公路施工中非壓實回填土的應用

趙洪勇

(河北路橋集團有限公司)

1 工程簡介

A高速公路一期工程,起于H界 a處,與在建的 B段高速公路連接,穿越某縣 3個鄉鎮 17個行政村,路線全長21.653km。全線采用雙向四車道高速公路標準,設計速度100km/h,路基寬度 28.5m,項目概算總投資 14.5037億元。全線的小橋、涵洞等構造物多達近百處,施工過程中路基和橋涵同步開工,在施工完橋涵結構物以后再進行臺背回填,為了提高回填質量,避免產生工后沉降,選擇非壓實回填土作為工程的臺背回填材料之一。考慮到就地利用挖方棄土和施工工期的因素,經過仔細篩選,最后選擇三處進行回填,試驗為板式涵洞的臺背,長約 30m,寬約 2.5m,回填深度約 2m,每個涵洞臺背回填包括左右兩側,回填總量近1000m3。

非壓實回填土使用位置如圖 1所示,即道路路基因涵洞施工開挖而留下的基坑。道路結構從上到下依次為路面結構層、路基換填層、非壓實回填土回填層。瀝青面層17cm,基層采用瀝青穩定碎石、水泥穩定碎石、水泥穩定砂礫組合結構,厚度 62cm,基層以下換填水泥砂礫層80cm。非壓實回填土回填從基坑底部開始,到路基頂面結束,且保證回填頂面到搭板距離大于 80cm,如果路基頂面到搭板距離小于80cm,則回填到搭板以下80cm處結束。

圖1 臺背回填設計施工圖

2 施工配合比選擇

施工現場存在大量的挖方棄土,容易造成水土流失,由于降水較少,土質比較干燥,在風的作用下容易揚塵,造成環境污染,因此原料土考慮采用挖方棄土,現場取土檢測,結果如表 1所示,粗粒含量小于 25%為細粒土,塑性指數大于 7為粘質粉土,可以作為原料土使用。水泥采用 42.5級普通硅酸鹽水泥;水使用飲用水即可。

表1 原料土基本性質參數

在確定使用位置和原材料之后,要確定主要的設計指標設計流動值和設計抗壓強度。本次回填使用自由式攪拌機,攪拌后由導流槽澆入基坑,這樣就要求材料具有自流平的工作性,依據室內試驗和氣泡混合輕質土的施工經驗,初步確定設計流動值為180mm。

圖2 非壓實回填土筑體頂面受力計算圖

計算非壓實回填土的頂面受到的壓力大小,模型如圖 2所示。有交通荷載時,非壓實回填土頂面所受應力可由式(1)求得。

式中:q為非壓實回填土筑體頂面所受應力,MPa;q1為非壓實回填土筑體頂面有路面材料自重引起的應力,MPa;q2為活荷載在非壓實回填土筑體頂面產生的應力,MPa。

自重應力由式(2)算出

式中:r為道路面層、基層、墊層各種材料的容重,kN/m3;h為道路面層、基層、墊層各種材料的層厚,m。

活荷載應力由式(3)算出

式中:P為車輪荷載;i為沖擊系數(取i=0.3);A為荷載當量圓擴散到非壓實回填土頂面后面積,擴散角取 45°。

輪胎傳壓面當量圓半徑為 0.1065m,擴散到非壓實回填土頂層半徑為0.1065+0.97=1.0765m,擴散到非壓實回填土頂層面積為 3.14×1.0765×1.0765+0.32×2× 1.0765=4.33m2,計算得到q=0.034MPa。

由計算結果可見,非壓實回填土所受壓應力遠遠小于其各種配合比的抗壓強度,因此非壓實回填土的受壓狀況不作為配合比計算的控制條件,強度的選擇要依據其耐久性能確定。

分析非壓實回填土的使用環境,由于處于路基中,地下水位和地表水都可能使非壓實回填土經常處于干濕交替變化狀態,從而產生干濕應力,破壞非壓實回填土的結構,因此非壓實回填土要具有足夠的強度以抵抗干濕循環的破壞,依據研究成果,確定非壓實回填土28d強度不低于0.8MPa,此強度下的非壓實回填土可以經受干濕循環,且在干濕應力交替作用下強度不會下降;由于非壓實回填土使用位置為距道路表面159cm,遠大于該地區道路防凍厚度,因此非壓實回填土不會受到凍脹破壞應力的影響,凍融破壞不作為強度設計的控制條件。綜上所述,依據非壓實回填土的回填位置和施工條件,確定非壓實回填土的設計抗壓強度為0.8MPa。

確定設計流動值和設計抗壓強度值后,可以確定設計配合比參數。設計流動值為 180mm,依據實驗室配合經驗,水固比初步選取 0.43;水固比、設計抗壓強度根據相關經驗公式計算確定,b值近似取 1.948,設計抗壓強度為 28d強度,所以a值取 1,將已知數代入計算,灰土比x近似取為 0.15,于是配合比兩個參數取值就初步確定。

在回填開始前一周,準好原材料,按照提出的配合比計算方法計算施工配合比,進行實驗室試驗拌和,經 3次測量流動值均大于200mm,有少量泌水,在實際澆注時非壓實回填土有一定的落差,這樣容易產生粗顆粒堆聚,水泥漿體上浮,因此確定將水固比由0.43改變為 0.42,灰土比不變。再次試拌,發現流動值平均值大于180mm,且抗離析和抗泌水性能良好。取樣制作立方體試件,準備測量 7d抗壓強度,結果如表 2所示,滿足設計要求,施工配合比最終確定,見表 3。

表2 設計指標驗算

表3 施工配合比

3 施工方法

(1)依據現場測量含水量換算出施工配合比的土和水的實際重量。

(2)依據攪拌機一次拌和量計算按每次拌和所需材料數量,稱取水泥、水和土的重量。

(3)把已稱好的土和水泥放入攪拌機,干拌 20s左右,再放入已稱好的水,攪拌 2～3min即可。

(4)將拌和好的非壓實回填土用導流槽澆入指定位置,從高處傾倒混合料時,自由傾落高度一般不宜超過 1m。

(5)混合料澆筑完成后,養護24h以上,保證強度增長,期間應嚴禁車輛和行人通過。

(6)每層非壓實回填土施工層厚不宜大于 1m,當回填部位高度大于 1m時,采用分層施工方法。分層施工時,在底層施工 24h后可以開始上層的施工。

4 試驗方法與結果分析

4.1 非壓實回填土干濕循環試驗

(1)按照設計配合比拌制非壓實回填土,將其澆入試件成型,標養28d;

(2)試件養護結束后開始循環工作,將試件在室溫下放入水中浸泡5h,測量試件質量m1;

(3)將試件取出放入 71℃的烘箱中烘干 42h,烘干后測量質量m2,到此一個循環結束;

(4)第一個循環結束后重復 2、3步工作,但不再測量試件質量,如此循環 12次試驗結束,如循環過程中試件破壞則試驗結束。

4.2 非壓實回填土凍融循環試驗

(1)按照設計配合比拌制非壓實回填土,將其澆入試件成型,標養28d;

(2)在養護結束前一天,將試件在室溫下放入水槽浸泡1d,使試件飽水;

(3)試件飽水后開始循環試驗,首先將試件放入冷凍箱,試件間距水平方向不小于 5cm,垂直方向不小于 25cm,在-10℃±5℃的環境中凍結12h;

(4)試件凍結完畢,將試件同托盤一起放入 20℃±5℃恒溫潮濕養護箱中融解12h,至此為一個凍融循環;

(5)重復 3、4步的工作進行凍融循環,如此循環12次試驗結束,如循環過程中試件破壞則試驗結束。

4.3 試驗結果

(1)非壓實回填土灰土比為 0.1時,因為強度不足,在試驗過程中裂縫發展嚴重,導致循環后強度大幅降低。

(2)灰土比大于 0.15的試件,強度損失基本都為正數,即在循環結束后,強度沒有下降,原因可以解釋為非壓實回填土在水泥含量高時結構強度大,內部結構抗拉強度大于干濕應力,從而保持強度穩定性。

(3)非壓實回填土的抗干濕循環能力與抗壓強度有較好的相關性,非壓實回填土抗干濕循環的能力隨強度的增加而提高。一般的非壓實回填土28d強度在0.8MPa以上就可以經受干濕循環,在循環試驗結束時強度不會下降。

(4)本試驗在試件養護 28d進行,使用這個齡期試件進行試驗,試驗結果偏保守,因為在 90d內非壓實回填土的強度都會有較大增長,隨著齡期增長其抗干濕循環能力會不斷增強,因此本次試驗結果證明非壓實回填土有較強的抗干濕循環能力。

總之,試驗結果表明,在干濕循環和凍融循環兩種不同外界破壞條件下,非壓實回填土具有相似的規律:隨著非壓實回填土抗壓強度的提高,其抵抗外界環境破壞的能力提高。

5 結 論

在室內試驗研究的基礎上,將非壓實回填土成功地應用于實際工程中,共選擇三處進行回填,回填總量近 1000m3,在施工過程中非壓實回填土較好的發揮了其工作性優良、強度可調節、剛度適中、經濟環保的特點,并且可以就地再生利用挖方棄土,不需要新的取土場,具有顯著的社會效益和經濟效益。并在工程實踐中總結了一套非壓實回填土的施工方法,為將來更好的推廣應用非壓實回填土奠定了基礎。

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