沈 正，董 祥，宗 蘭

(南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，南京 211167)

在公路與城市道路工程中，橋頭跳車問(wèn)題一直是一個(gè)未得到完全解決的難題[1-3]。臺(tái)背填土與橋梁結(jié)構(gòu)的沉降不均是導(dǎo)致橋頭跳車的主要原因。受施工條件限制，臺(tái)背處填土壓實(shí)質(zhì)量很難保證，在自重作用下易發(fā)生固結(jié)變形，回填土下的地基也因回填土重的持續(xù)作用而發(fā)生沉降。因此，導(dǎo)致了臺(tái)背后不均勻沉降而引發(fā)橋頭跳車現(xiàn)象。

如何減小臺(tái)背填土的變形與地基的沉降是解決橋頭跳車的關(guān)鍵[4-8]。我國(guó)粉煤灰資源較為豐富，而且質(zhì)量輕，用粉煤灰回填臺(tái)背可大大降低路堤下地基的附加荷載，有利于減少地基沉降及路堤對(duì)橋臺(tái)的側(cè)壓力。但由于粉煤灰存在著強(qiáng)度不穩(wěn)定、橋頭施工不易壓實(shí)的弱點(diǎn)，限制了粉煤灰在橋頭臺(tái)背回填的應(yīng)用。將粉煤灰添加一定劑量的固化劑，經(jīng)壓實(shí)后，通過(guò)其對(duì)粉煤灰產(chǎn)生的物理化學(xué)作用，使粉煤灰具有較高的強(qiáng)度與整體性，從而也提高了其水穩(wěn)定性。本文對(duì)固化劑JNS-1固化粉煤灰在臺(tái)背回填中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究，最后通過(guò)工程實(shí)例對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。

1 原材料的性質(zhì)

試驗(yàn)用固化劑JNS-1為鎮(zhèn)江市三新建設(shè)科技生產(chǎn)的粉煤灰固化劑，它是一種粉煤灰增強(qiáng)膠結(jié)材料。由增強(qiáng)劑、I級(jí)粉煤灰、MFA激發(fā)劑等材料組成，經(jīng)過(guò)球磨工藝深加工，充分激發(fā)其活性的材料。固化劑的主要技術(shù)指標(biāo)見表1，粉煤灰的基本性質(zhì)見表2。從表2可以看出，試驗(yàn)所用粉煤灰活性較高，屬于低鈣粉煤灰。

表1 固化劑JNS-1化學(xué)成分分析 %

表2 粉煤灰的基本性質(zhì) %

2 JNS-1固化粉煤灰工程性質(zhì)

2.1 擊實(shí)特性

按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[9]中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行了重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，以確定混合料的最大干密度和最佳含水量，結(jié)果見表3。

由表3可見，JNS-1固化粉煤灰最大干密度不到1.22 g/cm3，而黏土、砂土最大干密度大約為 1.6～1.8 g/cm3，礫石土為1.9 g/cm3左右?？梢奐NS-1固化粉煤灰的最大干密度約為同等密實(shí)度砂土、黏性土的2/3，即用粉煤灰混合料填筑路堤比一般素土路堤使地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力小1/3左右，地基沉降當(dāng)相應(yīng)減小。

2.2 強(qiáng)度特性

根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果，按95%壓實(shí)度制備試件，成型后放置養(yǎng)生室常溫濕氣養(yǎng)生至7 d、14 d、28 d，測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果列于圖1。由圖1可見，在粉煤灰中摻入6% ～12%固化劑，28 d強(qiáng)度都在1.0 MPa以上，已基本硬化，不會(huì)發(fā)生固結(jié)收縮。因此無(wú)需像填土那樣要有足夠長(zhǎng)的時(shí)間完成自身的再固結(jié)，能承受自身荷載和上部汽車荷載的作用。

表3 重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖1 JNS-1固化粉煤灰抗壓強(qiáng)度

2.3 水穩(wěn)性

由于雨水可能沿橋臺(tái)伸縮縫處滲入臺(tái)背路堤，造成臺(tái)背路堤沖刷破壞。因此，作為臺(tái)背回填料，必須對(duì)其水穩(wěn)性進(jìn)行檢驗(yàn)。水穩(wěn)性以水穩(wěn)系數(shù)表示，水穩(wěn)系數(shù)=飽水抗壓強(qiáng)度/不浸水抗壓強(qiáng)度。各齡期水穩(wěn)系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2中可知，JNS-1固化粉煤灰的水穩(wěn)性都比較好，這是因?yàn)镴NS-1固化粉煤灰復(fù)合材料屬水硬性材料，這表明在過(guò)濕條件下，用固化粉煤灰回填臺(tái)背路堤，具有十分優(yōu)良的水穩(wěn)性。

2.4 抗凍性

圖2 各齡期水穩(wěn)系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

由于地下水隨水位上升或毛細(xì)作用上升滲入臺(tái)背路堤，以及雨水可能沿橋臺(tái)伸縮縫處滲入臺(tái)背路堤，在自然條件下產(chǎn)生的凍融循環(huán)反復(fù)作用會(huì)使臺(tái)背回填材料強(qiáng)度逐漸降低。并會(huì)產(chǎn)生薄弱面，甚至在薄弱面產(chǎn)生開裂等破壞。因此，作為臺(tái)背回填料，必須對(duì)其抗凍性進(jìn)行檢驗(yàn)。抗凍性能試驗(yàn)方法參照混凝土抗凍性能試驗(yàn)[10]。試件養(yǎng)生期為28 d，循環(huán)時(shí)在 －10℃ ±1℃的冰箱凍4 h后，將試件取出置入恒溫室內(nèi)融化，融化溫度為(20±2)℃，融化時(shí)間為12 h，待完全融化后再次安裝試樣進(jìn)行凍結(jié)，重復(fù)進(jìn)行上述試驗(yàn)操作，本試驗(yàn)凍融循環(huán)次數(shù)為20次。JNS-1固化粉煤灰復(fù)合材料抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 JNS-1固化粉煤灰凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，隨著固化劑含量的增加，JNS-1固化粉煤灰強(qiáng)度損失逐步降低，抗凍性能逐步增強(qiáng)。觀察試驗(yàn)過(guò)程中試件的變化情況，經(jīng)過(guò)20次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，固化劑摻量6%以上試件狀態(tài)較完好，只有個(gè)別試件柱身表面出現(xiàn)不明顯橫向裂紋。進(jìn)行第2次飽水后，試件的外表面及邊緣脫落現(xiàn)象也很輕微。固化劑摻量6%以上試件強(qiáng)度損失 <13%，凍穩(wěn)定系數(shù)>87%，抗凍效果十分明顯。因此宜采用較高劑量JNS-1固化劑的固化粉煤灰作為臺(tái)背回填材料。

2.5 不同壓實(shí)度下的強(qiáng)度特性

該項(xiàng)目研究目的在于，了解粉煤灰混合料在較低壓實(shí)度下的強(qiáng)度特點(diǎn)，以判定是否滿足技術(shù)要求，進(jìn)而提出合理的壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)或者混合料配比。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同壓實(shí)度下JNS-1固化粉煤灰抗壓強(qiáng)度

由圖4可以看出，JNS-1固化粉煤灰的強(qiáng)度隨壓實(shí)度增大而顯著提高。由于越靠近結(jié)構(gòu)物，受施工條件限制，壓實(shí)越困難，因此宜采用高劑量JNS-1固化劑的固化粉煤灰材料。

2.6 壓實(shí)特性

臺(tái)背回填由于受施工條件或工藝順序的限制，橋頭部位的壓實(shí)度往往達(dá)不到要求。為證實(shí)JNS-1固化粉煤灰材料的壓實(shí)特性，研究中采用1.5 kW平板振動(dòng)器以及蛙夯對(duì)JNS-1固化粉煤灰的壓實(shí)性進(jìn)行了檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果列于表4。

表4 JNS-1固化粉煤灰的壓實(shí)特性試驗(yàn) %

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，JNS-1固化粉煤灰隨振動(dòng)時(shí)間增加而逐漸趨于密實(shí)。受壓實(shí)設(shè)備功能的影響，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到92%～95%左右時(shí)，繼續(xù)振動(dòng)對(duì)壓實(shí)度提高已不顯著。進(jìn)而說(shuō)明，在小型壓實(shí)設(shè)備作用2 min后，JNS-1固化粉煤灰混合料93%的壓實(shí)度也是容易達(dá)到的。因此，結(jié)合表4提出用于臺(tái)背回填的二灰壓實(shí)度不宜低于93%。

2.7 無(wú)側(cè)限抗壓回彈模量

根據(jù) JNS-1固化粉煤灰壓實(shí)特性試驗(yàn)，分別按90%、93%和95%成型10 cm×10 cm固化粉煤灰抗壓回彈模量試件，試驗(yàn)方法為規(guī)范(JTG E51—2009)中的頂面法。養(yǎng)生時(shí)間為28 d，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 不同壓實(shí)度下JNS-1固化粉煤灰28 d抗壓回彈模量

由圖5可知，固化粉煤灰的回彈模量遠(yuǎn)大于砂土、黏土和砂礫土的回彈模量。具有較好的板體性和荷載擴(kuò)散能力，避免地基在路堤填土荷載作用下發(fā)生不均勻沉降。另外，試驗(yàn)結(jié)果還表明固化粉煤灰的回彈模量及其水穩(wěn)性隨壓實(shí)度增大而顯著提高，在試驗(yàn)范圍內(nèi)略呈直線相關(guān)。

同時(shí)由圖5可以看出，摻9% ～12%的JNS-1固化劑的粉煤灰混合料在90%壓實(shí)度時(shí)，28 d強(qiáng)度達(dá)到1.29 MPa以上，模量達(dá)209 MPa以上;93%壓實(shí)度時(shí)，28 d強(qiáng)度可達(dá)到1.54 MPa，模量達(dá)255 MPa以上。由此可見，摻9% ～12%JNS-1固化劑的粉煤灰混合料完全能滿足承載能力的要求。

3 工程應(yīng)用

JNS-1固化粉煤灰工程施工類似于灰土施工，其工藝簡(jiǎn)單，工作量不大時(shí)可采用混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行拌合，工作量較大時(shí)可采用攪拌臺(tái)集中攪拌。拌合均勻后，根據(jù)工程施工要求進(jìn)行分層鋪攤壓實(shí)，在靠近臺(tái)背及耳墻處的死角，可采用小型平板振動(dòng)器或蛙夯振壓、成型、養(yǎng)護(hù)。本文通過(guò)一個(gè)工程實(shí)例，對(duì)JNS-1固化粉煤灰混合料在臺(tái)背回填中的應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

1)工程概況 鎮(zhèn)江市長(zhǎng)江路二期工程——平政橋橋頭臺(tái)背回填。該工程共有五部分組成，分別標(biāo)為1#、2#、3#、4#、5#承臺(tái)。工程總方量約為5 500 m3。工程設(shè)計(jì)強(qiáng)度為F7d≥0.4 MPa。施工配合比如下:固化劑∶粉煤灰 =9∶100。

2)施工工藝 ①施工準(zhǔn)備:施工前將作業(yè)面的淤泥、松散土、雜物全部清除，另外坑邊緣松散土及雜物也一并清除，以防在施工中，松散土和雜物混入粉煤灰影響質(zhì)量。②混合料攪拌:現(xiàn)場(chǎng)用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌合。根據(jù)配合比計(jì)算出每盤料的原材料，按照粉煤灰—固化劑—加水—粉煤灰的順序進(jìn)行。上料完畢后攪拌時(shí)間在60 s以上，以保證各種材料拌合均勻，顏色一致。③現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí):現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)同灰土壓實(shí)方法。④養(yǎng)護(hù):壓實(shí)或振動(dòng)成型后的JNS-1固化粉煤灰混合料，應(yīng)在潮濕狀態(tài)下養(yǎng)生。養(yǎng)生期長(zhǎng)短應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度來(lái)確定，當(dāng)環(huán)境溫度在5℃ ～20℃時(shí)，養(yǎng)生期不得少于7 d;當(dāng)環(huán)境溫度在20℃以上時(shí)，每天應(yīng)灑水不得少于2次且養(yǎng)生期不得少于3 d。

圖6是從承臺(tái)試壓報(bào)告中任意抽取一組的實(shí)測(cè)結(jié)果，表5為彎沉和沉降實(shí)測(cè)值。

圖6 臺(tái)背回填JNS-1固化粉煤灰抗壓強(qiáng)度結(jié)果

表5 JNS-1固化粉煤灰橋臺(tái)回填應(yīng)用實(shí)測(cè)結(jié)果

在工程結(jié)束后，進(jìn)行彎沉測(cè)量，結(jié)果表明，彎沉值很小，儀表不能顯示，幾乎為零讀數(shù)。而普通的10%灰土實(shí)測(cè)彎沉值一般在30～60 mm之間，其剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于JNS-1固化粉煤灰。

4 結(jié)論

1)JNS-1固化粉煤灰剛度大，板體性好，具有良好的荷載擴(kuò)散能力。同時(shí)，JNS-1固化粉煤灰干密度小，只有黏土或砂性土的70%左右和礫石土的60%左右。因此，作為臺(tái)背回填材料可以大大減輕對(duì)地基的荷載作用，達(dá)到減小地基沉降的目的。

2)JNS-1固化粉煤灰具有振動(dòng)易密實(shí)性，便于施工，對(duì)于壓路機(jī)難以正常碾壓的臺(tái)背特別有利。在靠近臺(tái)背及耳墻處的死角，可采用小型平板振動(dòng)器或蛙夯振壓，即可達(dá)到足夠的壓實(shí)度。因此，JNS-1固化粉煤灰填料解決了普通填料在臺(tái)背回填處難以壓實(shí)的問(wèn)題，方便了施工。

3)試驗(yàn)結(jié)果可知，JNS-1固化粉煤灰混合料28 d強(qiáng)度在1.00 MPa以上，模量達(dá)到310 MPa以上，已基本硬化不會(huì)發(fā)生固結(jié)收縮。因此，無(wú)需像填土那樣需要足夠的壓實(shí)度和有足夠長(zhǎng)的時(shí)間完成自身的再固結(jié)，極大地提高了施工效率。

4)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)測(cè)結(jié)果表明，JNS-1固化粉煤灰材料回填臺(tái)背具有后期強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、沉降小的優(yōu)點(diǎn)，是臺(tái)背回填的良好材料。

綜上所述，JNS-1粉煤灰具有質(zhì)輕、良好的壓實(shí)性、強(qiáng)度高和剛度大等工程特性，非常適合在公路構(gòu)造物臺(tái)背回填中應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]梁輝，王明.高速公路橋頭跳車原因與防治[J].路基工程，2008(6):193-194.

[2]周建普，李小川.某高速公路橋頭路基跳車原因分析[J].鐵道建筑，2008(5):81-84.

[3]張文.橋頭跳車原因分析及防治對(duì)策[J].路基工程，2007(3):163-164.

[4]趙興祥，楊麗君.上海軟土地基路橋過(guò)渡段沉降分析及治理方法研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，27(6):37-40.

[5]黃瑞強(qiáng).復(fù)合地基在解決橋頭跳車問(wèn)題中的應(yīng)用[J].中外公路，2007，27(4)，188-190.

[6]沈正，黃曉明.軟土地基橋臺(tái)后回填固化粉煤灰工后沉降與差異沉降分析[J].公路交通科技，2007(6):53-56.

[7]傅珍，王選倉(cāng)，李宏志，等.EPS在安新高速公路改擴(kuò)建工程橋頭臺(tái)背中的應(yīng)用[J].公路，2008(6):92-94.

[8]蔣應(yīng)軍，李明杰，陳忠達(dá).石灰粉煤灰在臺(tái)背回填中的應(yīng)用研究[J].公路交通科技，2005，22(4):41-43.

[9]中華人民共和國(guó)交通部.JTG E51—2009 公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社，2010.

[10]中華人民共和國(guó)水利部.SL18—2004 渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.