粉煤灰在高填方路基拓寬工程中的適用性研究

張曉磊，胡海彥

(黃河水利職業技術學院，河南 開封 475003)

隨著我國國民經濟的快速發展，已經建成的很多高速公路不能夠滿足迅速增長交通量的需求，越來越多的高速公路需要進行改擴建來滿足日益增長的交通量的需求。但是，高速公路改擴建工程中新老路基拼接所引起的差異沉降問題制約著高速公路拓寬技術的發展。目前，世界各國已有多條不同等級的公路進行了拓寬改造或者升級，在高等級公路中多采用輕質填料或進行地基處理等手段來控制拓寬后公路路基的不均勻沉降問題[1-5]。粉煤灰是一種已經在工程廣泛使用的輕質填料，近年來被“變廢為寶”用于修筑路基和基層，既節約了開挖黏土所需的耕地資源，又保護了環境，具有非常顯著的技術經濟效益[6-9]。同時，也有部分工程中將其用于路基拓寬中，但是目前對粉煤灰在路基拓寬中的適用性，及粉煤灰與土工格柵組合使用的工程效果尚缺乏系統研究。鑒于此，筆者將展開全面的試驗與理論研究。

1 現場測試

1.1 試驗概況

某高速公路擴建工程以一段長度為187 m，路基填高≥6 m的加寬路基為試驗路段。右幅路基加寬填料采用一般黏性土，并且將一層鋼塑性土工格柵鋪設在下路床底層，以后每填筑80 cm 沖擊碾壓一次，鋪設一層鋼塑性土工格柵。左幅采用粉煤灰作為路基加寬填料，并用0.5 m厚的黏性土包邊，下路床底層鋪設一層鋼塑性土工格柵，往后每填筑80 cm再鋪設一層鋼塑性土工格柵。

選取具有代表性的斷面布設沉降觀測設備，進行沉降觀測，選取一些能夠體現本段路基的沉降變化規律的路段作為沉降觀測斷面。根據試驗段的實際情況，選取了4個具有代表性的斷面，其中4個斷面分為2組，每一組包含2個斷面(A斷面，B斷面)，2個斷面沿著線路方向左右對稱。

主要觀測項目為地表沉降、一般黏性土和粉煤灰對地基產生的應力大小，用于對比分析地基的變形特性和沉降規律。在粉煤灰和一般黏性土路基段選取了代表性的4個斷面進行了觀測設備的埋設。在兩組斷面埋設了剖面管、沉降板、土壓力盒等觀測元件。4個斷面中都埋設了剖面管用來測量地表的沉降變形，每個斷面的新舊路基的交界處和新路基的路肩處分別埋設了土壓力盒和沉降板，用來測量地表應力與沉降。兩段路基的施工進度如圖1。

圖1 施工進展Fig.1 Construction progress

1.2 試驗結果分析

1.2.1 土壓力

圖2與圖3分別為隨著路基填筑，兩測試斷面中粉煤灰與素土填筑拓寬部分的土壓力變化。

圖2 粉煤灰試驗段土壓力變化Fig.2 Earth pressure of the tested section of fly ash subgrade

圖3 素填土試驗段土壓力變化Fig.3 Earth pressure of the tested section of plain filling subgrade

從圖2、圖3的曲線可看出，路基的新舊路基交界處和新路基的路肩處的土壓力隨著填筑高度增高而增大，并且土壓力的實測值小于理論計算值，隨著填筑高度的增加實測值與理論值的偏差增大。

從4個斷面的土壓力曲線看，新舊路基交界點的土壓力值增加較新路肩處的土壓力值增加的快。路基加寬工程中，填筑高度相同的情況下，填土路基的新路肩和新舊路基交點處的土壓力大于粉煤灰填筑路基的新路肩和新舊交界點處的土壓力。

1.2.2 地基頂沉降

為了研究粉煤灰和一般性土作為加寬路基填料引起地基的沉降變形規律，分別在兩個測試斷面的新舊路基的交界點和新路肩位置，埋設沉降板用來測試粉煤灰與填土加寬路基的地表的沉降。沉降板在填筑第2層后開始埋設，沉降板應該埋設在最底層土工格柵的上面。沉降觀測頻率按照每填筑一層進行1次觀測，如果兩層之間的填筑時間間隔超過3 d，再加1次沉降觀測。根據實測的沉降板的沉降數據，繪制兩測試斷面中新舊路基交界點和新路基路肩位置的沉降與填筑高度的關系曲線圖，如圖4、圖5。

圖4 粉煤灰填筑段沉降板的沉降曲線Fig.4 Subsidence curves of the settlement plate in the fly ash filling segment

圖5 素土填筑段沉降板的沉降曲線Fig.5 Subsidence curves of the settlement plate in the plain soil segment

從圖4、圖5可以看出，路基加寬工程中，地基沉降隨著填筑高度的增大而增大，而且新路肩的沉降量比新建路基結合部的沉降量大，但隨著填筑高度的增加沉降速率在不斷地減小，說明施工階段，地基隨著填高的增加地基的沉降逐漸趨于穩定狀態。施工過程中粉煤灰填筑加寬路基的地基沉降量小于填土加寬路基的地基沉降量，體現出粉煤灰作為輕質填料的優越性。

1.2.3 路基剖面沉降

通過在每個斷面內埋設剖面沉降儀來監測整個橫斷面的地表沉降，當路基填筑到地基表面土工格柵上方大約50 cm左右開始埋設剖面管。管頭用高精度的沉降觀測設備確定其標高，柔性管內通過高靈敏度的傳感器來測量柔性管內部任意兩點之間的沉降差。為了更好的比較與分析4個測試斷面的沉降曲線，選擇有代表性的數據分析，繪制出2個路基斷面內4個測試斷面的沉降曲線，如圖6、圖7。圖內橫坐標的0點代表新舊路基的交界處的沉降，橫坐標大約4 m處是新加寬的路基路肩位置。

圖6 粉煤灰路基沉降曲線Fig.6 Settlement curve of fly ash subgrade

圖7 素填土路基沉降曲線Fig.7 Settlement curve of plain fill subgrade

通過4個測試斷面的沉降曲線可以看出：從新舊路基交界點往加寬方向加寬路基的沉降是非線性變化的，隨著加寬寬度的增加沉降也在增大，最大沉降量在新路基的路肩位置，繼續往加寬路基外側沉降在逐漸地減小，而且，粉煤灰填筑加寬路基的地基沉降量小于填土加寬路基的地基沉降量，沉降管測出的沉降量與沉降板測出的沉降量吻合。

2 數值分析

2.1 分析模型

以路基拓寬工程的試驗段當作工程實例，原本有路堤頂面寬度為28.0 m的雙向4車道高速公路，分別將原有高速公路兩側進行加寬，各加寬7.25 m。因為結構以路基中軸線為對稱軸，所以原路堤頂面每側寬為14 m，路堤頂面拓寬部分寬度為7.25 m，路堤填高6 m。原路堤和拓寬路堤邊坡坡度都采用1∶1.5，取自然地面下25 m為地基計算深度，以自路基中軸線向外100 m為計算寬度。以原地基表面為起點鋪設土工格柵，每填筑粉煤灰80 cm鋪設一層土工格柵，共鋪設土工格柵8層。

計算模型基本假定如下：

1)路堤和路基土體都選用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，模型參數如表1。

2)因為計算模型是對稱結構，所以以路堤中心線作為對稱軸，任意選取一半進行計算。

3)以地基底面固定約束為邊界條件，地基寬度外側為水平向約束。

4)假定舊路基下的地基固結變形早已完成。

5)地基土和老路基土的自重形成地基和路堤中的初始應力場，并且把初始位移回位歸0。

6)假設面層、基層、底基層、新老路基等結合面處治較好，并且接觸狀態均為完全連續，不會有相對滑移和脫離現象發生。

表1 材料參數

計算網格如圖8。

圖8 拓寬路基計算網格Fig.8 Computational grid of the widen subgrade

2.2 結果分析

2.2.1 位移場

加寬路基填料采用粉煤灰是完全可行的，在路基施工過程中，在新老路基結合處的坡腳位置發生了最大沉降值為30.2 mm的沉降；以新老路基結合處的坡腳位置為中心路基沉降值基本均以近似弧形發散的形式朝周圍遞減；老路基沉降值相對較小，特別是舊路基中部。土工格柵加筋使路基位移場產生了顯著變化，路基底部土體的水平位移被土工格柵加筋有效地限制了，最主要的是土工格柵的加筋使地表最大水平位移不再出現在路基底部；土工格柵的加筋作用使新老路基的不均勻沉降減小，且使路基下沉更趨向于整體式，使不均勻沉降引起的病害大大減小。

素土加寬路基水平位移最大值發生在新路基邊坡處，施工過程中水平位移最大值為20.3 mm；由于加寬路基部分的荷載作用，部分土體往內側(即路基中線方向)擠壓，部分土體往外側擠出，這和地基內主應力分布情況是相一致的；新加寬的路基表面填土有向拓寬路基方向滑移的趨勢。土工格柵加筋作用使得加寬路基的水平位移場分布發生了變化，主要通過約束路基地表水平位移來實現加筋的效果，地基中的應力場和位移場的改變是通過約束路基地表位移實現的，從而使路基的穩定性得到較大提高。

2.2.2 應力場

第1主應力和第3主應力均隨著深度的增加而增加，變化沿路基中線處中部大兩端小，表現為拱狀。第1主應力的最大值為-265.7 kPa，第3主應力的最大值為-457.1 kPa，均發生在路基中線深處。總的來說應力值不大。土工格柵的加筋作用對第1主應力的影響較為顯著，特別是在路基新舊結合部，格柵埋置于土中后產生的“薄膜”或“網兜”效應，在土工格柵中形成托舉力，改善了加寬路基應力場的分布，減少了由于土體自重作用而產生的豎向土壓力。

新舊路基結合部的坡腳處出現了小范圍的塑性區，若該區域土體未添加約束，則土體會向自由表面擠出，在水平方向發生較大變形，并且在豎直方向將有隆起的趨勢，因此加寬路基施工的薄弱部位在新舊路基結合部坡腳處，在設計和施工的過程中均要特別注意。以新舊路基結合部處鋪設土工格柵筋材作為約束的路段作為路基拓寬工程的試驗段，約束變形的發展，防止土體在新路基荷載作用下發生局部破壞，從而保證路基的穩定性和安全性。

新老路基結合部中部的土工格柵所受拉力隨著路基填筑高度的變化如圖9。

圖9 路基中部土工格柵軸力隨填筑高度發展Fig.9 Gogrid axial force development with the filling height in central subgrade

從圖9中可以看到，拉筋所受最大拉力隨著路基填筑高度的增大而變大后趨于平穩，在路基填筑高度達到4～5 m時，土工格柵的軸力達到最大值1.599 kN。土工格柵拉筋拉力向新路基方向逐漸減小，這主要是由于路基不穩定區拉筋與土之間的摩阻力抵消了部分土壓力，同時拉筋變形等原因促使不穩定區拉筋起抗剪作用的緣故。

3 結 論

粉煤灰作為路基填料已經有較多研究，主要因為粉煤灰質量小、路基工后沉降可以減少，同時可以增加粉煤灰的用量，有效減少環境污染。筆者結合理論分析與實際檢測，對拓寬工程中粉煤灰的適宜性得出了一些有益的結論，具體如下：

1)通過分析黏土和粉煤灰兩種材料的高填方路基擴寬段的土壓力、地基頂面沉降、地表剖面沉降實測數據發現，施工過程中粉煤灰填筑加寬路基的地基沉降量較填土段為小，體現出粉煤灰作為輕質填料的優越性。

2)粉煤灰路基的數值模擬結果表明，用粉煤灰作為加寬路基填料可以有效減小高填方路基的地基沉降，將其用于路基填筑具有技術經濟可行性。

3)拓寬段“土工格柵 + 粉煤灰”路基的力學行為表明，土工格柵的加入可以從微觀機理上改善拓寬部分路基結構的受力特征，顯著減小路基沉降，保證路基的穩定性與使用安全。

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