發(fā)泡輕質(zhì)土回填沉降分析與工程應用

鄒洽宇，晏石林，余劍英，章燦林，李德權(quán)

(武漢理工大學a.理學院;b.材料科學與工程學院，湖北武漢 430070)

發(fā)泡輕質(zhì)土回填沉降分析與工程應用

鄒洽宇a，晏石林a，余劍英b，章燦林b，李德權(quán)a

(武漢理工大學a.理學院;b.材料科學與工程學院，湖北武漢 430070)

本文依托K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋橋背發(fā)泡輕質(zhì)土回填工程，介紹了發(fā)泡輕質(zhì)土的現(xiàn)場施工應用。結(jié)合發(fā)泡輕質(zhì)土具體填筑工程，建立有限元沉降計算模型，研究發(fā)泡輕質(zhì)土密度與抗壓強度參數(shù)對沉降的影響，結(jié)果表明:降低發(fā)泡輕質(zhì)土的密度能明顯改善橋背路面沉降狀況，輕質(zhì)土抗壓強度的設計則更需要考慮回填結(jié)構(gòu)與路面之間的局部作用。文中模擬計算了實驗室制備的5種發(fā)泡輕質(zhì)土材料回填時橋頭搭板末端的總沉降，計算結(jié)果表明，綜合考慮工程安全與經(jīng)濟性因素，設計發(fā)泡輕質(zhì)土密度為700 kg/m3，抗壓強度為1.5 Mpa較為合適，且采用C型發(fā)泡輕質(zhì)土填筑時，臺后路面沉降能滿足橋頭跳車病害防治指標。最后將C型發(fā)泡輕質(zhì)土應用于工程實踐，根據(jù)工后沉降觀測結(jié)果，臺后路面在工后3個月內(nèi)沒有明顯沉降發(fā)生，達到了項目預期要求。

發(fā)泡輕質(zhì)土;沉降;有限元模擬;材料設計;工程應用

近年來，我國高等級公路建設的投入越來越大，公路里程數(shù)逐年增多。但是，在已通車的高等級公路特別是高速公路中仍存在許多問題，其中較為普遍的是發(fā)生在橋背部位的跳車現(xiàn)象。橋頭跳車現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因，在于橋背部位的填筑質(zhì)量控制不好，沉降超過一定的限度造成，且這種問題在一些軟基路堤或高路堤臺背回填工程中表現(xiàn)更為嚴重。我國每年需要花費大量的人力、物力和財力來處理橋頭跳車帶來的危害，橋頭跳車已成為高速公路運營中迫切需要解決的難題。根據(jù)國內(nèi)外軟土路基處理和路基拼接工程實踐經(jīng)驗，采用人工制作的容重比一般土體小而強度和變形特性可以達到甚至超過一般土體的氣泡混合輕質(zhì)填土材料填筑路堤，是解決軟基路段“橋背”跳車、路基不均勻沉降等問題的可行措施［1～3］。

1 工程概況

1.1 橋頭路基概況

K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋位于公安縣夾竹園鎮(zhèn)荊安村境內(nèi)，終南古寺旁邊，處于荊州至公安高速路段主干道上。該工程位于洞庭湖坳陷北西端和江漢坳陷南西端過渡地帶，屬平原、低丘陵地貌單元。根據(jù)勘探情況，沿線地層主要為第四系巨厚層沉積層，自上而下主要為粉質(zhì)粘土(局部淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土)、粉土層、細砂層、卵礫石層;大部分土層含水量高、穩(wěn)定性差，根據(jù)公路設計規(guī)范軟土鑒別指標，均為軟土，工程地質(zhì)條件較差，對路基填方穩(wěn)定性及沉降有較大影響。為防止橋背路基與橋臺有明顯的差異沉降發(fā)生，該項目橋背過渡段路堤采用發(fā)泡輕質(zhì)土回填。

1.2 發(fā)泡輕質(zhì)土在橋背回填工程中的應用

發(fā)泡輕質(zhì)土是由固化劑(水泥)、水、發(fā)泡劑、外摻料(土、火山灰、粉煤灰等)通過機械設備充分混合攪拌后凝固成型的新型多氣泡輕質(zhì)高強材料?，F(xiàn)澆氣泡混合輕質(zhì)土有著高流動性、易固化、以及良好自立穩(wěn)定性等優(yōu)點，且耐久性好，施工簡便快捷，造價適中，無需進行特別的養(yǎng)生處理，可較大限度地消除填料重量引起的沉降量，在公路建設中得到越來越廣泛的應用。工程實踐也證明采用輕質(zhì)土法能夠緩解橋臺結(jié)構(gòu)與臺背回填土的剛?cè)嵬蛔?，使臺背路面工后沉降曲線變得平緩，有效防治橋頭跳車病害［4，5］。

通過對公安縣斗湖堤至荊東高速公路黃金口互通連接線上的分蓄洪區(qū)總排渠中橋橋頭路基基礎充分研究，決定軟基過渡段部位采用發(fā)泡輕質(zhì)土技術來解決“橋頭跳車”問題。實驗室設計了多種材料配比方案，制作了不同規(guī)格的發(fā)泡輕質(zhì)土材料，通過室內(nèi)試驗測定了這些材料的抗壓強度與彈性模量，然后從安全性與經(jīng)濟性角度考慮，選擇C型發(fā)泡輕質(zhì)土材料來填筑臺背?，F(xiàn)場施工按照實驗室確定的配比方案進行，材料主要有水泥、水、發(fā)泡劑等，發(fā)泡劑與水的比例控制在1∶60～1∶40之間，水泥與水的比例通過控制機器設備進料速度來調(diào)節(jié)。圖1所示為K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋發(fā)泡輕質(zhì)土澆筑現(xiàn)場。

圖1 輕質(zhì)土澆筑現(xiàn)場

2 沉降計算與材料優(yōu)化

2.1 橋背發(fā)泡輕質(zhì)土回填沉降計算

目前，研究路基沉降計算的方法很多，基本上可以分為分層總和法、有限元法、試驗推演法以及組合預測法。其中有限元法是目前越來越受到重視與廣泛應用的一種方法，它在工程安全性驗證、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及兼顧效益降低成本等方面有其獨到的優(yōu)勢。有限元法可以計及復雜的幾何與邊界條件、荷載和施工工序、土的非均質(zhì)性與非線性變形特性;同時與比奧固結(jié)理論相結(jié)合，可計算沉降的過程，也可進行上部結(jié)構(gòu)、基礎和地基共同作用計算，故應用日益廣泛［6～8］。本文中考慮到K3+ 085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋橋背路基各土層分布厚度不均勻、施工工序和土體材料的非線性變形特征等因素也會對沉降計算產(chǎn)生影響，因此采用有限元方法模擬計算臺背填土回填沉降變形。

根據(jù)K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋設計說明文件，建立計算模型如圖2所示，模型計算深度取34 m，計算長度沿縱斷面取50 m。橋頭附近軟基采用水泥攪拌樁處理，復合地基漸變段采用改變樁間距過渡，水泥攪拌樁間距為1 m，深度為10.3 m，樁直徑為50 cm，呈正三角形布置。橋臺與路基結(jié)合部位設置搭板，搭板長6 m，一端在橋臺上。模型所受的附加荷載分為填土自身重力荷載、合計25.91 kPa的路面荷載與交通荷載。復合地基［9］及其下臥土層材料參數(shù)見表1。

圖2 K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋左側(cè)軟基沉降計算模型/m

表1 復合地基以及下臥土層物理力學性能參數(shù)

本文采用有限元軟件ANSYS對沉降變形進行模擬，具體步驟如下:

(1)定義材料參數(shù)，地基土材料采用Drucker-Prager本構(gòu)模型［10］;

(2)建立沉降計算模型，采用PLANE42型單元劃分網(wǎng)格，施加約束(搭板視為與橋臺剛性連接);

(3)“殺死”回填土單元，模擬地基初始地應力狀態(tài);

(4)“激活”回填土單元，施加路面自重荷載、交通荷載，模擬計算橋背路面沉降變形。

按照上面的步驟，通過有限元軟件計算路基回填以及路面與行車荷載加載時的豎向位移值;將模擬得到的路基表面豎向位移值作為路基固結(jié)沉降值，然后乘以修正系數(shù)得到路基表面總沉降［11，12］，模擬計算流程見圖3。

圖3 考慮施工工序的路基表面沉降計算流程

2.2 發(fā)泡輕質(zhì)土回填結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)優(yōu)化

由于常規(guī)填土與發(fā)泡輕質(zhì)土的物理力學性質(zhì)有著明顯差異，為防止回填的發(fā)泡輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)與常規(guī)填土結(jié)合部位發(fā)生易引起橋頭跳車的臺階式沉降差，特設計圖4所示的回填結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)以所設計回填結(jié)構(gòu)為基礎，研究輕質(zhì)土密度以及抗壓強度參數(shù)對橋背路基表面沉降的影響。具體步驟如下:(1)在ANSYS中改變發(fā)泡輕質(zhì)土的密度與彈性模量(與輕質(zhì)土壓縮強度線性相關)等材料參數(shù)計算橋背路基表面固結(jié)沉降;(2)統(tǒng)計縱向距離橋臺不同距離的路面沉降變形值，乘上1.4的沉降系數(shù)進行修正得到路基表面總沉降曲線。圖5、圖6分別為發(fā)泡輕質(zhì)土密度參數(shù)與橋背路面沉降關系曲線、不同抗壓強度參數(shù)下的橋背路面沉降曲線。圖5中曲線表明發(fā)泡輕質(zhì)土密度對橋頭路基表面沉降有較大影響，密度增大，路面沉降變形隨之增大:發(fā)泡輕質(zhì)土密度小于1000 kg/m3時，橋頭構(gòu)造物處(搭板末端)路基表面總沉降在6～7 cm之間;當發(fā)泡輕質(zhì)土密度同常規(guī)填土一樣時，路基表面總沉降會超過9 cm。圖6中可以看出提高發(fā)泡輕質(zhì)土的抗壓強度(彈性模量隨之增大)，橋頭構(gòu)造物處沉降會有所減小，在距橋頭6～7 m的范圍內(nèi)，抗壓強度參數(shù)的改變對沉降變形的影響較大，因為該位置為搭板末端(路面結(jié)構(gòu)突變)位置，且填筑結(jié)構(gòu)形狀也在該位置開始過渡變化。但改變抗壓強度參數(shù)對沉降的影響與改變密度相比較小，這是由于發(fā)泡輕質(zhì)土換填厚度較小，輕質(zhì)土本身的壓縮變形小;不改變發(fā)泡輕質(zhì)土的重度僅僅提高發(fā)泡輕質(zhì)土構(gòu)造物本身抗變形特性對軟基沉降狀況的改善并不是十分有效。因此在材料設計時，把調(diào)節(jié)發(fā)泡輕質(zhì)土密度大小作為控制橋頭路面沉降的主要手段，而其抗壓強度(抗變形特性)設計更多的是從回填結(jié)構(gòu)與路面之間相互作用變形對沉降影響角度考慮。

圖4 輕質(zhì)土回填縱斷面構(gòu)造/m

圖5 輕質(zhì)土不同密度參數(shù)下的橋背路面沉降曲線

圖6 輕質(zhì)土不同抗壓強度參數(shù)下的橋背路面沉降曲線

展開輕質(zhì)土材料選擇的研究:調(diào)節(jié)發(fā)泡劑濃度以及水灰比，設計制備五種發(fā)泡輕質(zhì)土材料A、B、C、D、E，實驗室分別測得其平均密度與抗壓強度見表2。將5種材料的參數(shù)應用到已建立的有限元計算模型中，統(tǒng)計搭板(6 m)末端總沉降值，繪成隨密度變化的曲線如圖7。圖7中可以看出，沉降隨密度變化曲線的斜率隨密度增大而增大，說明發(fā)泡輕質(zhì)土密度在700 kg/m3以下時，密度的改變對沉降的影響較小;隨著密度變大，輕質(zhì)土的密度參數(shù)對總沉降的影響變大?？梢姰敯l(fā)泡輕質(zhì)土密度在700 kg/m3以下時，繼續(xù)降低密度收效不大，同時輕質(zhì)土密度過低時，制備的輕質(zhì)土試樣抗壓強度變化幅度較大，質(zhì)量不好控制。而發(fā)泡輕質(zhì)土密度在700 kg/m3以上時，水泥用量會增多，成本大幅增加，同時總沉降值會相應增大。綜合考慮，K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋橋背發(fā)泡輕質(zhì)土回填工程選用發(fā)泡輕質(zhì)土材料C。將其材料參數(shù)輸入ANSYS計算模型得到橋背路基表面沉降值如表3所示，主固結(jié)沉降模擬計算得到位移云圖見圖8。沉降云圖局部放大圖見圖9。有限元計算表明搭板末端處路面總沉降值為6.3 cm(小于項目要求的10 cm)，滿足處治要求。

表2 不同類別發(fā)泡輕質(zhì)土材料參數(shù)

表3 臺后路面不同位置處固結(jié)沉降與總沉降值

圖7 發(fā)泡輕質(zhì)土材料密度與搭板末端路面沉降關系曲線

圖8 主固結(jié)沉降模擬計算總體沉降云圖

圖9 發(fā)泡輕質(zhì)土回填部位局部沉降云圖

3 橋背填筑效果分析

沉降預測結(jié)果表明，選用發(fā)泡輕質(zhì)土回填材料C(發(fā)泡輕質(zhì)土密度為700 kg/m3，抗壓強度達到1.5 MPa)時，搭板末端總沉降滿足處治要求，因此現(xiàn)場澆筑按照材料C的材料配比進行?，F(xiàn)場澆筑采用分層澆筑方式，待上一次澆筑完成固化至一定強度后再澆筑下一層，共分四次澆筑完成:第一次澆筑40 cm;第二、三次分別澆筑70 cm;最后一次澆筑20 cm高的面層。發(fā)泡輕質(zhì)土現(xiàn)場制作與澆筑時，每隔一段時間定期采樣檢測輕質(zhì)土的濕容重，從而及時調(diào)整發(fā)泡機械的進料速度與發(fā)泡劑的濃度。采樣的發(fā)泡輕質(zhì)土澆入70 mm×70 mm×70 mm模具，自然固化并經(jīng)過28 d養(yǎng)護期后，通過試驗儀器對其表干密度與抗壓強度進行測試，測試結(jié)果見表3。從表中可以看出，施工現(xiàn)場澆筑采樣的輕質(zhì)土密度在700 kg/m3左右，抗壓強度平均值達到了1.5 MPa。圖10所示為施工現(xiàn)場采樣制模壓縮試驗破壞斷面SEM圖樣，從中可以看出，現(xiàn)場澆筑的輕質(zhì)土氣泡較均勻，且氣泡壁比較光滑，氣泡與氣泡之間骨架材料穩(wěn)定。

現(xiàn)場澆筑施工完成后，筆者對填筑結(jié)構(gòu)做了幾次實地觀察，圖11所示為填筑結(jié)構(gòu)在施工完成三個月后的照片，結(jié)合其固化穩(wěn)定之后與橋臺連接部位做的標記，這段時間內(nèi)并沒有發(fā)生由于差異沉降引起的橋臺與填筑體之間的“錯臺”現(xiàn)象。由于材料配比設計合理、養(yǎng)護得當，發(fā)泡輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)表面無裂紋產(chǎn)生?，F(xiàn)場取樣試驗(試樣表干密度與抗壓強度值見表4)以及工后觀測結(jié)果說明現(xiàn)場澆筑施工質(zhì)量較好，達到了預期要求。

圖10 施工現(xiàn)場采樣制模壓縮試驗破壞斷面SEM圖樣

圖11 填筑3個月后效果

表4 現(xiàn)場采樣試樣表干密度與抗壓強度值統(tǒng)計

4 結(jié)語

針對K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋發(fā)泡輕質(zhì)土回填工程，本文結(jié)合施工現(xiàn)場橋背軟基地質(zhì)勘測結(jié)果，進行發(fā)泡輕質(zhì)土回填結(jié)構(gòu)設計，通過有限元軟件ANSYS模擬計算輕質(zhì)土回填過程橋臺構(gòu)造物處路面表層沉降，研究發(fā)泡輕質(zhì)土密度、壓縮強度對沉降的影響，從減小差異沉降、消除橋頭跳車影響與節(jié)省成本出發(fā)，設計發(fā)泡輕質(zhì)土材料參數(shù)。根據(jù)設計要求生產(chǎn)發(fā)泡輕質(zhì)土并現(xiàn)場澆筑，施工完成后，發(fā)泡輕質(zhì)土回填工程各項檢測指標符合規(guī)范要求，經(jīng)過筆者回訪觀察，填筑結(jié)構(gòu)沒有明顯沉降發(fā)生，整體表現(xiàn)良好。工程實踐證明，采用有限元法計算機輔助設計能有效解決結(jié)構(gòu)與材料設計問題，為工程實踐指明理論方向，同時通過合理的結(jié)構(gòu)、材料設計節(jié)省工程成本。項目中積累的設計與施工方面的成功經(jīng)驗供同行們參考。

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Settlement Analysis of Back filling by Foamed Cement Banking and Engineering App lication

ZOU Qia-yua，YAN Shi-lina，YU Jian-yingb，ZHANG Can-linb，LIDe-quana
(a.School of Science;b.School of Materials Science and Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Relying on the K3+085.0 Chief flood diversion canal bridge backfilling project，this paper has introduced the construction application.According to specific construction，this paper established settlement calculation finite element model to study the influence done by changing the parameters of foamed cement banking(FCB)like density and compressive strength on settlement of pavement，the result shows reducing the density of FCB can significantly improve the settlement status at the back of bridge abutment and the design of its compressive strength should consider the local interaction between backfill and pavement structure.Five kinds of FCB with different density and compressive strength were prepared in the laboratory.Through comparative analysis of simulation results of backfilling with those five kinds of FCB，choose the optimalmaterial parameters design with considering both engineering safety and economy factors，that is the density of 700 kg/m3and the compressive strength of 1.5 Mpa.The simulation result shows the settlement at the back of bridge abutment is less than the settlement control index when the C type of FCB is backfilled at the back of bridge abutment according to the structure design.Finally，the designed backfill structure and material were put into practice，the observation shows the obvious post-construction settlement didn＇t occur after 3 months，which achieved the requirements of the project.

foamed cement banking;settlement;FEM simulation;materials design;engineering application

TU470+.3;U416.1

A

2095-0985(2015)02-0042-05

2014-11-25

2015-04-17

鄒洽宇(1988-)，男，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向為路面材料與結(jié)構(gòu)工程(Email:zouqiayu10644@163.com)

晏石林(1963-)，男，湖南婁底人，教授，博士，研究方向為復合材料力學與結(jié)構(gòu)(Email:yansh1@whut.edu.cn)

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金(WUT:2013-Ⅳ-110);湖北省公路管理局科技項目(鄂路計［2013］351號)