高速夯实机在桥台背路基施工中的应用

张凯乐

（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北石家庄 050000）

0 引言

桥头跳车作为高速公路施工中的常见问题，其产生原因为台背填土和桥台之间产生差异沉降，因此台背填土碾压夯实至关重要，需通过严格到位的碾压夯实使台背填土压实度达到要求。为满足这一要求，实际施工中可借助高速液压夯实机实现，而为了验证该夯实机的碾压夯实效果，有必要结合工程实际情况对该夯实机及其施工技术的具体应用进行分析。

1 工程概况

某高速公路标段起讫桩号为K31+000—K35+173，路段总长约4.713km，所在路线总体走向为东西走向，总长约33.6km。该标段范围内包含一系列拟建构筑物，包括箱型通道、分离式立交、中桥、互通式立交、大桥与收费站。以分布于该标段中的大桥为例进行分析，其沿小桩号方向采用8%灰土进行台背回填，具体填筑范围为K34+498.124—K34+511.57，总长约13.446m，共填筑33 层，采用压路机完成压实，且路基压实度符合要求后，借助高速液压夯实机进行补强压实，同时对压实度与沉降值进行测定，在适当位置设置压力盒，用于测定压实时的应力水平。路基压实度与填料粒径及强度应满足如表1所示的要求。

表1 路基压实度与填料粒径及强度需满足的要求

2 桥头路基施工

采用石灰土对路桥过渡段进行填筑，具体的填筑高度以原地面至路床顶面为准确定。在石灰土的外部要有包边素土，以确保边坡植草成活，层厚需达到0.5m 以上。过渡段顶部还应增设和桥台相连的格栅，用于减少工后沉降，防止桥头跳车。格栅要沿路基纵向进行铺设，并注意不可纵向搭接，且横向要有30cm以上的搭接宽度[1]。格栅铺设宽度要比所在层位路基宽小150cm。在连接用钢构件表面均匀涂抹一层沥青实现防腐。桥台和过渡段基底之间的水平宽度不能小于6.0m，和路基连接部位的坡率按1∶1.5控制。一般路基和采用石灰土进行填筑的部分的交界处，需采用台阶状进行搭接，对于路床下部台阶，其高、宽分别按照68cm 和100cm 严格控制。对隐蔽工程完成验收且确认合格后，开始对过渡段实施分层回填与碾压，要求每层压实度都不低于96%。施工时要注意过渡段路床填筑要和与之相连的部分填筑保持同步，并借助快速液压夯实机补压桥头路基[2]。

桥头段填高较大，需分层进行填筑，每层15cm，共分成33层。填筑材料为8%石灰土，为使其粒径达到要求，应粉碎细粒土，使其尺寸不超过10mm，同时还要进行过筛。拌和时应借助旋耕机多次实施，确保填料粒径与灰剂量都能满足设计要求，避免素土或灰土产生夹层。为给填土之后的夯实提供方便，表面应尽可能达到平整。为了在夯击开始前对填土最佳含水量与最大干密度进行测定，需做好取样与室内试验。在台背回填时，其质量检测必须严格按照相关规范进行，结合试验所得击实曲线，可得填土的最佳含水量为12.5%，最大干密度为1.81g/cm3，塑、液限分别为17和21，塑性指数为4。此外，通过现场实验可知，粒径超过0.75mm 以上的颗粒质量占比可达95%以上，由于细颗粒含量相对较少，因此路基整体刚度会受到含水量直接影响[3]。

3 夯实参数确定

3.1 夯实机械

此次施工选用H36型快速液压夯实机，其主要参数为：自重6.4t；额定冲击能量36kJ；锤体质量3t；锤体行程为0.2～1.2m；夯锤直径为1m；夯击频率在30～80次/min范围内。

3.2 夯点布置

夯点按照梅花形进行布置，相邻两个夯点之间的距离为1.5m，具体作业方式为直线作业法，对每个单点进行作业时，需分别完成前进与后退。

3.3 夯击能量与作业锤数

此次施工的夯击能主要有三种，最大值为36kJ，首次作业的锤数为3锤，第二次作业在首次作业基础上增加3 锤，以此类推。在确定具体作业锤数的过程中，需充分考虑现场试验检测成果。当最后3锤对应的相对沉降在1cm以内时，方可结束夯击[4]。

3.4 夯击安全距离

为了使现场施工时避免给涵台混凝土结构造成损伤，在夯实开始前应先进行试夯，并在此期间采用人工对桥台表观质量进行观测，同时结合施工经验确定具体的夯击安全距离，本次将安全距离确定为0.5m，使夯实机锤心和桥台之间保持1m的间隔距离。

3.5 压力盒布置

（1）在夯锤正下方进行力学传感器的布置，使传感器测定快速夯实过程中的最大响应；使压力盒始终保持在水平的状态，若存在偏差，将导致测量结果产生误差，使实测结果偏小，基于此，必须确保压力盒处于水平面上，同时防止压力盒底部与地面产生空隙。

（2）压力盒应在不同测定位置与方向上较均匀地布置，以确保桥涵台背处重要位置的力学响应得以及时测定，并对处于平行位置的所有压力盒予以数据校正。

（3）沿纵向布置的压力盒，其最大埋深应根据以往工作经验与相关理论推导结果确定，本次将其确定为1.5m。对压力盒采取有效的固定措施，减少或避免压实时其他作业给压力盒测定造成不利影响，导致偏移；在夯实过程中还应为输出线设置套管，防止压实时输出线被压断导致实测结果受到影响[5]。

（4）因台背采用分层方法进行填筑，即在将首层填筑完毕后，需在表面设置压力盒，以观测上层填土夯实过程中对下层造成的影响。压力盒安装时，应严格检查设备和相关的配套设施，以确保设备设施的可靠度与灵敏度。

（5）压力盒布置在中分带两侧轮迹带处，先对路基进行填筑，然后通过挖坑对压力盒进行埋设，挖坑时，注意其底部应保持平整，可用中粗砂对下底面实施填筑，以确保将压力盒埋设到位后可以保持平整，且沉降达到要求。

（6）压力盒实际埋设过程中，还应将大颗粒与杂物均清除干净，以免在压实过程中导致管线被破坏，压力盒和导线之间的连接长度要有适当余量，以免压实给连接线造成干扰或破坏。考虑到压力盒数量很多，故需要在施工中确认编号，并绘制相应的表格，从而保证检测结果一一配套[6]。

4 夯实与试验及结果对比

4.1 夯实

选择试验段设定两种工况，即未进行预压与进行预压，采用不用能量等级与夯击次数对目标路基土体实施夯实处理。夯实处理时，应做好土体沉降及表面压实度等数据的测量和记录。同时在预压这一工况条件下进行压力盒的埋设，与测定和记录夯实时的压力水平。将土壤压实完成后，其压实度与表层沉降量之间有必然的关系，一般情况下为当相对沉降量相对较大时，该部位经压实得到的压实度较高。基于此，对土壤压实效果进行评价的过程中，需将试验得出的压实度与沉降量充分结合进行分析。

4.2 数值对比

由于现场试验有补强与直接压实两种不同的工况，且数值模拟只针对补强施工，因此数值对比也只针对补强施工。通过观察数据及其分析结果，并与现场实测结果之间进行对比，可得出以下结论：首先，在最大沉降度方面，根据补强模拟成果，沉降量的最大值为5.53cm，而根据实体施工成果，测点部位沉降量的最大值为5.90cm；其次，在竖直影响深度与水平影响方面，经数值模拟得出的影响深度为1.44m，现场实测深度为1.5m，部分位置可达2.0m。水平方向上的数值模拟结果和现场实测结果大体相同，都在0.5m 左右；最后，在应力值方面，经数值模拟可得表层应力值在0.9MPa 左右，而现场实测结果为0.98MPa，由此可以看出，数值模拟结果真实可信[7]。

但数值模拟结果和现场实测结果之间依然存在一定差异，导致该差异产生的原因往往包含很多方面，如模拟模型的建立、现场施工状况、测点及测量设施布置等，具体分析如下：①借助有限元模型实体工况进行模拟时，使用的各材料技术参数可能和现场实际情况存在一定差别，导致所得初始应力和实际情况之间也存在差别；②人为或各项自然因素也会对现场施工情况及测量过程和工器具等的埋设造成影响，进而使模拟和现场结果存在的差异不同程度的加剧；③数值仿真往往是以理想环境为基础建立的，在这种情况下，本构模型和能量转化都与实际情况存在一定差别。

4.3 结果分析

（1）通过以上分析可知，采用高速液压夯实机除了能从根本上防止桥头跳车问题，还能将桥头台背处的填土碾压密实，从本质上保证台背质量，表现出良好作用与优势。通过对沉降量和压实度数据的结合可以看出，在未进行预压这一工况条件下，最佳做法为2档6～9次，以确保压实度满足规范要求，即不低于95%，并确保沉降量保持稳定，处在25～30cm范围内。

（2）采用高速液压夯实机对路基土体进行夯实的过程中，可在路基土体的有效深度影响范围之内进行一次填筑，以规避以往压实分层碾压存在的弊端，提高各层之间连接部位的作用力，从而缩短工期，减少费用。另外，高速液压夯实机还具备转场速度快、使用费用低等优势，能在缩短工期的基础上，大幅减少机械租赁方面的费用，从而减少机械费用在总投资中的占比。

（3）在补强施工中采用这项施工工艺时，最佳做法为3 挡6～9 次，以此使压实度不低于99%，且沉降量保持在5cm 左右，不仅能减少施工完成后发生的沉降，防止通车一段时间后产生桥头跳车，而且压实度的提高还能改善路基整体性，进而减少路段通车之后由于横向路面产生塌陷导致形成高度较大的台阶[8]。

（4）对路堑过渡段进行施工处理的过程中，当条件允许时可将施工安全距离缩短至50cm，以增加过渡段有效压实面积，并从根本上保证整个台背结构稳定性和安全性。

（5）补强作业过程中，快速液压夯实机有效影响深度一般不低于1.5m，部分位置的影响深度甚至可达2.0m，与传统夯实设备相比，该设备能大幅提高作用深度，并保证结构安全性。

5 结论

综上所述，高速公路施工中桥头跳车除了会影响路段行车舒适性，严重时还会产生安全事故，而且通过对相关资料的收集发现，桥头跳车还会增加维修方面的费用。但采用快速液压夯实机能有效解决这一实际问题，与传统夯实机相比，不仅影响深度更大，而且在补强压实过程中使用时能达到不同压实度要求。本文经过分析，得出下列主要结论：

（1）根据路基土体与夯实机之间的作用模型，明确路基土体和夯实机之间的作用，进而确定对夯实作用有直接或间接影响的因素。

（2）采用高速液压夯实机对台背填土进行夯实能提高台背填土压实度，使层厚较大的土体也得到有效压实，以减少分层数量。此外，还能减小工后沉降，适当延长台背结构养护周期，减少运营维修方面的费用。

（3）高速液压夯实机的工作效率相对较高，基本不会对下一道工序的进行造成影响。基于最大夯击势能条件下的夯实频率可以达到80 次/min，当作业面积为300m2时，仅需2h左右即可完成夯实，还可通过对可变工序的适当调整对高填方路段进行补压，从而避免对总工期造成影响。

（4）相较于传统夯实方法，该夯实机的安全性和环保性更高，且操作灵活、便捷，有很高的可控性。

（5）通过对数值模拟结果和现场实测结果之间的对比可以看出，当预压的压实度满足要求时，借助液压夯实机进行补充夯实，可以使沉降达到5cm左右，大幅减少工后沉降。此外还能显著提高压实度，一般不低于99%，并保证路基整体性，减小后期由于局部沉降产生的台阶的高度。

（6）在没有进行预压的条件下，借助液压夯实机能使压实度不低于95%，并使沉降量保持在稳定状态，一般不超过25～30cm的范围。

（7）直径较大的夯锤，其水平方向上的加固范围很大，而直径较小的夯锤，其对浅层土体施加的竖向加固作用更好，但有效加固范围有限，需减小夯点之间的距离，以保证实际的加固效果。