粉煤灰在高填方路基拓寬工程中的適用性研究

張曉磊，胡海彥

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475003)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，已經(jīng)建成的很多高速公路不能夠滿足迅速增長(zhǎng)交通量的需求，越來(lái)越多的高速公路需要進(jìn)行改擴(kuò)建來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的交通量的需求。但是，高速公路改擴(kuò)建工程中新老路基拼接所引起的差異沉降問(wèn)題制約著高速公路拓寬技術(shù)的發(fā)展。目前，世界各國(guó)已有多條不同等級(jí)的公路進(jìn)行了拓寬改造或者升級(jí)，在高等級(jí)公路中多采用輕質(zhì)填料或進(jìn)行地基處理等手段來(lái)控制拓寬后公路路基的不均勻沉降問(wèn)題[1-5]。粉煤灰是一種已經(jīng)在工程廣泛使用的輕質(zhì)填料，近年來(lái)被“變廢為寶”用于修筑路基和基層，既節(jié)約了開(kāi)挖黏土所需的耕地資源，又保護(hù)了環(huán)境，具有非常顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[6-9]。同時(shí)，也有部分工程中將其用于路基拓寬中，但是目前對(duì)粉煤灰在路基拓寬中的適用性，及粉煤灰與土工格柵組合使用的工程效果尚缺乏系統(tǒng)研究。鑒于此，筆者將展開(kāi)全面的試驗(yàn)與理論研究。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)概況

某高速公路擴(kuò)建工程以一段長(zhǎng)度為187 m，路基填高≥6 m的加寬路基為試驗(yàn)路段。右幅路基加寬填料采用一般黏性土，并且將一層鋼塑性土工格柵鋪設(shè)在下路床底層，以后每填筑80 cm 沖擊碾壓一次，鋪設(shè)一層鋼塑性土工格柵。左幅采用粉煤灰作為路基加寬填料，并用0.5 m厚的黏性土包邊，下路床底層鋪設(shè)一層鋼塑性土工格柵，往后每填筑80 cm再鋪設(shè)一層鋼塑性土工格柵。

選取具有代表性的斷面布設(shè)沉降觀測(cè)設(shè)備，進(jìn)行沉降觀測(cè)，選取一些能夠體現(xiàn)本段路基的沉降變化規(guī)律的路段作為沉降觀測(cè)斷面。根據(jù)試驗(yàn)段的實(shí)際情況，選取了4個(gè)具有代表性的斷面，其中4個(gè)斷面分為2組，每一組包含2個(gè)斷面(A斷面，B斷面)，2個(gè)斷面沿著線路方向左右對(duì)稱。

主要觀測(cè)項(xiàng)目為地表沉降、一般黏性土和粉煤灰對(duì)地基產(chǎn)生的應(yīng)力大小，用于對(duì)比分析地基的變形特性和沉降規(guī)律。在粉煤灰和一般黏性土路基段選取了代表性的4個(gè)斷面進(jìn)行了觀測(cè)設(shè)備的埋設(shè)。在兩組斷面埋設(shè)了剖面管、沉降板、土壓力盒等觀測(cè)元件。4個(gè)斷面中都埋設(shè)了剖面管用來(lái)測(cè)量地表的沉降變形，每個(gè)斷面的新舊路基的交界處和新路基的路肩處分別埋設(shè)了土壓力盒和沉降板，用來(lái)測(cè)量地表應(yīng)力與沉降。兩段路基的施工進(jìn)度如圖1。

圖1 施工進(jìn)展Fig.1 Construction progress

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 土壓力

圖2與圖3分別為隨著路基填筑，兩測(cè)試斷面中粉煤灰與素土填筑拓寬部分的土壓力變化。

圖2 粉煤灰試驗(yàn)段土壓力變化Fig.2 Earth pressure of the tested section of fly ash subgrade

圖3 素填土試驗(yàn)段土壓力變化Fig.3 Earth pressure of the tested section of plain filling subgrade

從圖2、圖3的曲線可看出，路基的新舊路基交界處和新路基的路肩處的土壓力隨著填筑高度增高而增大，并且土壓力的實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值，隨著填筑高度的增加實(shí)測(cè)值與理論值的偏差增大。

從4個(gè)斷面的土壓力曲線看，新舊路基交界點(diǎn)的土壓力值增加較新路肩處的土壓力值增加的快。路基加寬工程中，填筑高度相同的情況下，填土路基的新路肩和新舊路基交點(diǎn)處的土壓力大于粉煤灰填筑路基的新路肩和新舊交界點(diǎn)處的土壓力。

1.2.2 地基頂沉降

為了研究粉煤灰和一般性土作為加寬路基填料引起地基的沉降變形規(guī)律，分別在兩個(gè)測(cè)試斷面的新舊路基的交界點(diǎn)和新路肩位置，埋設(shè)沉降板用來(lái)測(cè)試粉煤灰與填土加寬路基的地表的沉降。沉降板在填筑第2層后開(kāi)始埋設(shè)，沉降板應(yīng)該埋設(shè)在最底層土工格柵的上面。沉降觀測(cè)頻率按照每填筑一層進(jìn)行1次觀測(cè)，如果兩層之間的填筑時(shí)間間隔超過(guò)3 d，再加1次沉降觀測(cè)。根據(jù)實(shí)測(cè)的沉降板的沉降數(shù)據(jù)，繪制兩測(cè)試斷面中新舊路基交界點(diǎn)和新路基路肩位置的沉降與填筑高度的關(guān)系曲線圖，如圖4、圖5。

圖4 粉煤灰填筑段沉降板的沉降曲線Fig.4 Subsidence curves of the settlement plate in the fly ash filling segment

圖5 素土填筑段沉降板的沉降曲線Fig.5 Subsidence curves of the settlement plate in the plain soil segment

從圖4、圖5可以看出，路基加寬工程中，地基沉降隨著填筑高度的增大而增大，而且新路肩的沉降量比新建路基結(jié)合部的沉降量大，但隨著填筑高度的增加沉降速率在不斷地減小，說(shuō)明施工階段，地基隨著填高的增加地基的沉降逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。施工過(guò)程中粉煤灰填筑加寬路基的地基沉降量小于填土加寬路基的地基沉降量，體現(xiàn)出粉煤灰作為輕質(zhì)填料的優(yōu)越性。

1.2.3 路基剖面沉降

通過(guò)在每個(gè)斷面內(nèi)埋設(shè)剖面沉降儀來(lái)監(jiān)測(cè)整個(gè)橫斷面的地表沉降，當(dāng)路基填筑到地基表面土工格柵上方大約50 cm左右開(kāi)始埋設(shè)剖面管。管頭用高精度的沉降觀測(cè)設(shè)備確定其標(biāo)高，柔性管內(nèi)通過(guò)高靈敏度的傳感器來(lái)測(cè)量柔性管內(nèi)部任意兩點(diǎn)之間的沉降差。為了更好的比較與分析4個(gè)測(cè)試斷面的沉降曲線，選擇有代表性的數(shù)據(jù)分析，繪制出2個(gè)路基斷面內(nèi)4個(gè)測(cè)試斷面的沉降曲線，如圖6、圖7。圖內(nèi)橫坐標(biāo)的0點(diǎn)代表新舊路基的交界處的沉降，橫坐標(biāo)大約4 m處是新加寬的路基路肩位置。

圖6 粉煤灰路基沉降曲線Fig.6 Settlement curve of fly ash subgrade

圖7 素填土路基沉降曲線Fig.7 Settlement curve of plain fill subgrade

通過(guò)4個(gè)測(cè)試斷面的沉降曲線可以看出：從新舊路基交界點(diǎn)往加寬方向加寬路基的沉降是非線性變化的，隨著加寬寬度的增加沉降也在增大，最大沉降量在新路基的路肩位置，繼續(xù)往加寬路基外側(cè)沉降在逐漸地減小，而且，粉煤灰填筑加寬路基的地基沉降量小于填土加寬路基的地基沉降量，沉降管測(cè)出的沉降量與沉降板測(cè)出的沉降量吻合。

2 數(shù)值分析

2.1 分析模型

以路基拓寬工程的試驗(yàn)段當(dāng)作工程實(shí)例，原本有路堤頂面寬度為28.0 m的雙向4車(chē)道高速公路，分別將原有高速公路兩側(cè)進(jìn)行加寬，各加寬7.25 m。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)以路基中軸線為對(duì)稱軸，所以原路堤頂面每側(cè)寬為14 m，路堤頂面拓寬部分寬度為7.25 m，路堤填高6 m。原路堤和拓寬路堤邊坡坡度都采用1∶1.5，取自然地面下25 m為地基計(jì)算深度，以自路基中軸線向外100 m為計(jì)算寬度。以原地基表面為起點(diǎn)鋪設(shè)土工格柵，每填筑粉煤灰80 cm鋪設(shè)一層土工格柵，共鋪設(shè)土工格柵8層。

計(jì)算模型基本假定如下：

1)路堤和路基土體都選用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，模型參數(shù)如表1。

2)因?yàn)橛?jì)算模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以以路堤中心線作為對(duì)稱軸，任意選取一半進(jìn)行計(jì)算。

3)以地基底面固定約束為邊界條件，地基寬度外側(cè)為水平向約束。

4)假定舊路基下的地基固結(jié)變形早已完成。

5)地基土和老路基土的自重形成地基和路堤中的初始應(yīng)力場(chǎng)，并且把初始位移回位歸0。

6)假設(shè)面層、基層、底基層、新老路基等結(jié)合面處治較好，并且接觸狀態(tài)均為完全連續(xù)，不會(huì)有相對(duì)滑移和脫離現(xiàn)象發(fā)生。

表1 材料參數(shù)

計(jì)算網(wǎng)格如圖8。

圖8 拓寬路基計(jì)算網(wǎng)格Fig.8 Computational grid of the widen subgrade

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 位移場(chǎng)

加寬路基填料采用粉煤灰是完全可行的，在路基施工過(guò)程中，在新老路基結(jié)合處的坡腳位置發(fā)生了最大沉降值為30.2 mm的沉降；以新老路基結(jié)合處的坡腳位置為中心路基沉降值基本均以近似弧形發(fā)散的形式朝周?chē)f減；老路基沉降值相對(duì)較小，特別是舊路基中部。土工格柵加筋使路基位移場(chǎng)產(chǎn)生了顯著變化，路基底部土體的水平位移被土工格柵加筋有效地限制了，最主要的是土工格柵的加筋使地表最大水平位移不再出現(xiàn)在路基底部；土工格柵的加筋作用使新老路基的不均勻沉降減小，且使路基下沉更趨向于整體式，使不均勻沉降引起的病害大大減小。

素土加寬路基水平位移最大值發(fā)生在新路基邊坡處，施工過(guò)程中水平位移最大值為20.3 mm；由于加寬路基部分的荷載作用，部分土體往內(nèi)側(cè)(即路基中線方向)擠壓，部分土體往外側(cè)擠出，這和地基內(nèi)主應(yīng)力分布情況是相一致的；新加寬的路基表面填土有向拓寬路基方向滑移的趨勢(shì)。土工格柵加筋作用使得加寬路基的水平位移場(chǎng)分布發(fā)生了變化，主要通過(guò)約束路基地表水平位移來(lái)實(shí)現(xiàn)加筋的效果，地基中的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的改變是通過(guò)約束路基地表位移實(shí)現(xiàn)的，從而使路基的穩(wěn)定性得到較大提高。

2.2.2 應(yīng)力場(chǎng)

第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力均隨著深度的增加而增加，變化沿路基中線處中部大兩端小，表現(xiàn)為拱狀。第1主應(yīng)力的最大值為-265.7 kPa，第3主應(yīng)力的最大值為-457.1 kPa，均發(fā)生在路基中線深處?？偟膩?lái)說(shuō)應(yīng)力值不大。土工格柵的加筋作用對(duì)第1主應(yīng)力的影響較為顯著，特別是在路基新舊結(jié)合部，格柵埋置于土中后產(chǎn)生的“薄膜”或“網(wǎng)兜”效應(yīng)，在土工格柵中形成托舉力，改善了加寬路基應(yīng)力場(chǎng)的分布，減少了由于土體自重作用而產(chǎn)生的豎向土壓力。

新舊路基結(jié)合部的坡腳處出現(xiàn)了小范圍的塑性區(qū)，若該區(qū)域土體未添加約束，則土體會(huì)向自由表面擠出，在水平方向發(fā)生較大變形，并且在豎直方向?qū)⒂新∑鸬内厔?shì)，因此加寬路基施工的薄弱部位在新舊路基結(jié)合部坡腳處，在設(shè)計(jì)和施工的過(guò)程中均要特別注意。以新舊路基結(jié)合部處鋪設(shè)土工格柵筋材作為約束的路段作為路基拓寬工程的試驗(yàn)段，約束變形的發(fā)展，防止土體在新路基荷載作用下發(fā)生局部破壞，從而保證路基的穩(wěn)定性和安全性。

新老路基結(jié)合部中部的土工格柵所受拉力隨著路基填筑高度的變化如圖9。

圖9 路基中部土工格柵軸力隨填筑高度發(fā)展Fig.9 Gogrid axial force development with the filling height in central subgrade

從圖9中可以看到，拉筋所受最大拉力隨著路基填筑高度的增大而變大后趨于平穩(wěn)，在路基填筑高度達(dá)到4～5 m時(shí)，土工格柵的軸力達(dá)到最大值1.599 kN。土工格柵拉筋拉力向新路基方向逐漸減小，這主要是由于路基不穩(wěn)定區(qū)拉筋與土之間的摩阻力抵消了部分土壓力，同時(shí)拉筋變形等原因促使不穩(wěn)定區(qū)拉筋起抗剪作用的緣故。

3 結(jié) 論

粉煤灰作為路基填料已經(jīng)有較多研究，主要因?yàn)榉勖夯屹|(zhì)量小、路基工后沉降可以減少，同時(shí)可以增加粉煤灰的用量，有效減少環(huán)境污染。筆者結(jié)合理論分析與實(shí)際檢測(cè)，對(duì)拓寬工程中粉煤灰的適宜性得出了一些有益的結(jié)論，具體如下：

1)通過(guò)分析黏土和粉煤灰兩種材料的高填方路基擴(kuò)寬段的土壓力、地基頂面沉降、地表剖面沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，施工過(guò)程中粉煤灰填筑加寬路基的地基沉降量較填土段為小，體現(xiàn)出粉煤灰作為輕質(zhì)填料的優(yōu)越性。

2)粉煤灰路基的數(shù)值模擬結(jié)果表明，用粉煤灰作為加寬路基填料可以有效減小高填方路基的地基沉降，將其用于路基填筑具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。

3)拓寬段“土工格柵 + 粉煤灰”路基的力學(xué)行為表明，土工格柵的加入可以從微觀機(jī)理上改善拓寬部分路基結(jié)構(gòu)的受力特征，顯著減小路基沉降，保證路基的穩(wěn)定性與使用安全。

[1] Allersma H G B,Ravenswaay L,Vos E.Investigation of road widening on soft soils using a small centrifuge [J].Transportation Research Record,1994,1462:47-53.

[2] Vanmeurs ANG,Van Den Berg A,Venmans A A M,et al.Embankment widening with the gap-method [C]//Twelfth European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering.Amsterdam,Netherlands:AA Balkema Publishers,1999.

[3] 何通海.高速公路改擴(kuò)建工程軟土地基段新舊路基間的銜接技術(shù)[D].大連:大連理工大學(xué),2003.

He Tonghai.Convergence Technology between the New and Old Roadbed of Freeway Rebuilding Engineering on Soft Ground[D].Dalian:Dalian University of Technology,2003.

[4] Richard J D,Christopher S H,Philippe B.Embankment Widening Design Guidelines and Construction Procedures[R].West Lafayette:Purdue University,1999.

[5] Saye S R,Ladd C C.Analysis of geotechnical instrumentation to assess foundation performance of I-15[C]//Proceedings of Geo-Trans 2004.Los Angeles,California:American Society of Civil Engineers,2004.

[6] 賈存興.粉煤灰改良高速公路路基填料的試驗(yàn)研究[J].華東公路,2009(1):42-44.

Jia Cunxing.Experimental study of fly ash to improve highway subgrade [J].East China Highway,2009(1): 42-44.

[7] 李懿,王連俊,陳明哲,等.添加外加劑的水泥粉煤灰基層結(jié)合料性能研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,30(4):768-859.

Li Yi,Wang Lianjun,Chen Mingzhe,et al.Performance of cement and fly ash bas course binder with chemical activator[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2011,30(4):768-859.

[8] 王琛艷,孫海興.徐濟(jì)高速公路江蘇段粉煤灰路基填筑施工技術(shù)研究[J].路基工程,2011(3):210-213.

Wang Chenyan,Sun Haixing. Study on flyash subgrade filling technology in Jiangsu section of Xuzhou-Jining expressway [J].Subgrade Engineering,2011(3):211-213.

[9] 田小波,魏建明,張俊.粉煤灰路基強(qiáng)度特性影響因素分析與研究[J].中外公路,2012,32(5):33-35.

Tian Xiaobo,Wei Jianming,Zhang Jun.Study on strength properties influencing factors of fly ash road foundation [J].Journal of China & Foreign Highway,2012,32 (5):33-35.