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(xiāng)鎮(zhèn) 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(shè)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(gòu)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(jié)構(gòu)物以后再進行臺背回填,為了提高回填質(zhì)量,避免產(chǎn)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(jīng)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(cè),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(jié)構(gòu)從上到下依次為路面結(jié)構(gòu)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(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定砂礫組合結(jié)構(gòu),厚度 62cm,基層以下?lián)Q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(jié)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(jié)束。

圖1 臺背回填設(shè)計施工圖

2 施工配合比選擇

施工現(xiàn)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(zhì)比較干燥,在風的作用下容易揚塵,造成環(huán)境污染,因此原料土考慮采用挖方棄土,現(xiàn)場取土檢測,結(jié)果如表 1所示,粗粒含量小于 25%為細粒土,塑性指數(shù)大于 7為粘質(zhì)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(zhì)參數(shù)

在確定使用位置和原材料之后,要確定主要的設(shè)計指標設(shè)計流動值和設(shè)計抗壓強度。本次回填使用自由式攪拌機,攪拌后由導(dǎo)流槽澆入基坑,這樣就要求材料具有自流平的工作性,依據(jù)室內(nèi)試驗和氣泡混合輕質(zhì)土的施工經(jīng)驗,初步確定設(shè)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(yīng)力可由式(1)求得。

式中:q為非壓實回填土筑體頂面所受應(yīng)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(yīng)力,MPa;q2為活荷載在非壓實回填土筑體頂面產(chǎn)生的應(yīng)力,MPa。

自重應(yīng)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(yīng)力由式(3)算出

式中:P為車輪荷載;i為沖擊系數(shù)(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(jié)果可見,非壓實回填土所受壓應(yīng)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(jù)其耐久性能確定。

分析非壓實回填土的使用環(huán)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(jīng)常處于干濕交替變化狀態(tài),從而產(chǎn)生干濕應(yīng)力,破壞非壓實回填土的結(jié)構(gòu),因此非壓實回填土要具有足夠的強度以抵抗干濕循環(huán)的破壞,依據(jù)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(jīng)受干濕循環(huán),且在干濕應(yīng)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(qū)道路防凍厚度,因此非壓實回填土不會受到凍脹破壞應(yīng)力的影響,凍融破壞不作為強度設(shè)計的控制條件。綜上所述,依據(jù)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(shè)計抗壓強度為0.8MPa。

確定設(shè)計流動值和設(shè)計抗壓強度值后,可以確定設(shè)計配合比參數(shù)。設(shè)計流動值為 180mm,依據(jù)實驗室配合經(jīng)驗,水固比初步選取 0.43;水固比、設(shè)計抗壓強度根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗公式計算確定,b值近似取 1.948,設(shè)計抗壓強度為 28d強度,所以a值取 1,將已知數(shù)代入計算,灰土比x近似取為 0.15,于是配合比兩個參數(shù)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(jīng) 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(chǎn)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?yōu)?0.42,灰土比不變。再次試拌,發(fā)現(xiàn)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(jié)果如表 2所示,滿足設(shè)計要求,施工配合比最終確定,見表 3。

表2 設(shè)計指標驗算

表3 施工配合比

3 施工方法

(1)依據(jù)現(xiàn)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(jù)攪拌機一次拌和量計算按每次拌和所需材料數(shù)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(dǎo)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(yǎng)護24h以上,保證強度增長,期間應(yīng)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(jié)果分析

4.1 非壓實回填土干濕循環(huán)試驗

(1)按照設(shè)計配合比拌制非壓實回填土,將其澆入試件成型,標養(yǎng)28d;

(2)試件養(yǎng)護結(jié)束后開始循環(huán)工作,將試件在室溫下放入水中浸泡5h,測量試件質(zhì)量m1;

(3)將試件取出放入 71℃的烘箱中烘干 42h,烘干后測量質(zhì)量m2,到此一個循環(huán)結(jié)束;

(4)第一個循環(huán)結(jié)束后重復(fù) 2、3步工作,但不再測量試件質(zhì)量,如此循環(huán) 12次試驗結(jié)束,如循環(huán)過程中試件破壞則試驗結(jié)束。

4.2 非壓實回填土凍融循環(huán)試驗

(1)按照設(shè)計配合比拌制非壓實回填土,將其澆入試件成型,標養(yǎng)28d;

(2)在養(yǎng)護結(jié)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(huán)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(huán)境中凍結(jié)12h;

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

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

4.3 試驗結(jié)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(fā)展嚴重,導(dǎo)致循環(huán)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(shù),即在循環(huán)結(jié)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(jié)構(gòu)強度大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)抗拉強度大于干濕應(yīng)力,從而保持強度穩(wěn)定性。

(3)非壓實回填土的抗干濕循環(huán)能力與抗壓強度有較好的相關(guān)性,非壓實回填土抗干濕循環(huán)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(jīng)受干濕循環(huán),在循環(huán)試驗結(jié)束時強度不會下降。

(4)本試驗在試件養(yǎng)護 28d進行,使用這個齡期試件進行試驗,試驗結(jié)果偏保守,因為在 90d內(nèi)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(huán)能力會不斷增強,因此本次試驗結(jié)果證明非壓實回填土有較強的抗干濕循環(huán)能力。

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

5 結(jié) 論

在室內(nèi)試驗研究的基礎(chǔ)上,將非壓實回填土成功地應(yīng)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(fā)揮了其工作性優(yōu)良、強度可調(diào)節(jié)、剛度適中、經(jīng)濟環(huán)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(jīng)濟效益。并在工程實踐中總結(jié)了一套非壓實回填土的施工方法,為將來更好的推廣應(yīng)用非壓實回填土奠定了基礎(chǔ)。

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