线。每次夯击作用前，测试元件测得的应力取为相对应力。随着夯击遍数的增加，填料同一深度处测得的相对应力均呈台阶状递增，这是由于夯击后填料体积减小，堆积密度变大导致的。液压夯第1击与第4击之间的相对应力增量由横向虚线间距表示(图7)，分别为13.43，4.83，24.94，10.78，27.21 kPa。由于夯击点位于上覆填料中心区域，1-Ⅴ号压力盒随击数增加产生的附加应力最大，最大值为图7(e)中所示的第4击，峰值荷载为257 kPa，其余压力盒测得的最大峰值荷载同样在第4击，1-Ⅰ到1-Ⅳ号测得的峰值荷载分别为87.5，92.1，242.8，75.2 kPa。当夯击点位于路径⑤正上方时，冲击荷载累计变化量达到最大，即第1击与第4击之间的冲击荷载差值最大，为65.5 kPa。

图7 冲击荷载下同一平面内应力分布特征

液压夯夯击周期为3.3 s，5个压力盒在同一时刻出现峰值，每组数据在同一时刻相互对应，由图7中竖向虚线表示。夯击产生的荷载值远大于压路机振动荷载值，1-Ⅴ压力盒上第1遍夯击荷载值与压路机前进过程测得振动荷载值相差123 kPa，说明液压夯对于填料的夯实效果远大于压路机振动碾压作用。

3.3 压路机振动荷载竖向传递规律

图8为压路机靠近桥台内侧碾压时，第1遍振动荷载竖向传递规律，可以发现，振动荷载由第1层传递到第2层时，其荷载衰减量明显大于第2层向第3层传递的荷载衰减量，第1层振动荷载传递到第2层处，Ⅰ号到Ⅴ号压力盒上荷载衰减量分别为50，38.2，72.3，34.4，22.91 kPa；第2层振动荷载传递到第3层处，Ⅰ号到Ⅴ号压力盒上荷载衰减量分别为29.8，2，16.3，9.9，39.88 kPa，可以得出，振动荷载衰减量随着深度递减，与附加应力沿深度消散规律一致。1-Ⅲ号压力盒上振动荷载传递到2-Ⅲ号压力盒上时，下降斜率为-1.61；2-Ⅲ号压力盒上振动荷载传递到3-Ⅲ号压力盒上时，下降斜率为-0.36。5条路径上振动荷载在第1层处相差较大，1-Ⅲ号土压力盒上振动荷载值最大，为109.6 kPa，这是由于此时压路机振动钢轮靠近桥台内侧碾压，1-Ⅲ号压力盒处于压路机重心处。随着深度的增长，5条路径上的振动荷载最终传递到第3层时，荷载值均处于21 kPa附近。

图8 压路机第1遍振动荷载竖向传递规律

图9为压路机靠近桥台内侧碾压时，第6遍振动荷载竖向传递规律，与压路机第1遍碾压规律类似(图8)，由第1层传递到第3层的振动荷载其第1层到第2层的荷载衰减量大于第2层到第3层的荷载衰减量，第1土层振动荷载传递到第2土层处，Ⅰ号到Ⅴ号压力盒上荷载衰减量分别为41，37，93.6，25，52.27 kPa；第2土层振动荷载传递到第3土层处，Ⅰ号到Ⅴ号压力盒上荷载衰减量分别为18.4，1.8，17.7，3.3，39.7 kPa。可以发现，路径③中振动荷载衰减量最为明显，1-Ⅲ号振动荷载传递到2-Ⅲ号压力盒时，荷载的下降斜率为-2.08，2-Ⅲ号振动荷载传递到3-Ⅲ号压力盒时，荷载的下降斜率为-0.39。5条路径上的振动荷载值在第1层中相差较大，最大振动荷载为1-Ⅲ号压力盒所测值，其值为136 kPa，振动荷载沿着深度方向最终传递到第3层时，荷载值均处于29.84 kPa附近。

图9 压路机第6遍振动荷载竖向传递规律

由压路机第1遍与第6遍振动荷载竖向传递规律曲线(图8，9)可知，随着压路机碾压遍数的增加，第6遍压路机碾压振动产生的荷载相较于第1遍有明显的增大，如Ⅰ-Ⅲ号压力盒受到第1遍碾压时，产生的振动荷载为109.6 kPa，到第6遍时增加至136 kPa，提高了26.4 kPa。这是由于路桥过渡段填料为透水性强的级配碎石，随着压路机振动碾压遍数的增多，孔隙体积逐渐缩小，土体受到压缩，变得更加密实，振动荷载更易传递到土体内部，但由于压路机产生的振动荷载能级有限，并且荷载在土体内的传递是消散过程，故两者的振动荷载沿深度方向的规律相同，均为第1层与第2层之间振动荷载衰减量远大于第2层与第3层之间的振动荷载衰减量，这是由于填料阻尼作用，使振动荷载沿深度方向不仅振动荷载值逐渐减小，其荷载衰减量也有所减小。此外，可以发现第1层中Ⅰ号、Ⅲ号、Ⅴ号测试元件测得的振动荷载大于Ⅱ号、Ⅳ号测试元件测得的振动荷载，与第3.1节中原因一致，压力盒周围填料的密实度有差异、压路机行进过程中有轻微偏移，所以导致同一水平面中监测到的数据有较大差异。

3.4 液压夯冲击荷载竖向传递规律

本次夯击点位于测试元件上覆填料中心区域，图10为液压夯第1遍夯击时5条路径中的冲击荷载竖向传递规律，由于夯击点位于中心区域，所以⑤号路径中的冲击荷载均大于同一土层的其他压力盒所测冲击荷载，第⑤条路径中1-Ⅴ号、2-Ⅴ号、3-Ⅴ号荷载值分别为163.9，131.9，61.9 kPa，可以发现，第①，②，④条路径上压力盒在第1遍夯击时冲击荷载随着深度的增大没有明显变化，其中第②条路径中每一层压力盒所测冲击荷载值分别为62.8，58.6，54.2 kPa，最多相差4.4 kPa，这说明液压夯在第1遍夯击时，对于夯击点下方作用效果最为显著，这是由于冲击荷载沿竖向传递时荷载传递效率最高，土体自身抵消的荷载值相较于其他路径会小很多。

图10 液压夯第1遍冲击荷载竖向传递规律

通过对比5条路径随着深度增大冲击荷载的变化幅度(图10)可以发现，当夯点位于中心区域时，第⑤条路径中2-⑤号压力盒上冲击荷载传递到3-Ⅴ号压力盒上时下降幅度最大，斜率为-1.56，第②条路径中1-Ⅱ号压力盒所测冲击荷载传递到2-Ⅱ号压力盒上时下降幅度最小，斜率为-0.09。除第⑤条路径外，其余4条路径冲击荷载随着深度的增大最终传递到第3层时，均衰减到47.32 kPa附近。第1层冲击荷载传递到第2层处，Ⅰ号到Ⅴ号压力盒上荷载衰减量分别为7，4.2，48.6，11.2，32 kPa；第2层冲击荷载传递到第3层处，Ⅰ号到Ⅴ号压力盒上荷载衰减量分别为3.5，4.4，41.3，5.3，70 kPa，第⑤路径中冲击荷载沿第1层向第2层传递时，其荷载衰减值小于第2层向第3传递的荷载衰减值，相差38 kPa。

图11为液压夯第6遍夯击测试元件上覆填料中心区域时，5条路径的冲击荷载竖向传递规律，第③、⑤条路径中的冲击荷载随着深度的增大呈现明显的递减趋势，由于冲击点位于中心区域，⑤号路径中的冲击荷载均大于同一土层的其他冲击荷载，测得的第⑤条路径中1-Ⅴ号、2-Ⅴ号、3-Ⅴ号压力盒上荷载值分别为314.5，251.7，146.2 kPa。冲击荷载由第1层传递到第2层处，Ⅰ号到Ⅴ号压力盒上荷载衰减量分别为11，7.8，94.47，7.85，62.8 kPa；冲击荷载由第2层传递到第3层处，Ⅰ号到Ⅴ号压力盒上荷载衰减量分别为12.4，9.1，57.43，12.5，105.5 kPa，可以发现位于夯击点下方的第⑤路径中，第2层与第3层之间的冲击荷载衰减量略大于第1层与第2层之间荷载衰减量，相差42.7 kPa，这是由于夯击点正下方填料孔隙比沿深度逐渐增大，使得阻尼呈递增状态，导致荷载衰减量递增。此外，可以发现第1层中Ⅲ号与Ⅴ号测试元件测得冲击荷载大于Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅳ号测试元件测得冲击荷载，产生这种现象主要有两点原因，原因一为第1层测试元件上覆填料厚度达到1.2 m，不能严格保证夯击点位于中心位置，由图10与图11可知，夯点处于路径⑤与路径③的中间位置。原因二为每个压力盒周围填料的密实度有差异，动荷载的传递规律是不同的。

图11 液压夯第6遍冲击荷载竖向传递规律

通过对比5条路径冲击荷载随深度增大的变化幅度(图11)可以发现，第⑤条路径中2-Ⅴ号压力盒上冲击荷载传递到3-Ⅴ号压力盒上时下降幅度最大，斜率为-2.34，第②，④条路径上第1层冲击荷载传递到第2层时下降幅度最小，斜率皆为-0.17左右。除第⑤条路径外，其余4条路径冲击荷载随着深度的增大传递到第3层时，最终冲击荷载都衰减到104 kPa附近。

根据液压夯第1遍与第6遍的冲击荷载沿竖向传递规律(图10，11)可知，当夯点位于中心区域时，第⑤路径中每一层冲击荷载值均大于同一层其余4个压力盒所测冲击荷载值。此外，第⑤条路径中的冲击荷载值衰减量最大，第1遍夯击时，2-Ⅴ号压力盒上冲击荷载传递到3-Ⅴ号压力盒上时下降斜率为-1.56，第6遍夯击时，2-Ⅴ号压力盒上冲击荷载传递到3-Ⅴ号压力盒上时下降斜率为-2.34，可以得出，虽然夯击遍数在不断提高，但冲击荷载值沿深度传递的衰减量较为类似。

由于夯击点位于中心区域，路径⑤中压力盒测得的冲击荷载最大，第1遍夯击时，1-Ⅴ号压力盒测得的冲击荷载为163.9 kPa，第6遍夯击时，1-Ⅴ号压力盒测得的冲击荷载为314.5 kPa，增加量为150.6 kPa；1-Ⅴ号压力盒在压路机第1遍与第6遍碾压下，振动荷载值分别为82.49，119.47 kPa，增加量为36.98 kPa，这是由于填料的压实或夯击遍数直接影响动荷载的传递规律，即随着压实或夯击遍数的增加，压力盒测得的应力值越大。液压夯产生的冲击荷载增加量约为压路机产生的振动荷载增加量的4倍左右，液压夯能级显著高于压路机能级。