路基臺背回填施工中氣泡混合輕質(zhì)土的應(yīng)用研究

邱雨生

(中國公路工程咨詢集團有限公司 北京市 100089)

0 引言

在行車荷載及自然環(huán)境影響下，臺背路基與橋臺結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不均勻沉降，車輛在路面與橋面連接處經(jīng)常發(fā)生跳車現(xiàn)象[1-3]，對此，科學預(yù)防橋頭跳車現(xiàn)象的發(fā)生已成為公路工程建設(shè)中不可忽略的重要問題。高速公路設(shè)計中，可在橋臺結(jié)構(gòu)物與路基之間設(shè)置一層鋼筋混凝土梁板，但在行車荷載長期作用下梁板易發(fā)生斷裂[4]；地基處理可選用碎石樁、沖擊碾壓等處置方法，但其施工周期長、造價高，無法較好地消除臺背路基壓縮沉降問題。當前，氣泡混合輕質(zhì)土(簡稱“輕質(zhì)土”)作為一種新型輕質(zhì)填土材料，容重低于一般填土材料，強度高，可有效保證路基承載能力和變形穩(wěn)定性，且施工簡便、綠色環(huán)保。針對公路工程輕質(zhì)土性能及應(yīng)用研究，國內(nèi)外學者取得了一定成果。高英力等[5]研究了水泥摻量、礦粉摻量和用水量對礦粉氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強度和干縮性能影響規(guī)律，結(jié)果表明水泥摻量對輕質(zhì)土性能影響最大，礦粉摻量次之；羅吉慶[6]結(jié)合輕質(zhì)土在臺背回填、擋土墻等工程的應(yīng)用，說明輕質(zhì)土可有效解決施工空間受限、地基承載力不足、路基沉降變形等問題。李東民等[7]研究表明高填方淤地壩地基臺背回填輕質(zhì)土，其承載能力及變形能力均滿足使用要求，有效避免橋頭跳車病害；劉勇等[8]研究了不同摻合料的氣泡混合輕質(zhì)土的力學性能和穩(wěn)定耐久性，建議路基設(shè)計標準較低時選用粉煤灰輕質(zhì)土。

以上研究說明輕質(zhì)土在軟土地基、陡坡路堤填筑、橋臺臺背回填等工程中應(yīng)用效果良好，而當前對輕質(zhì)土配合比設(shè)計研究較少，且較少考慮工程地質(zhì)。因此，筆者結(jié)合地質(zhì)勘察材料，通過室內(nèi)試驗設(shè)計輕質(zhì)土配合比，依托臺背回填輕質(zhì)土路基試驗段評價其應(yīng)用效果，可推廣輕質(zhì)土的應(yīng)用。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

土樣選用原狀高嶺土，取土深度為2m，主要化學成分為Al2O3、Fe2O3，天然含水率為7.6%，塑性指數(shù)為18。水泥選用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，技術(shù)性質(zhì)見表1。外摻劑選用石灰?guī)r礦粉和二級粉煤灰，技術(shù)性質(zhì)見表2和表3。發(fā)泡劑選用植物蛋白-松香皂復(fù)合發(fā)泡劑，稀釋倍率為1∶40。水選用自來水。

表1 水泥技術(shù)性質(zhì)

表2 礦粉技術(shù)性質(zhì)

表3 粉煤灰技術(shù)性質(zhì)

1.2 試驗方案

(1)輕質(zhì)土配合比設(shè)計

通過室內(nèi)吸水率試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，研究高嶺土摻量、濕密度對輕質(zhì)土物理力學性質(zhì)的影響規(guī)律，確定輕質(zhì)土施工配合比。

結(jié)合試驗段地質(zhì)勘察材料，參照《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 177-2012)設(shè)計輕質(zhì)土，擬水灰比為55%，高嶺土摻量為20%、40%、60%。路床范圍內(nèi)輕質(zhì)土濕密度為700kg/m3，設(shè)計7d無側(cè)限抗壓強度為1.0MPa；其余區(qū)域輕質(zhì)土濕密度為600kg/m3，設(shè)計7d無側(cè)限抗壓強度為0.8MPa[4]。輕質(zhì)土設(shè)計配合比見表4，每組試驗采用3個平行試件。

表4 氣泡混合輕質(zhì)土設(shè)計配合比

(2)輕質(zhì)土應(yīng)用評價

依托試驗段(路橋過渡段30m)，測定輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度及水穩(wěn)系數(shù)，觀測路基沉降量，評價輕質(zhì)土路基路用性能。

試驗段地表0.5m范圍內(nèi)換填礫砂，上鋪20cm粉煤灰+20cm二灰土封層，埋設(shè)沉降板，再填筑預(yù)壓土至路基設(shè)計標高，待地基預(yù)壓穩(wěn)定后，挖除預(yù)壓土換填氣泡混合輕質(zhì)土至設(shè)計標高。

1.3 試件制備及養(yǎng)生

風干土樣過5mm圓孔篩，測定風干含水率備用，根據(jù)輕質(zhì)土試件尺寸和設(shè)計配合比稱取試驗材料并進行拌和，混合料攪拌完成后，加入泡沫并繼續(xù)攪拌?；旌狭现苽渫瓿珊?，倒入模具，刮刀整平試件表面，置于室溫條件下養(yǎng)生2d后進行脫模，放于20℃±2℃、相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護室養(yǎng)生至規(guī)定齡期。試件尺寸為100mm×100mm×100mm，吸水試驗擬養(yǎng)生齡期為28d，無側(cè)限抗壓強度試驗擬養(yǎng)生齡期為3d、7d、14d、28d、60d、90d。

1.4 性能測試方法

(1)吸水率

輕質(zhì)土試件達到養(yǎng)生齡期后，測定初始質(zhì)量m0并放入水中，并置于標準養(yǎng)護室，兩周后取出試件，用濕布擦拭試件表面水分，測定質(zhì)量m1，按式(1)計算輕質(zhì)土體積吸水率η。

(1)

式中：V—試件體積，cm3；

ρw—水的密度，1g/cm3。

(2)無側(cè)限抗壓強度

參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)無側(cè)限抗壓強度試驗測定輕質(zhì)土力學強度。儀器選用電子式萬能試驗機，加載速率為1mm/min。

(3)水穩(wěn)系數(shù)

將輕質(zhì)土試件分為兩組，一組試件按標準養(yǎng)生方法養(yǎng)生至規(guī)定齡期，測定其無側(cè)限抗壓強度；一組試件在達到養(yǎng)生齡期前一天，從養(yǎng)生室取出試件，浸入水中24h后，測定試件無側(cè)限抗壓強度。按式(2)計算輕質(zhì)土水穩(wěn)系數(shù)ρ。

ρ(n)=qc(n)/q0(n)×100

(2)

式中：ρ(n)—齡期d時的水穩(wěn)系數(shù)，%；

qc(n)—齡期d時的浸水無側(cè)限抗壓強度，MPa；

q0(n)—齡期d時的不浸水無側(cè)限抗壓強度，MPa。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 輕質(zhì)土配合比設(shè)計

2.1.1吸水率

輕質(zhì)土體積吸水率見圖1。

圖1 輕質(zhì)土體積吸水率

由圖1可知，不同濕密度的輕質(zhì)土體積吸水率隨高嶺土摻量變化規(guī)律一致，隨高嶺土摻量增加，輕質(zhì)土吸水率呈線性趨勢增長。高嶺土摻量增加10%，濕密度600kg/m3和700kg/m3的輕質(zhì)土吸水率分別約增加4.5%、6.0%，這是因為濕密度一定時，高嶺土摻量增加，水泥摻量及其水泥產(chǎn)物減少，致使輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)內(nèi)部連通孔隙增多，從而吸水率逐漸增加。另外，同一高嶺土摻量的輕質(zhì)土濕密度增大，其吸水率相對降低。這是因為濕密度較大的輕質(zhì)土水泥用量增加，泡沫用量相對降低，致使輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)內(nèi)部連通孔隙減少，因此輕質(zhì)土吸水率降低。

2.1.2力學強度

輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度見圖2。

圖2 輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度

由圖2可知：

(1)隨養(yǎng)生齡期增加，不同高嶺土摻量和濕密度的輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度增長規(guī)律一致，前28d抗壓強度增長速率明顯大于后期，當齡期>28d后，輕質(zhì)土抗壓強度增長緩慢。且在養(yǎng)生齡期7d時，輕質(zhì)土抗壓強度滿足設(shè)計要求；在養(yǎng)生齡期28d時，輕質(zhì)土抗壓強度約為其90d抗壓強度的81.3%。這是因為隨養(yǎng)生齡期增加，水泥水化產(chǎn)物不斷生成，與土粒發(fā)生物理化學作用，致使其強度逐漸增長；而隨著水泥水化反應(yīng)的進行，水泥熟料逐漸被消耗，從而抗壓強度增長速率減緩。

(2)同一養(yǎng)生齡期下，輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度與高嶺土摻量線性負相關(guān)，如圖3所示，高嶺土摻量增加10%，600kg/m3和700kg/m3的輕質(zhì)土抗壓強度分別降低約9.5%和4.8%以上，說明輕質(zhì)土濕密度增加，即水泥摻量增加，高嶺土摻量對輕質(zhì)土抗壓強度影響減小。另外，同一高嶺土摻量下，濕密度700kg/m3的輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度較高，較濕密度600kg/m3的輕質(zhì)土抗壓強度提高12.9%以上。這是由于輕質(zhì)土濕密度增大，水泥摻量及其水化產(chǎn)物增加，水化硅酸鈣等膠凝材料與土粒的固結(jié)作用增強，從而抗壓強度提高。因此，建議輕質(zhì)土高嶺土摻量為40%。

圖3 高嶺土摻量與輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度關(guān)系

2.2 輕質(zhì)土應(yīng)用評價

(1)力學性能

輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度見表5，養(yǎng)生齡期為7d、28d。

表5 輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度(單位：MPa)

由表5可知，路床及路床以下輕質(zhì)土7d無側(cè)限抗壓強度平均值分別為1.29MPa、0.98MPa，即輕質(zhì)土承載能力滿足路基強度設(shè)計要求，且在養(yǎng)生齡期28d時，路床及路床以下輕質(zhì)土抗壓強度較其7d抗壓強度分別提高了約47.2%、54.6%，與室內(nèi)養(yǎng)生條件下輕質(zhì)土抗壓強度增長速率基本相當。

(2)水穩(wěn)性能

氣泡混合輕質(zhì)土水穩(wěn)系數(shù)見圖4，養(yǎng)生齡期為7d、28d、60d、90d。

圖4 氣泡混合輕質(zhì)土水穩(wěn)系數(shù)

由圖4可知，輕質(zhì)土水穩(wěn)系數(shù)隨養(yǎng)生齡期增加呈增長趨勢，且水穩(wěn)系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，前28d水穩(wěn)系數(shù)增長速率快于后期，這與輕質(zhì)土抗壓強度增長趨勢相關(guān)。另外，輕質(zhì)土水穩(wěn)系數(shù)在77%以上，當養(yǎng)生齡期由28d增至180d，路床及路床以下輕質(zhì)土水穩(wěn)系數(shù)分別提高了5.6%、5.4%，說明輕質(zhì)土水穩(wěn)性能良好。

(3)沉降量

臺背輕質(zhì)土累計沉降量變化曲線見圖5。

圖5 輕質(zhì)土累計沉降量

由圖5可知，輕質(zhì)土路基累計沉降量隨時間延長逐漸增加至穩(wěn)定值，在臺背填筑280d后，其累計沉降量約為0.80mm，小于《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)中路橋過渡段沉降標準，因此認為氣泡混合輕質(zhì)土路基和地基未發(fā)生顯著沉降，即橋臺結(jié)構(gòu)物與臺背回填路基之間不會產(chǎn)生差異沉降，可有效避免橋頭跳車。

3 結(jié)論

(1)輕質(zhì)土濕密度越小，同齡期的體積吸水率相對越大；隨高嶺土摻量增加，同濕密度的輕質(zhì)土體積吸水率呈線性增加，高嶺土摻量增加10%，輕質(zhì)土體積吸水率至少提高約4.5%。

(2)隨養(yǎng)生齡期增加，不同高嶺土摻量和濕密度的輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度增長規(guī)律一致，養(yǎng)生前28d抗壓強度增長較顯著，28d抗壓強度約為90d抗壓強度的81.3%；隨高嶺土摻量增加，同齡期的輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度呈線性降低。

(3)臺背施工中填筑輕質(zhì)土，路床及路床以下輕質(zhì)土7d無側(cè)限抗壓強度滿足路基強度設(shè)計要求；輕質(zhì)土水穩(wěn)性能良好，隨養(yǎng)生齡期增加，輕質(zhì)土水穩(wěn)系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，其7d水穩(wěn)系數(shù)在77%以上。

(4)臺背輕質(zhì)土填筑280d后，輕質(zhì)土路基累計沉降量趨于穩(wěn)定，約為0.80mm，小于設(shè)計規(guī)范中路橋過渡段沉降標準，輕質(zhì)土路基和地基未發(fā)生顯著沉降，可有效避免橋頭跳車。