淺談高速公路坑洞流態粉煤灰回填的應用效果

【摘 要】流態粉煤灰材料具有水穩性好、強度和壓縮模量高等一系列的優點，在高速公路坑洞回填中能夠發揮重要的作用。工程實踐表明，用流態粉煤灰技術填筑高速公路的坑洞可以減小路面的沉降。因此，流態粉煤灰技術是控制和提升高速公路坑洞回填質量的一項經濟有效的措施。在這種背景下，本文首先探討了高速公路坑洞流態粉煤灰回填的特性，并對高速公路坑洞流態粉煤灰回填效果進行了分析。

【關鍵詞】高速公路；坑洞；流態粉煤灰回填；應用效果

流態粉煤灰材料一般均能符合道路基底層級配料的要求及一般填方工程的質量需求，因此流態粉煤灰回填應用于高速公路坑洞填方具相當的適用性。由于流態粉煤灰具自流性及自充填性等特點，因此不需搗實，操作過程不需要任何額外夯實設備，便可自動填充，加上石灰材料的凝結特性，足以滿足鋪面工程基層與底層承載力需求。這種材料在國內的開發與應用，將會是解決各種坑洞回填工程問題的最佳方法。

一、高速公路坑洞流態粉煤灰回填的特性

第一是流動性。具有良好流動性，使得流態粉煤灰成為替代傳統回填唯一選擇。流態粉煤灰因良好流動性，具自我填充功能，尤其孔隙不需機器震動夯實即可達到良好填充效果。這種性質與傳統的回填需以機器夯實相比較，具有較大優勢，但在塑性狀態時又能具有與混凝土相同性質。

第二是抗析離性。當配比添加額外或過量的拌合水時，能達到相當高的流動性，但會造成析離。只要添加特殊摻料即可達到高流度且不發生析離。為達高流動性且不生析離的流態粉煤灰，可添加適當的細粒料以提供足夠的凝聚性。避免析離，一般飛灰經常被視為一種細粒料。若所使用的細粒料具粘土質成分時，應避免使用，將會造成干縮現象。研究結果顯示，添加F級飛灰含量高至415kg/m3時，與其他拌合材如沙、泥土拌合，可獲得滿足流態粉煤灰基本性質的高流動性材料。有些工程中也沒有使用沙土，僅使用飛灰為填充材，也可制作出符合需求流態粉煤灰，但依此配比施工時，需較多拌合水量，但不會產生明顯的析離現象。

第三，沉陷性。流態粉煤灰沉陷量的發生在于因體積的減少，通過壓密作用而產生的水分喪失或空氣的排出。超過水化作用所需的用水量，會被表面周圍的土壤吸收或變成游離水而形成在表面呈滲水狀態，大部分的沉陷現象發生在澆筑時，其沉陷的程度需是被釋放出的游離水含量。在高含水量的配比中，其沉陷量約1.04～2.08mm/m。若使用較低含水量來拌合，則發現會有較少的沉陷量或甚至不會發生沉陷。

第四，硬固時間。所謂低控制強度材料硬固時間是指重塑性狀態至硬固狀態所需時間，能達到足夠的抗壓強度以支撐車的荷重，這時間常會被釋放出的滲水量及速率所影響。一般流態粉煤灰硬固時間約需半天至數天，視配比而定，但若為特殊目的時可縮短至一小時，通常可以用貫入式抵抗試驗法量出硬固時間及承載力。一般貫入值需500～1500psi，以確定足夠承載力。

第五，滲透性。對大部分具可開挖性低控制強度材料而言，具有與一般回填相同滲透性。一般而言，低控制強度材料的滲透性系數約在10.4～10.5cm/sec，具較高強度或細骨材添加量較高的低控制強度材料，滲透系數將會降低至10.7cm/sec。一般而言，滲透系數會隨粘結材料的減少而增加，且會隨骨材用量而增加（尤其是骨材用量超過80%時）。若為了降低其滲透性而使用具膨脹性的粘土或硅藻土為回填時，將會影響其他性質。因此，在使用流態粉煤灰進行回填前，需要先經過詳細的試驗測試才可使用。

第六，再開挖性。流態粉煤灰與傳統回填材料最大的差別之一，就是具有再開挖功能。通常抗壓強度低于50psi（3.5kg/cm2），僅需以人工方式可完成再開挖；抗壓強度介于100～200psi（7～14kg/cm2），可使用小型挖土機完成開挖。對添加高含量的粗骨材的低控制強度材料而言，即使在低抗壓強度的情況下，仍無法以人工方式完成開挖，對于添加高量細骨材或僅添加飛灰的流態粉煤灰而言，既使抗壓強度至300psi（21kg/c m2），也可使用小型挖土機完成開挖。

二、高速公路坑洞流態粉煤灰回填效果分析

一般常用于分析回填坑洞穩定的方法主要有極限平衡法與數值分析方法，極限平衡法以考慮材料強度為主要因素，并利用破壞面安全系數來定義回填坑洞穩定性。因為其在應用上較為簡易，故為坑洞回填所廣泛使用。數值方法則考慮材料的應力—應變性質，其分析理論較為繁瑣，由于土體材料性質不易掌握，加以分析時不易使用筆算驗證，而限制了其在回填坑洞穩定分析上的實用性。以極限平衡法分析所得的最小安全系數，通常假設破壞面為直線型、圓弧型、對數螺線型及復合型。當然，在這些破壞下沉面之外，仍可能存在某個破壞下沉面，且其安全系數較前述假設所得的值較小。除此之外，極限平衡法分析回填坑洞破壞時，為剛體且完全剪力破壞，但實際上仍須考慮土體材料的變形性與張力強度等影響回填坑洞穩定性。

以數值方法分析，需對流態粉煤灰的力學性質加以定量的了解。就應用而言，除了人為的夯實結構體力學性質易于控制外，自然回填坑洞、開挖面等的力學性質難以準確獲得的工程，較難加以分析。極限平衡法假設回填坑洞未破壞時土體為剛體且無變形，破壞發生時則為完全剪力破壞，沿破壞面均達塑性，即未考慮材料的彈性變形。以有限元素數值分析程序ANSYS，其分析時可考慮較復雜的流態粉煤灰行為（組合律與強度準則等），可通過計算出流態粉煤灰的應力及應變，但ANSYS 程序卻并不能自動輸出所分析回填坑洞的安全系數與下沉破壞面位置。因此，在對兩種分析方法進行融合的基礎上，本文提出了有限元素數值分析方法。運用這種方法進行分析時，若材料特性復雜、結構分析困難，則以完全理想塑性模式分析，從而簡化問題分析時的困難度。因此，本文假設流態粉煤灰為彈塑性材料來簡化問題利于有限元素分析，以彈塑性理論的材料模式來推導彈塑性矩陣，并采用ANSYS為有限元素分析工具，在對流態粉煤灰與一般土壤進行分析比較后，獲得了如下研究結論。

通過對于以ANSYS程序分析流態粉煤灰回填坑洞的穩定性、安全系數的研究制定及臨界下沉破壞面位置的判斷，可獲得下列幾點結論。

第一，由于ANSYS并不能自動輸出所分析回填坑洞的安全系數及臨界坡壞面，本文提出以強度折減方式定義安全系數及以分析時所輸出的位移向量圖、最大剪應變等值圖所判斷的臨界下沉面位置，所得結果均能符合回填坑洞的行為趨勢。

第二，ANSYS程序與STABL程序分析所得的安全系數差異不大，但由于STABL程序未考慮土體的變形性，且假設破壞實為完全剪力破壞，而ANSYS在考慮不同的彈性變量與土壤粘滯系數。由所得結果發現彈性變量、粘滯系數對土壤回填坑洞穩定有一定影響性，故STABL程序分析所得的安全系數一般大于ANSYS分析所得，則STABL應用在回填坑洞穩定分析方面應當進行適時的限制。

第三，分別以一般土壤與流態粉煤灰回填進行分析，再以無加載與有加載兩種狀況分析。結果顯示，有加載狀況時安全系數將會降低進而影響回填坑洞的穩定性。當使用流態粉煤灰回填時，無論有無加載狀況下，路堤回填坑洞無破壞的現象，其安全系數將可大幅提高至3.339。故以流態粉煤灰對高速公路坑洞加以回填，將可加大回填坑洞的堅實程度。

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