輕質填料處理橋頭跳車病害的工程應用

高彥強

(石家莊市公路橋梁建設集團)

1 工程地質狀況

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 橋頭引道路堤的設計方案與施工質量控制

2．1 設計方案

根據地質鉆探資料，橋頭引道路段屬軟土地基，需加固處理，設計為正方形布置的水泥攪拌樁，樁徑D=0．6m，長L=10m，擴散角以內樁距1．2m，以外至坡角樁距為1．4m。地基頂面鋪設一層土工布，上鋪40cm碎石墊層，以上鋪一層復合土工膜，其上用高鈣粉煤灰和粉煤灰(質量比30∶70)混合料填筑路堤，每20cm一層，每3層鋪設一層CE131土工網直至路槽標高。結構形式如圖1。

圖1 引道路堤設計示意圖(單位：m)

2．2 施工質量控制

高鈣粉煤灰與粉煤灰必須拌和均勻，每20cm一層，壓實度K≥95%，并在最佳含水量下壓實，土工網、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理分析

以加筋粉煤灰作為橋頭引道路堤填料，其相應壓實度下的干密度(1．19g/cm3)，遠小于砂礫(2．1g/cm3)等透水性材料，也小于水泥穩定類材料(1．4～2．2g/cm3)，屬輕質材料。這樣就可以減輕路堤本身自重，減小地基附加應力，進而減小地基沉降特別是工后沉降。同時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與臺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度形成機理

高鈣粉煤灰區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，能夠與粉煤灰發生火山灰反應，并激發普通粉煤灰的活性，進而生成具有一定強度和整體穩定性的板體結構，具有良好的路用性能。高鈣粉煤灰與粉煤灰干質量30∶70的混合料7d抗壓強度(壓實度95%)可達1．2MPa，并且隨齡期增大而增大。如表1所示數據，在試驗范圍內，其規律符合對數關系

式中：S為抗壓強度;D為齡期;Ln(D)為齡期的自然對數;a，b為回歸系數。

混合料的強度還隨壓實度的增大而升高，其規律如圖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度(齡期180d)也能達到較高的標準。

表1 各齡期強度表

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性質決定的，它們的化學成分如表3所示。

圖2 混合料7d強度隨壓實度變化

表2 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的劈裂強度表

表3 高鈣粉煤灰與粉煤灰的化學成分

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

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

同時，部分Ca(OH)2與CO2反應生成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反應生成物，水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等都是水硬性物質，反應初期以膠凝物質的形式分布于混合料玻璃體周圍，使粉煤灰團粒化，隨著反應的繼續進行，這些膠凝物質逐漸結晶，形成相互交織的晶體網狀結構，使混合料成為強度較高的整體性結構。壓實度越大、齡期越長單位體積內生成的晶體就越多，混合料的強度就越高。

3．2 粉煤灰混合料中加筋對減小臺背差異沉降的作用機理

高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料中加鋪土工網，在混合料強度的形成過程中，其與土工網結合成一有機整體。通過現場取樣的拉拔試驗(壓實度93%)結果表4和圖3可知，土工網與粉煤灰混合料能夠很好的共同作用，且土工網與混合料的拉拔摩擦角和粘聚力都大于砂。進一步分析得出，土工網的拉拔強度由兩部分組成：(1)土工網表面與填料摩擦力;(2)填料對土工網橫格的被動土壓力。土工網與粉煤灰混合料的拉拔強度之所以比砂大，是由于粉煤灰比砂顆粒細，比表面積較大，粉煤灰混合料與土工網的接觸面積較大，進而在相同法向應力下摩擦力較大，并且壓實后以團粒存在，團粒比砂變位困難，即粉煤灰混合料比砂對土工網嵌固作用大。隨著齡期的增長，高鈣粉煤灰與粉煤灰的反應逐步深入，對土工網的界面強度越來越高，成型7d后，土工網直至拉斷也無法從試驗箱中拔出(上覆壓力等于60cm粉煤灰混合料重)。

表4 拉拔試驗結果

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

圖3 土工網與砂、混合料拉拔試驗

4 結論

(1)應用輕質填料——加筋粉煤灰作為橋頭引道路堤填料，能夠減小地基附加應力，進而減小沉降，同時減小填料自身的塑性變形。

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

(3)土工網與混合料的界面強度，使部分豎向應力轉化為土工網的拉力與界面摩擦力，減小豎向應力，減小地基沉降，緩解臺背差異沉降，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體工程，自2010年8月竣工通車至今，無跳車現象，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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