輕質(zhì)填料處理橋頭跳車病害的工程應(yīng)用

高彥強(qiáng)

(石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán))

1 工程地質(zhì)狀況

該橋梁的橋頭引道路堤填高3．00～5．44m，地基為軟土地基，地質(zhì)情況如下。

(1)第一陸相層：①黃褐色粘土，濕至飽和，厚1．8～2．3m，頂為 0．3m 耕植土，w=27．5% ～ 42．8%，C=24 ～30kPa，φ =4．5°～8．5°，［σ］=120kPa。②灰褐色粘土，飽和，厚1．2 ～1．7m，w=35．7% ～51．4%，C=8kPa，φ =2°～5．5°，［σ］=100kPa。

(2)第一海相層：①灰色粘土，飽和，厚 5．3～6．3m，w=35．7% ～51．4%，C=5 ～13kPa，φ =2°～5°，［σ］=75kPa。②灰黑色粘粉土，飽和，稍密，厚 0．8～1．5m，w=22．7% ～25．6%，C=10 ～23kPa，φ =7．5°～25．6°，［σ］=110kPa。

2 橋頭引道路堤的設(shè)計(jì)方案與施工質(zhì)量控制

2．1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，橋頭引道路段屬軟土地基，需加固處理，設(shè)計(jì)為正方形布置的水泥攪拌樁，樁徑D=0．6m，長(zhǎng)L=10m，擴(kuò)散角以內(nèi)樁距1．2m，以外至坡角樁距為1．4m。地基頂面鋪設(shè)一層土工布，上鋪40cm碎石墊層，以上鋪一層復(fù)合土工膜，其上用高鈣粉煤灰和粉煤灰(質(zhì)量比30∶70)混合料填筑路堤，每20cm一層，每3層鋪設(shè)一層CE131土工網(wǎng)直至路槽標(biāo)高。結(jié)構(gòu)形式如圖1。

圖1 引道路堤設(shè)計(jì)示意圖(單位：m)

2．2 施工質(zhì)量控制

高鈣粉煤灰與粉煤灰必須拌和均勻，每20cm一層，壓實(shí)度K≥95%，并在最佳含水量下壓實(shí)，土工網(wǎng)、土工布、土工膜鋪放平整無折皺，縫合搭接寬度不小于5cm，自由搭接不小于15cm。要求復(fù)合地基承載力fsp＞125kPa，單樁承載力Hd＞119kN。

3 加筋粉煤灰治理橋頭跳車的機(jī)理分析

以加筋粉煤灰作為橋頭引道路堤填料，其相應(yīng)壓實(shí)度下的干密度(1．19g/cm3)，遠(yuǎn)小于砂礫(2．1g/cm3)等透水性材料，也小于水泥穩(wěn)定類材料(1．4～2．2g/cm3)，屬輕質(zhì)材料。這樣就可以減輕路堤本身自重，減小地基附加應(yīng)力，進(jìn)而減小地基沉降特別是工后沉降。同時(shí)減小路堤填料本身的塑性變形，因此能夠從根本上控制橋臺(tái)與臺(tái)背路堤之間的差異沉降，解決橋頭跳車問題。

3．1 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料路用性能及強(qiáng)度形成機(jī)理

高鈣粉煤灰區(qū)別于普通粉煤灰之處在于其CaO含量高，具有較高的活性，并有自硬性，能夠與粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)，并激發(fā)普通粉煤灰的活性，進(jìn)而生成具有一定強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性的板體結(jié)構(gòu)，具有良好的路用性能。高鈣粉煤灰與粉煤灰干質(zhì)量30∶70的混合料7d抗壓強(qiáng)度(壓實(shí)度95%)可達(dá)1．2MPa，并且隨齡期增大而增大。如表1所示數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，其規(guī)律符合對(duì)數(shù)關(guān)系

式中：S為抗壓強(qiáng)度;D為齡期;Ln(D)為齡期的自然對(duì)數(shù);a，b為回歸系數(shù)。

混合料的強(qiáng)度還隨壓實(shí)度的增大而升高，其規(guī)律如圖2所示。又如表2所示，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的劈裂強(qiáng)度(齡期180d)也能達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 各齡期強(qiáng)度表

高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的這些工程特性是由其物理化學(xué)性質(zhì)決定的，它們的化學(xué)成分如表3所示。

圖2 混合料7d強(qiáng)度隨壓實(shí)度變化

表2 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的劈裂強(qiáng)度表

表3 高鈣粉煤灰與粉煤灰的化學(xué)成分

高鈣粉煤灰與粉煤灰加水拌和后，所含的CaO與水發(fā)生反應(yīng)生成Ca(OH)2，CaO+H2O→Ca(OH)2Ca(OH)2→Ca2++2OH-，Ca(OH)2水解電離使環(huán)境的pH值升高。

在堿性條件下SiO2及Al2O3與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成含水硅酸鈣和含水鋁酸鈣。

同時(shí)，部分Ca(OH)2與CO2反應(yīng)生成CaCO3。

Ca(OH)2+CO2→CaCO3。

此外，高鈣粉煤灰中存在一定量的C3A和C3S，遇水生成CAH和CSH系化合物。

高鈣粉煤灰與粉煤灰的這些化學(xué)反應(yīng)生成物，水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等都是水硬性物質(zhì)，反應(yīng)初期以膠凝物質(zhì)的形式分布于混合料玻璃體周圍，使粉煤灰團(tuán)?；?，隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，這些膠凝物質(zhì)逐漸結(jié)晶，形成相互交織的晶體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使混合料成為強(qiáng)度較高的整體性結(jié)構(gòu)。壓實(shí)度越大、齡期越長(zhǎng)單位體積內(nèi)生成的晶體就越多，混合料的強(qiáng)度就越高。

3．2 粉煤灰混合料中加筋對(duì)減小臺(tái)背差異沉降的作用機(jī)理

高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料中加鋪土工網(wǎng)，在混合料強(qiáng)度的形成過程中，其與土工網(wǎng)結(jié)合成一有機(jī)整體。通過現(xiàn)場(chǎng)取樣的拉拔試驗(yàn)(壓實(shí)度93%)結(jié)果表4和圖3可知，土工網(wǎng)與粉煤灰混合料能夠很好的共同作用，且土工網(wǎng)與混合料的拉拔摩擦角和粘聚力都大于砂。進(jìn)一步分析得出，土工網(wǎng)的拉拔強(qiáng)度由兩部分組成：(1)土工網(wǎng)表面與填料摩擦力;(2)填料對(duì)土工網(wǎng)橫格的被動(dòng)土壓力。土工網(wǎng)與粉煤灰混合料的拉拔強(qiáng)度之所以比砂大，是由于粉煤灰比砂顆粒細(xì)，比表面積較大，粉煤灰混合料與土工網(wǎng)的接觸面積較大，進(jìn)而在相同法向應(yīng)力下摩擦力較大，并且壓實(shí)后以團(tuán)粒存在，團(tuán)粒比砂變位困難，即粉煤灰混合料比砂對(duì)土工網(wǎng)嵌固作用大。隨著齡期的增長(zhǎng)，高鈣粉煤灰與粉煤灰的反應(yīng)逐步深入，對(duì)土工網(wǎng)的界面強(qiáng)度越來越高，成型7d后，土工網(wǎng)直至拉斷也無法從試驗(yàn)箱中拔出(上覆壓力等于60cm粉煤灰混合料重)。

表4 拉拔試驗(yàn)結(jié)果

這樣如圖4所示，在外荷載P作用下，當(dāng)土工網(wǎng)與高鈣粉煤灰和粉煤灰混合料發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，土工網(wǎng)與混合料的界面摩擦力、土工網(wǎng)的橫格被動(dòng)土壓力將阻止這種相對(duì)移動(dòng)，即限制混合料的側(cè)向變形，相當(dāng)于增加了一個(gè)圍壓Δσ，這就能減少路堤填料本身的塑性變形和地基附加應(yīng)力，減小地基沉降，同時(shí)，可將外荷載較均勻的分布于較大的范圍，減小地基應(yīng)力σ，從而減小橋臺(tái)與臺(tái)背引道路堤之間的差異沉降，消除橋頭跳車現(xiàn)象。

圖3 土工網(wǎng)與砂、混合料拉拔試驗(yàn)

4 結(jié)論

(1)應(yīng)用輕質(zhì)填料——加筋粉煤灰作為橋頭引道路堤填料，能夠減小地基附加應(yīng)力，進(jìn)而減小沉降，同時(shí)減小填料自身的塑性變形。

(2)在粉煤灰中用土工網(wǎng)加筋處理，由于土工網(wǎng)的高模量和高強(qiáng)度，可約束填料側(cè)向變形，減小豎向沉降。

(3)土工網(wǎng)與混合料的界面強(qiáng)度，使部分豎向應(yīng)力轉(zhuǎn)化為土工網(wǎng)的拉力與界面摩擦力，減小豎向應(yīng)力，減小地基沉降，緩解臺(tái)背差異沉降，消除橋頭跳車。

以加筋粉煤灰為橋頭引道路堤填料的某橋梁實(shí)體工程，自2010年8月竣工通車至今，無跳車現(xiàn)象，證明了加筋粉煤灰方法是治理橋頭跳車的好方法。

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［1］土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)［M］．中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994．

［2］劉景政等．地基處理與實(shí)力分析［M］．中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998．

［3］張登良．加固土原理［M］．人民交通出版社，1988．

［4］石名磊等．加筋粉煤灰力學(xué)特性室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，(1)．