多锤头破碎机(MHB)施工对盖板涵的影响研究

 多锤头破碎机重锤下落产生低频高幅的波动锤击力对盖板涵影响较大，以钢筋混凝土正交盖板涵为例，结合有限元计算结果，重点对锤击压实荷载作用下盖板涵的力学工作性状及安全状况进行研究分析，并进一步提出锤击压实施工时涵洞的安全施工标准，以期为多锤头碎石化施工提供指导。

关键词：多锤头；安全施工；盖板涵；应力

目前，我国有大量旧水泥混凝土路面已经接近或超过了其设计年限，已出现或很快会出现大范围的破坏，无法满足现有交通量的需求，必须改建或者大修。而对那些采用其它养护措施也不能保证路面使用性能时，必须对其进行破碎。破碎后可能的处理方式有两种：一是从原位移除，二是原位利用。碎石化技术是一种较为成功的旧水泥混凝土路面维修改造的方式，同时，又具有节约资源、保护环境等优势。水泥混凝土路面碎石化是一种旧水泥混凝土路面破碎处治技术，是对旧水泥混凝土路面大修或改造的重要手段。主要是将旧混凝土面板，通过专用设备一次性破碎为碎块柔性结构，因其破碎后颗粒粒径小，力学模式更趋向于级配碎石，而将其命名为碎石化。

MHB破碎机通过重锤下落产生低频高幅的波动锤击力，会对沿线设施产生影响，甚至具破坏作用。MHB破碎旧水泥混凝土路面时，涵洞变位、挡土墙垮塌的事件时有发生，给该项技术的安全使用带来了难题。如何界定其施工影响范围和程度，避免对公路沿线构造物的不利影响，是安全顺利使用该项技术需要重点解决的一个问题。

涵洞是公路工程中常用的排水构造物，按涵洞断面形式，涵洞可分为管涵、盖板涵、箱涵、拱涵。一般而言，管涵受力性能及对基础的适应性好，不需要墩台，圬工数量少，造价低，适用于有足够高度的涵顶填土且跨径比较小的暗涵；盖板涵构造简单，维修容易，过水面积大；拱涵跨径较大，承载潜力大，但自重引起的恒载也较大，施工工序繁多，一般适合置于跨越深沟或路堤的地方；箱涵整体性强，但用钢量大，造价高，施工较困难，适用于软土路基。

综合工程实践、各类涵洞埋深及构造特点来看，锤击压实施工对于盖板涵影响较大，因此，本文以钢筋混凝土正交盖板涵为例，结合有限元计算结果，重点对锤击压实荷载作用下盖板涵的力学工作性状及安全状况进行研究分析，并进一步提出锤击压实施工时涵洞的安全施工标准，以期为MHB施工提供指导。

一、多锤头破碎机作用下路基中的应力分布

MHB作用下涵洞附近的土压力分布规律计算是研究MHB对于涵洞影响的前提。首先基于拟静力原理模拟MHB的动力作用，采用有限元方法对MHB作用下路基中的应力进行分析。再根据有限元计算结果就MHB对涵洞的影响进行分析。计算采用拟静载分析方法，计算对象由旧水泥混凝土板、基层、垫层、路基组成。为反映半空间路基的特性，依托国道324线罗梅公路大修工程旧路面碎石化现场，采用扩大尺寸路基，路面板荷载位置工况共四个，工况一为路面板板中位置，工况二为路面板横缝中间位置，工况三为路面板纵向中间位置，工况四为路面板板角位置。不同工况下路基中应力沿深度的分布见表1。由该表可知，四种工况下路基所受应力和均随着深度的增加而减小。在四种工况中路基所受应力以工况四时最大，工况一时最小，工况二和工况三时居于两者之间。

多锤头对于旧水泥路面进行破碎时，路基的破坏主要是剪切破坏，路基所受剪应力不应超过其抗剪强度。由于应力随着深度的增加而减小，所以路基表面是最危险的，应当对其剪应力进行分析，从表1还可以看出，当路基深度超过2m时，路基所受应力已经很小，其大小对路基的破坏可以忽略不计。

根据表1做出四种工况下路基最大主应力随深度变化图。可以看出，同一路基深度时，工况一附加应力最小，工况四附加应力最大，工况四时集中应力最大值达0.123MPa；各种工况下应力在路基中沿深度的分布规律基本一致；各工况应力在路基中呈指数形式衰减，深度在0～2m时，路基中应力随深度衰减较快，而在2m以下时，路基中应力随深度衰减较慢。在四种工况中，工况四影响深度最深。

综合以上计算与分析，在MHB作用于路面板不同位置的各种工况中，作用在板角时，路基中的集中应力最大值最大，且相对于其他工况，此种工况影响深度最深。故以该种工况时应力在路基中的分布为准，进行钢筋混凝土正交盖板涵的安全验算。

二、正交盖板涵的安全性验算

实际施工中，往往考虑竖直安全距离是否满足要求，以保证MHB不会对涵洞造成影响。以下结合有限元计算结果，采用路基工作区的概念对此问题进行探讨。

（一）路基的工作区

路基工作区的定义为在某一深度，轮重所引起的竖向附加应力与路基自重引起的应力的比值（1/m）很小时（1/m=1/10～1/5），的影响可以忽略，此时这一深度即为路基的工作区深度。轴载不同，路基的工作区也不相同。

（二）多锤头破碎机载荷影响区

根据有限元计算结果，在MHB载作用下，路基应力垂直分布见图1。参考公路路基的工作区定义，这里定义MHB荷载作用下的影响区，即在路基的某一深度，沿路基的水平方向的某一点，由MHB载荷引起的附加应力与土的自重应力的比值（1/m）很小（1/m=1/10～1/5，本报告取1/5）时，可以认为对涵顶无影响。由这一系列应力比为0.2的点连成的区域，就是锤击压实荷载作用的影响区域。由于路面结构自重产生的附加应力很小，可以忽略不计'

根据路基自重应力的计算，计算出附加应力与路基自重力的比值，结果见图2。由该图可以看出，曲线存在一个拐点，在拐点之前，应力比随着路基深度的增加减小迅速，在拐点之后，应力比随着路基深度的增加减小缓慢。当路基深度为3.2m左右时，应力比为0.2。如果以应力比0.2为路基工作区安全标准，涵洞的竖直安全深度为3.2m。考虑1.2的设计安全系数，安全深度在2.7m左右。