鄒洽宇，晏石林，余劍英，章?tīng)N林，李德權(quán)

(武漢理工大學(xué)a.理學(xué)院;b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

發(fā)泡輕質(zhì)土回填沉降分析與工程應(yīng)用

鄒洽宇a，晏石林a，余劍英b，章?tīng)N林b，李德權(quán)a

(武漢理工大學(xué)a.理學(xué)院;b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

本文依托K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋橋背發(fā)泡輕質(zhì)土回填工程，介紹了發(fā)泡輕質(zhì)土的現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用。結(jié)合發(fā)泡輕質(zhì)土具體填筑工程，建立有限元沉降計(jì)算模型，研究發(fā)泡輕質(zhì)土密度與抗壓強(qiáng)度參數(shù)對(duì)沉降的影響，結(jié)果表明:降低發(fā)泡輕質(zhì)土的密度能明顯改善橋背路面沉降狀況，輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)則更需要考慮回填結(jié)構(gòu)與路面之間的局部作用。文中模擬計(jì)算了實(shí)驗(yàn)室制備的5種發(fā)泡輕質(zhì)土材料回填時(shí)橋頭搭板末端的總沉降，計(jì)算結(jié)果表明，綜合考慮工程安全與經(jīng)濟(jì)性因素，設(shè)計(jì)發(fā)泡輕質(zhì)土密度為700 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為1.5 Mpa較為合適，且采用C型發(fā)泡輕質(zhì)土填筑時(shí)，臺(tái)后路面沉降能滿足橋頭跳車(chē)病害防治指標(biāo)。最后將C型發(fā)泡輕質(zhì)土應(yīng)用于工程實(shí)踐，根據(jù)工后沉降觀測(cè)結(jié)果，臺(tái)后路面在工后3個(gè)月內(nèi)沒(méi)有明顯沉降發(fā)生，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期要求。

發(fā)泡輕質(zhì)土;沉降;有限元模擬;材料設(shè)計(jì);工程應(yīng)用

近年來(lái)，我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)的投入越來(lái)越大，公路里程數(shù)逐年增多。但是，在已通車(chē)的高等級(jí)公路特別是高速公路中仍存在許多問(wèn)題，其中較為普遍的是發(fā)生在橋背部位的跳車(chē)現(xiàn)象。橋頭跳車(chē)現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因，在于橋背部位的填筑質(zhì)量控制不好，沉降超過(guò)一定的限度造成，且這種問(wèn)題在一些軟基路堤或高路堤臺(tái)背回填工程中表現(xiàn)更為嚴(yán)重。我國(guó)每年需要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力來(lái)處理橋頭跳車(chē)帶來(lái)的危害，橋頭跳車(chē)已成為高速公路運(yùn)營(yíng)中迫切需要解決的難題。根據(jù)國(guó)內(nèi)外軟土路基處理和路基拼接工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用人工制作的容重比一般土體小而強(qiáng)度和變形特性可以達(dá)到甚至超過(guò)一般土體的氣泡混合輕質(zhì)填土材料填筑路堤，是解決軟基路段“橋背”跳車(chē)、路基不均勻沉降等問(wèn)題的可行措施［1～3］。

1 工程概況

1.1 橋頭路基概況

K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋位于公安縣夾竹園鎮(zhèn)荊安村境內(nèi)，終南古寺旁邊，處于荊州至公安高速路段主干道上。該工程位于洞庭湖坳陷北西端和江漢坳陷南西端過(guò)渡地帶，屬平原、低丘陵地貌單元。根據(jù)勘探情況，沿線地層主要為第四系巨厚層沉積層，自上而下主要為粉質(zhì)粘土(局部淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土)、粉土層、細(xì)砂層、卵礫石層;大部分土層含水量高、穩(wěn)定性差，根據(jù)公路設(shè)計(jì)規(guī)范軟土鑒別指標(biāo)，均為軟土，工程地質(zhì)條件較差，對(duì)路基填方穩(wěn)定性及沉降有較大影響。為防止橋背路基與橋臺(tái)有明顯的差異沉降發(fā)生，該項(xiàng)目橋背過(guò)渡段路堤采用發(fā)泡輕質(zhì)土回填。

1.2 發(fā)泡輕質(zhì)土在橋背回填工程中的應(yīng)用

發(fā)泡輕質(zhì)土是由固化劑(水泥)、水、發(fā)泡劑、外摻料(土、火山灰、粉煤灰等)通過(guò)機(jī)械設(shè)備充分混合攪拌后凝固成型的新型多氣泡輕質(zhì)高強(qiáng)材料?，F(xiàn)澆氣泡混合輕質(zhì)土有著高流動(dòng)性、易固化、以及良好自立穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，且耐久性好，施工簡(jiǎn)便快捷，造價(jià)適中，無(wú)需進(jìn)行特別的養(yǎng)生處理，可較大限度地消除填料重量引起的沉降量，在公路建設(shè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。工程實(shí)踐也證明采用輕質(zhì)土法能夠緩解橋臺(tái)結(jié)構(gòu)與臺(tái)背回填土的剛?cè)嵬蛔儯古_(tái)背路面工后沉降曲線變得平緩，有效防治橋頭跳車(chē)病害［4，5］。

通過(guò)對(duì)公安縣斗湖堤至荊東高速公路黃金口互通連接線上的分蓄洪區(qū)總排渠中橋橋頭路基基礎(chǔ)充分研究，決定軟基過(guò)渡段部位采用發(fā)泡輕質(zhì)土技術(shù)來(lái)解決“橋頭跳車(chē)”問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了多種材料配比方案，制作了不同規(guī)格的發(fā)泡輕質(zhì)土材料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定了這些材料的抗壓強(qiáng)度與彈性模量，然后從安全性與經(jīng)濟(jì)性角度考慮，選擇C型發(fā)泡輕質(zhì)土材料來(lái)填筑臺(tái)背。現(xiàn)場(chǎng)施工按照實(shí)驗(yàn)室確定的配比方案進(jìn)行，材料主要有水泥、水、發(fā)泡劑等，發(fā)泡劑與水的比例控制在1∶60～1∶40之間，水泥與水的比例通過(guò)控制機(jī)器設(shè)備進(jìn)料速度來(lái)調(diào)節(jié)。圖1所示為K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋發(fā)泡輕質(zhì)土澆筑現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 輕質(zhì)土澆筑現(xiàn)場(chǎng)

2 沉降計(jì)算與材料優(yōu)化

2.1 橋背發(fā)泡輕質(zhì)土回填沉降計(jì)算

目前，研究路基沉降計(jì)算的方法很多，基本上可以分為分層總和法、有限元法、試驗(yàn)推演法以及組合預(yù)測(cè)法。其中有限元法是目前越來(lái)越受到重視與廣泛應(yīng)用的一種方法，它在工程安全性驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及兼顧效益降低成本等方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。有限元法可以計(jì)及復(fù)雜的幾何與邊界條件、荷載和施工工序、土的非均質(zhì)性與非線性變形特性;同時(shí)與比奧固結(jié)理論相結(jié)合，可計(jì)算沉降的過(guò)程，也可進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基共同作用計(jì)算，故應(yīng)用日益廣泛［6～8］。本文中考慮到K3+ 085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋橋背路基各土層分布厚度不均勻、施工工序和土體材料的非線性變形特征等因素也會(huì)對(duì)沉降計(jì)算產(chǎn)生影響，因此采用有限元方法模擬計(jì)算臺(tái)背填土回填沉降變形。

根據(jù)K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋設(shè)計(jì)說(shuō)明文件，建立計(jì)算模型如圖2所示，模型計(jì)算深度取34 m，計(jì)算長(zhǎng)度沿縱斷面取50 m。橋頭附近軟基采用水泥攪拌樁處理，復(fù)合地基漸變段采用改變樁間距過(guò)渡，水泥攪拌樁間距為1 m，深度為10.3 m，樁直徑為50 cm，呈正三角形布置。橋臺(tái)與路基結(jié)合部位設(shè)置搭板，搭板長(zhǎng)6 m，一端在橋臺(tái)上。模型所受的附加荷載分為填土自身重力荷載、合計(jì)25.91 kPa的路面荷載與交通荷載。復(fù)合地基［9］及其下臥土層材料參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋左側(cè)軟基沉降計(jì)算模型/m

表1 復(fù)合地基以及下臥土層物理力學(xué)性能參數(shù)

本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)沉降變形進(jìn)行模擬，具體步驟如下:

(1)定義材料參數(shù)，地基土材料采用Drucker-Prager本構(gòu)模型［10］;

(2)建立沉降計(jì)算模型，采用PLANE42型單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，施加約束(搭板視為與橋臺(tái)剛性連接);

(3)“殺死”回填土單元，模擬地基初始地應(yīng)力狀態(tài);

(4)“激活”回填土單元，施加路面自重荷載、交通荷載，模擬計(jì)算橋背路面沉降變形。

按照上面的步驟，通過(guò)有限元軟件計(jì)算路基回填以及路面與行車(chē)荷載加載時(shí)的豎向位移值;將模擬得到的路基表面豎向位移值作為路基固結(jié)沉降值，然后乘以修正系數(shù)得到路基表面總沉降［11，12］，模擬計(jì)算流程見(jiàn)圖3。

圖3 考慮施工工序的路基表面沉降計(jì)算流程

2.2 發(fā)泡輕質(zhì)土回填結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)優(yōu)化

由于常規(guī)填土與發(fā)泡輕質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有著明顯差異，為防止回填的發(fā)泡輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)與常規(guī)填土結(jié)合部位發(fā)生易引起橋頭跳車(chē)的臺(tái)階式沉降差，特設(shè)計(jì)圖4所示的回填結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)以所設(shè)計(jì)回填結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，研究輕質(zhì)土密度以及抗壓強(qiáng)度參數(shù)對(duì)橋背路基表面沉降的影響。具體步驟如下:(1)在ANSYS中改變發(fā)泡輕質(zhì)土的密度與彈性模量(與輕質(zhì)土壓縮強(qiáng)度線性相關(guān))等材料參數(shù)計(jì)算橋背路基表面固結(jié)沉降;(2)統(tǒng)計(jì)縱向距離橋臺(tái)不同距離的路面沉降變形值，乘上1.4的沉降系數(shù)進(jìn)行修正得到路基表面總沉降曲線。圖5、圖6分別為發(fā)泡輕質(zhì)土密度參數(shù)與橋背路面沉降關(guān)系曲線、不同抗壓強(qiáng)度參數(shù)下的橋背路面沉降曲線。圖5中曲線表明發(fā)泡輕質(zhì)土密度對(duì)橋頭路基表面沉降有較大影響，密度增大，路面沉降變形隨之增大:發(fā)泡輕質(zhì)土密度小于1000 kg/m3時(shí)，橋頭構(gòu)造物處(搭板末端)路基表面總沉降在6～7 cm之間;當(dāng)發(fā)泡輕質(zhì)土密度同常規(guī)填土一樣時(shí)，路基表面總沉降會(huì)超過(guò)9 cm。圖6中可以看出提高發(fā)泡輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度(彈性模量隨之增大)，橋頭構(gòu)造物處沉降會(huì)有所減小，在距橋頭6～7 m的范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度參數(shù)的改變對(duì)沉降變形的影響較大，因?yàn)樵撐恢脼榇畎迥┒?路面結(jié)構(gòu)突變)位置，且填筑結(jié)構(gòu)形狀也在該位置開(kāi)始過(guò)渡變化。但改變抗壓強(qiáng)度參數(shù)對(duì)沉降的影響與改變密度相比較小，這是由于發(fā)泡輕質(zhì)土換填厚度較小，輕質(zhì)土本身的壓縮變形小;不改變發(fā)泡輕質(zhì)土的重度僅僅提高發(fā)泡輕質(zhì)土構(gòu)造物本身抗變形特性對(duì)軟基沉降狀況的改善并不是十分有效。因此在材料設(shè)計(jì)時(shí)，把調(diào)節(jié)發(fā)泡輕質(zhì)土密度大小作為控制橋頭路面沉降的主要手段，而其抗壓強(qiáng)度(抗變形特性)設(shè)計(jì)更多的是從回填結(jié)構(gòu)與路面之間相互作用變形對(duì)沉降影響角度考慮。

圖4 輕質(zhì)土回填縱斷面構(gòu)造/m

圖5 輕質(zhì)土不同密度參數(shù)下的橋背路面沉降曲線

圖6 輕質(zhì)土不同抗壓強(qiáng)度參數(shù)下的橋背路面沉降曲線

展開(kāi)輕質(zhì)土材料選擇的研究:調(diào)節(jié)發(fā)泡劑濃度以及水灰比，設(shè)計(jì)制備五種發(fā)泡輕質(zhì)土材料A、B、C、D、E，實(shí)驗(yàn)室分別測(cè)得其平均密度與抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表2。將5種材料的參數(shù)應(yīng)用到已建立的有限元計(jì)算模型中，統(tǒng)計(jì)搭板(6 m)末端總沉降值，繪成隨密度變化的曲線如圖7。圖7中可以看出，沉降隨密度變化曲線的斜率隨密度增大而增大，說(shuō)明發(fā)泡輕質(zhì)土密度在700 kg/m3以下時(shí)，密度的改變對(duì)沉降的影響較小;隨著密度變大，輕質(zhì)土的密度參數(shù)對(duì)總沉降的影響變大?？梢?jiàn)當(dāng)發(fā)泡輕質(zhì)土密度在700 kg/m3以下時(shí)，繼續(xù)降低密度收效不大，同時(shí)輕質(zhì)土密度過(guò)低時(shí)，制備的輕質(zhì)土試樣抗壓強(qiáng)度變化幅度較大，質(zhì)量不好控制。而發(fā)泡輕質(zhì)土密度在700 kg/m3以上時(shí)，水泥用量會(huì)增多，成本大幅增加，同時(shí)總沉降值會(huì)相應(yīng)增大。綜合考慮，K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋橋背發(fā)泡輕質(zhì)土回填工程選用發(fā)泡輕質(zhì)土材料C。將其材料參數(shù)輸入ANSYS計(jì)算模型得到橋背路基表面沉降值如表3所示，主固結(jié)沉降模擬計(jì)算得到位移云圖見(jiàn)圖8。沉降云圖局部放大圖見(jiàn)圖9。有限元計(jì)算表明搭板末端處路面總沉降值為6.3 cm(小于項(xiàng)目要求的10 cm)，滿足處治要求。

表2 不同類(lèi)別發(fā)泡輕質(zhì)土材料參數(shù)

表3 臺(tái)后路面不同位置處固結(jié)沉降與總沉降值

圖7 發(fā)泡輕質(zhì)土材料密度與搭板末端路面沉降關(guān)系曲線

圖8 主固結(jié)沉降模擬計(jì)算總體沉降云圖

圖9 發(fā)泡輕質(zhì)土回填部位局部沉降云圖

3 橋背填筑效果分析

沉降預(yù)測(cè)結(jié)果表明，選用發(fā)泡輕質(zhì)土回填材料C(發(fā)泡輕質(zhì)土密度為700 kg/m3，抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.5 MPa)時(shí)，搭板末端總沉降滿足處治要求，因此現(xiàn)場(chǎng)澆筑按照材料C的材料配比進(jìn)行。現(xiàn)場(chǎng)澆筑采用分層澆筑方式，待上一次澆筑完成固化至一定強(qiáng)度后再澆筑下一層，共分四次澆筑完成:第一次澆筑40 cm;第二、三次分別澆筑70 cm;最后一次澆筑20 cm高的面層。發(fā)泡輕質(zhì)土現(xiàn)場(chǎng)制作與澆筑時(shí)，每隔一段時(shí)間定期采樣檢測(cè)輕質(zhì)土的濕容重，從而及時(shí)調(diào)整發(fā)泡機(jī)械的進(jìn)料速度與發(fā)泡劑的濃度。采樣的發(fā)泡輕質(zhì)土澆入70 mm×70 mm×70 mm模具，自然固化并經(jīng)過(guò)28 d養(yǎng)護(hù)期后，通過(guò)試驗(yàn)儀器對(duì)其表干密度與抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可以看出，施工現(xiàn)場(chǎng)澆筑采樣的輕質(zhì)土密度在700 kg/m3左右，抗壓強(qiáng)度平均值達(dá)到了1.5 MPa。圖10所示為施工現(xiàn)場(chǎng)采樣制模壓縮試驗(yàn)破壞斷面SEM圖樣，從中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)澆筑的輕質(zhì)土氣泡較均勻，且氣泡壁比較光滑，氣泡與氣泡之間骨架材料穩(wěn)定。

現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工完成后，筆者對(duì)填筑結(jié)構(gòu)做了幾次實(shí)地觀察，圖11所示為填筑結(jié)構(gòu)在施工完成三個(gè)月后的照片，結(jié)合其固化穩(wěn)定之后與橋臺(tái)連接部位做的標(biāo)記，這段時(shí)間內(nèi)并沒(méi)有發(fā)生由于差異沉降引起的橋臺(tái)與填筑體之間的“錯(cuò)臺(tái)”現(xiàn)象。由于材料配比設(shè)計(jì)合理、養(yǎng)護(hù)得當(dāng)，發(fā)泡輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)表面無(wú)裂紋產(chǎn)生?，F(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)(試樣表干密度與抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表4)以及工后觀測(cè)結(jié)果說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工質(zhì)量較好，達(dá)到了預(yù)期要求。

圖10 施工現(xiàn)場(chǎng)采樣制模壓縮試驗(yàn)破壞斷面SEM圖樣

圖11 填筑3個(gè)月后效果

表4 現(xiàn)場(chǎng)采樣試樣表干密度與抗壓強(qiáng)度值統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)K3+085.0分蓄洪區(qū)總排渠中橋發(fā)泡輕質(zhì)土回填工程，本文結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)橋背軟基地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，進(jìn)行發(fā)泡輕質(zhì)土回填結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元軟件ANSYS模擬計(jì)算輕質(zhì)土回填過(guò)程橋臺(tái)構(gòu)造物處路面表層沉降，研究發(fā)泡輕質(zhì)土密度、壓縮強(qiáng)度對(duì)沉降的影響，從減小差異沉降、消除橋頭跳車(chē)影響與節(jié)省成本出發(fā)，設(shè)計(jì)發(fā)泡輕質(zhì)土材料參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求生產(chǎn)發(fā)泡輕質(zhì)土并現(xiàn)場(chǎng)澆筑，施工完成后，發(fā)泡輕質(zhì)土回填工程各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)符合規(guī)范要求，經(jīng)過(guò)筆者回訪觀察，填筑結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯沉降發(fā)生，整體表現(xiàn)良好。工程實(shí)踐證明，采用有限元法計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能有效解決結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)問(wèn)題，為工程實(shí)踐指明理論方向，同時(shí)通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)、材料設(shè)計(jì)節(jié)省工程成本。項(xiàng)目中積累的設(shè)計(jì)與施工方面的成功經(jīng)驗(yàn)供同行們參考。

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Settlement Analysis of Back filling by Foamed Cement Banking and Engineering App lication

ZOU Qia-yua，YAN Shi-lina，YU Jian-yingb，ZHANG Can-linb，LIDe-quana
(a.School of Science;b.School of Materials Science and Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Relying on the K3+085.0 Chief flood diversion canal bridge backfilling project，this paper has introduced the construction application.According to specific construction，this paper established settlement calculation finite element model to study the influence done by changing the parameters of foamed cement banking(FCB)like density and compressive strength on settlement of pavement，the result shows reducing the density of FCB can significantly improve the settlement status at the back of bridge abutment and the design of its compressive strength should consider the local interaction between backfill and pavement structure.Five kinds of FCB with different density and compressive strength were prepared in the laboratory.Through comparative analysis of simulation results of backfilling with those five kinds of FCB，choose the optimalmaterial parameters design with considering both engineering safety and economy factors，that is the density of 700 kg/m3and the compressive strength of 1.5 Mpa.The simulation result shows the settlement at the back of bridge abutment is less than the settlement control index when the C type of FCB is backfilled at the back of bridge abutment according to the structure design.Finally，the designed backfill structure and material were put into practice，the observation shows the obvious post-construction settlement didn＇t occur after 3 months，which achieved the requirements of the project.

foamed cement banking;settlement;FEM simulation;materials design;engineering application

TU470+.3;U416.1

A

2095-0985(2015)02-0042-05

2014-11-25

2015-04-17

鄒洽宇(1988-)，男，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向?yàn)槁访娌牧吓c結(jié)構(gòu)工程(Email:zouqiayu10644@163.com)

晏石林(1963-)，男，湖南婁底人，教授，博士，研究方向?yàn)閺?fù)合材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)(Email:yansh1@whut.edu.cn)

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(WUT:2013-Ⅳ-110);湖北省公路管理局科技項(xiàng)目(鄂路計(jì)［2013］351號(hào))