交通荷載作用下檢查井與土相互作用研究

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(1.杭州市水處理設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心， 浙江 杭州 310016； 2.浙江華東工程安全技術(shù)有限公司， 浙江 杭州 310030；3.杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站， 浙江 杭州 310005)

交通荷載作用下檢查井與土相互作用研究

陳階亮1，關(guān)淑萍2，余建民3

(1.杭州市水處理設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心， 浙江 杭州 310016； 2.浙江華東工程安全技術(shù)有限公司， 浙江 杭州 310030；3.杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站， 浙江 杭州 310005)

長期以來城市道路檢查井及其周邊路面產(chǎn)生的沉陷、井周路面破損等病害，嚴(yán)重影響道路的平整性，進(jìn)而影響行車的舒適性、安全性和交通流暢性。交通車輛荷載是車行道上檢查井所受的主要活荷載，通過對交通荷載作用下檢查井井壁側(cè)向土壓力、基礎(chǔ)底面基底土壓力等參數(shù)進(jìn)行長期監(jiān)測與現(xiàn)場車輛荷載試驗分析，以探求井與土相互作用的傳力機(jī)理，可為優(yōu)化檢查井設(shè)計、施工和養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

檢查井； 交通荷載； 土壓力； 現(xiàn)場試驗

0 前言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，城市道路建設(shè)也取得飛速發(fā)展，給排水、雨水、煤氣、電力、通訊、消防等各專業(yè)都需要在城市路面下埋設(shè)大量管線，道路上各類管線檢查井的數(shù)量也隨之增加，受車輛超載行駛、材料強(qiáng)度不足、施工質(zhì)量欠佳等多方面原因影響，各城市的檢查井病害發(fā)生率均較高，因檢查井病害而影響的交通安全問題越來越受到社會的廣泛關(guān)注。

檢查井在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)井周路面開裂或下沉、井座下沉或凸起、井蓋破損或推移等病害[1]。然而，目前城市道路檢查井與路基路面在交通車輛荷載作用下的共同作用機(jī)理研究仍未明確，相關(guān)科研單位及高校僅局限于在病害調(diào)查基礎(chǔ)上的理論分析[2]和數(shù)值模擬研究，且理論計算主要是對檢查井和墊層的應(yīng)力變化規(guī)律研究，或靜態(tài)均布荷載作用下的沉降變形分析[3]，未能真正考慮到井與周圍土體的相互作用，對井與土之間的傳力機(jī)理也不明確。因此，揭示檢查井與路基路面的共同作用機(jī)理是探索影響檢查井病害的關(guān)鍵因素。

通過對檢查井進(jìn)行長期監(jiān)測和現(xiàn)場車輛荷載試驗研究，以分析在交通車輛荷載作用下井與周圍土的相互作用機(jī)理。

1 工程簡況

選取的試驗井位于杭州市秋濤南路改造提升工程II標(biāo)段，東寶路～婺江路段上的Y62(磚砌)和Y63(鋼筋混凝土預(yù)制)雨水井，分別采用內(nèi)徑φ1000的磚砌圓形檢查井和C25預(yù)制鋼筋混凝土方形檢查井，配用D700的鑄鐵井座及井蓋板。其中Y62磚砌井埋深約4.58 m，Y63混凝土預(yù)制井埋深約3.74 m，兩井相距46 m，底板均采用鋼筋混凝土，且位于城市道路主干道上?；A(chǔ)主要座落在砂質(zhì)粉土上，管道管頂覆土約為3.2 m。如圖1。

圖1 Y62和Y63檢查井結(jié)構(gòu)圖(尺寸單位： mm)

2 監(jiān)測測點布置

沿行車方向，在檢查井墊層底面井壁附近埋設(shè)了4支土壓力計，監(jiān)測基底土壓力；在檢查井井壁不同高程(按照管道底和頂分2層)沿行車方向共埋設(shè)4支土壓力計，監(jiān)測側(cè)向土壓力，測點布置示意如圖2和圖3。

圖2 基底土壓力測點布置平面圖(單位: cm)

圖3 側(cè)向土壓力測點布置立面圖(單位: cm)

由于管道位置影響，底部側(cè)向土壓力計不能埋設(shè)在與行車方向垂直的管頂對應(yīng)測點(除Y63北側(cè)底部測點)處，Y62井2個底部測點均與行車方向夾角大于30°，Y63井南側(cè)測點靠近東南角，如圖4、圖5。

圖4 Y62側(cè)向土壓力測點布置平面圖

圖5 Y63側(cè)向土壓力測點布置平面圖

3 長期交通荷載作用影響分析

3.1 基底土壓力監(jiān)測成果分析

監(jiān)測的基底土壓力過程線見圖6、圖7。由圖可見，在檢查井四周土回填過程中，隨著溝槽中土回填高度的增加，基底土壓力均呈現(xiàn)增長趨勢，且回填高度越大，增長速率越快。

圖6 Y62檢查井基底土壓力過程線

圖7 Y63檢查井基底土壓力過程線

道路通車以后，受路面基層、面層施工影響和循環(huán)車輛荷載作用，基底土壓力呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢。2016年3月份以后受降雨影響，基底土壓力又呈現(xiàn)緩慢增加趨勢。降雨引起的Y62井基底土壓力變幅在14.04～34.38 MPa之間，Y63井基底土壓力變幅在28.18～36.15 MPa之間。

3.2 側(cè)向土壓力監(jiān)測成果分析

監(jiān)測的側(cè)向土壓力過程線見圖8、圖9。由圖可見，土壓力計埋設(shè)初期，由于溝槽未回填，井壁側(cè)向未受到土壓力作用，測得部分側(cè)向土壓力為負(fù)值；溝槽回填后，隨著井四周土回填高度增加，井周側(cè)向土壓力明顯增長。運(yùn)行一段時間后，井周側(cè)向土壓力又呈現(xiàn)下降趨勢。降雨影響的側(cè)向土壓力也呈現(xiàn)一定的周期性變化，Y62井側(cè)向土壓力變幅在21.85～24.84 MPa之間，Y63井側(cè)向土壓力變幅在8.75～19.96 MPa之間。

圖8 Y62檢查井側(cè)向土壓力過程線

圖9 Y63檢查井側(cè)向土壓力過程線

4 車輛加載試驗成果分析

4.1 試驗加載工況

試驗選用2臺車重分別為30.76 t和30.08 t的加載汽車，采用正載和偏載方式進(jìn)行，其中正載加載兩排輪對稱作用于井蓋兩側(cè)，且車輪正好位于基座上；偏載加載單排車輪作用于井蓋中間。每種加載方式按車輛所處位置不同分5種工況加載，各加載位置對應(yīng)工況分別為： ①前軸行駛到井蓋位置； ②中軸行駛到基座處； ③中軸行駛到井蓋位置； ④中、后軸位于井蓋兩側(cè)； ⑤后軸行駛到井蓋位置。

4.2 基底土壓力成果分析

汽車荷載作用下Y62磚砌井基底土壓力測試成果見表1，Y63砼預(yù)制井基底土壓力測試成果見表2。

1) 由基底土壓力測試成果，底板下基底土壓力分布明顯不均勻，加載前Y62井基底土壓力在57.90～107.69 kPa之間，Y63井基底土壓力在37.65～74.29 kPa之間，且2組數(shù)據(jù)對照表明溝槽開挖深度(也即檢查井埋置)越深，基底土壓力越大。

對比加載時Y62井與Y63井基底土壓力變化，在井埋深大于4 m以上時，實測局部基底土壓力最大113.91 kPa，超出標(biāo)準(zhǔn)圖集[4]中要求的修正后地基承載能力不小于100 kPa的規(guī)定，超出值約13.9%。而且，車輛前進(jìn)方向(南側(cè))底板下的基底土壓力大于離開方向(北側(cè))，是因為汽車沖力及對井蓋前后方向影響大小不同。

表1 Y62磚砌井基底土壓力測試成果表kPa加載方式試驗工況P南1P南2P北3P北4加載前10769700387455790111018727788685836正載211204750190405972311328762691396109411391770091886155511341765091386105110976727788925858211142745190655995偏載311287755191636086411328767691886109511287762691396086卸載后10686687885725630

表2 Y63砼預(yù)制井基底土壓力測試成果表kPa加載方式試驗工況P南1P南2P北3加載前74296398376517672683639652793972084139正載38036736242394808574064239576726880398917672679239402789071654114偏載379397274416447963731841645789072084114卸載后735664423790 注：P北4傳感器出現(xiàn)故障。

2) 由基底土壓力增量變化曲線，基底土壓力增量最大值基本出現(xiàn)在第4種工況。埋深淺的Y63井在車輛荷載作用下土壓力增量明顯大于埋置深的Y62井，正載加載工況二者最大相差3.10 kPa，偏載加載工況二者最大相差2.47 kPa?？梢?，檢查井埋置越淺，車輛交變荷載對基底土壓力的影響越大。

4.3 側(cè)向土壓力成果分析

Y62磚砌井側(cè)向土壓力測試成果見表3，Y63砼預(yù)制井側(cè)向土壓力測試成果見表4。

表3 Y62磚砌井側(cè)向土壓力測試成果表kPa加載方式試驗工況P南側(cè)P南側(cè)底P北側(cè)底加載前29682256398131332279375232982350375正載329922326375428042303375529682279375131102279375232752303375偏載329922303351428272279375528272279375卸載后30162232351 注：P北側(cè)傳感器出現(xiàn)故障。

表4 Y63砼預(yù)制井側(cè)向土壓力測試成果表kPa加載方式試驗工況P南側(cè)底P北側(cè)P北側(cè)底加載前-1532079281-1312079482-131207907正載3-1312078674-1312078875-1312079281-1312079282-131207907偏載3-1312078874-1312078875-131207907卸載后-153184948 注：P南側(cè)傳感器出現(xiàn)故障。

1) 由Y63井北側(cè)頂、底側(cè)向土壓力測試成果，檢查井埋置越深，側(cè)向土壓力數(shù)值越大，P北側(cè)底比P北側(cè)埋深深約0.7 m，加載前P北側(cè)底比P北側(cè)測值大7.21 kPa。

又因Y63井南側(cè)底部土壓力計埋設(shè)在東南角，P南側(cè)底測得土壓力為負(fù)值，說明此處檢查井受土約束作用較小。

2) 由各工況下側(cè)向土壓力增量變化曲線，車輛荷載移動過程中，車輛前進(jìn)方向的土壓力在變大，Y62井南側(cè)側(cè)向土壓力加載后最大增加了3.30 kPa，Y63井南側(cè)側(cè)向土壓力加載后最大增加了0.22 kPa，即在南側(cè)周圍土體對井的約束增強(qiáng)；而離開井的方向土壓力在減小，Y62井北側(cè)側(cè)向土壓力卸載后最大減小了0.47 kPa，Y63井北側(cè)側(cè)向土壓力卸載后最大減小了0.60 kPa，證明在北側(cè)周圍土體對井的約束減弱。

5 結(jié)論

本研究通過在井底及側(cè)壁預(yù)埋土壓力計，并對兩試驗井進(jìn)行長期監(jiān)測和車輛加載試驗得出以下結(jié)論：

1) 隨著溝槽中土回填高度的增加，基底土壓力均呈現(xiàn)增長趨勢，且溝槽開挖深度(也即檢查井埋置)越深，基底土壓力越大，底板下局部基底土壓力值明顯超出標(biāo)準(zhǔn)圖集中的規(guī)定。

2) 車輛前進(jìn)方向底板下的基底土壓力大于離開方向，是因為汽車沖力對井蓋前后兩側(cè)作用大小不同，在車輛交變荷載持續(xù)作用下，容易出現(xiàn)井體傾斜病害。

3) 基底土壓力增量最大值均出現(xiàn)在車輛中、后軸同時對稱作用在檢查井的基座上的工況，且井埋置越淺，車輛交變荷載作用于基底土壓力增量越大，即車輛交變荷載對基礎(chǔ)底面的影響也越大。

4) 檢查井埋置越深，側(cè)向土壓力數(shù)值越大。車輛荷載移動過程中，車輛前進(jìn)方向的土壓力在變大，即周圍土體對井的約束增強(qiáng)；離開井的方向土壓力在減小，即土體對井的約束減弱。

[1] 李清富，張保雷，郭蔚虹，等.市政窨井病害研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2014.

[2] 饒勤波.交通荷載下檢查井受力變形研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[3] 周進(jìn).車行道檢查井的沉降規(guī)律及處置措施[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[4] 中華人民共和國建設(shè)部.排水檢查井圖集02S515[M].北京：中國計劃出版社，2002.

1008-844X(2017)03-0192-05

U 416

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2016-12-29

陳階亮(1969-)，男，教授級高工，主要從事市政工程設(shè)計、施工的管理方面研究。