公路施工中非压实回填土的应用

赵洪勇

(河北路桥集团有限公司)

1 工程简介

A高速公路一期工程,起于H界 a处,与在建的 B段高速公路连接,穿越某县 3个乡镇 17个行政村,路线全长21.653km。全线采用双向四车道高速公路标准,设计速度100km/h,路基宽度 28.5m,项目概算总投资 14.5037亿元。全线的小桥、涵洞等构造物多达近百处,施工过程中路基和桥涵同步开工,在施工完桥涵结构物以后再进行台背回填,为了提高回填质量,避免产生工后沉降,选择非压实回填土作为工程的台背回填材料之一。考虑到就地利用挖方弃土和施工工期的因素,经过仔细筛选,最后选择三处进行回填,试验为板式涵洞的台背,长约 30m,宽约 2.5m,回填深度约 2m,每个涵洞台背回填包括左右两侧,回填总量近1000m3。

非压实回填土使用位置如图 1所示,即道路路基因涵洞施工开挖而留下的基坑。道路结构从上到下依次为路面结构层、路基换填层、非压实回填土回填层。沥青面层17cm,基层采用沥青稳定碎石、水泥稳定碎石、水泥稳定砂砾组合结构,厚度 62cm,基层以下换填水泥砂砾层80cm。非压实回填土回填从基坑底部开始,到路基顶面结束,且保证回填顶面到搭板距离大于 80cm,如果路基顶面到搭板距离小于80cm,则回填到搭板以下80cm处结束。

图1 台背回填设计施工图

2 施工配合比选择

施工现场存在大量的挖方弃土,容易造成水土流失,由于降水较少,土质比较干燥,在风的作用下容易扬尘,造成环境污染,因此原料土考虑采用挖方弃土,现场取土检测,结果如表 1所示,粗粒含量小于 25%为细粒土,塑性指数大于 7为粘质粉土,可以作为原料土使用。水泥采用 42.5级普通硅酸盐水泥;水使用饮用水即可。

表1 原料土基本性质参数

在确定使用位置和原材料之后,要确定主要的设计指标设计流动值和设计抗压强度。本次回填使用自由式搅拌机,搅拌后由导流槽浇入基坑,这样就要求材料具有自流平的工作性,依据室内试验和气泡混合轻质土的施工经验,初步确定设计流动值为180mm。

图2 非压实回填土筑体顶面受力计算图

计算非压实回填土的顶面受到的压力大小,模型如图 2所示。有交通荷载时,非压实回填土顶面所受应力可由式(1)求得。

式中:q为非压实回填土筑体顶面所受应力,MPa;q1为非压实回填土筑体顶面有路面材料自重引起的应力,MPa;q2为活荷载在非压实回填土筑体顶面产生的应力,MPa。

自重应力由式(2)算出

式中:r为道路面层、基层、垫层各种材料的容重,kN/m3;h为道路面层、基层、垫层各种材料的层厚,m。

活荷载应力由式(3)算出

式中:P为车轮荷载;i为冲击系数(取i=0.3);A为荷载当量圆扩散到非压实回填土顶面后面积,扩散角取 45°。

轮胎传压面当量圆半径为 0.1065m,扩散到非压实回填土顶层半径为0.1065+0.97=1.0765m,扩散到非压实回填土顶层面积为 3.14×1.0765×1.0765+0.32×2× 1.0765=4.33m2,计算得到q=0.034MPa。

由计算结果可见,非压实回填土所受压应力远远小于其各种配合比的抗压强度,因此非压实回填土的受压状况不作为配合比计算的控制条件,强度的选择要依据其耐久性能确定。

分析非压实回填土的使用环境,由于处于路基中,地下水位和地表水都可能使非压实回填土经常处于干湿交替变化状态,从而产生干湿应力,破坏非压实回填土的结构,因此非压实回填土要具有足够的强度以抵抗干湿循环的破坏,依据研究成果,确定非压实回填土28d强度不低于0.8MPa,此强度下的非压实回填土可以经受干湿循环,且在干湿应力交替作用下强度不会下降;由于非压实回填土使用位置为距道路表面159cm,远大于该地区道路防冻厚度,因此非压实回填土不会受到冻胀破坏应力的影响,冻融破坏不作为强度设计的控制条件。综上所述,依据非压实回填土的回填位置和施工条件,确定非压实回填土的设计抗压强度为0.8MPa。

确定设计流动值和设计抗压强度值后,可以确定设计配合比参数。设计流动值为 180mm,依据实验室配合经验,水固比初步选取 0.43;水固比、设计抗压强度根据相关经验公式计算确定,b值近似取 1.948,设计抗压强度为 28d强度,所以a值取 1,将已知数代入计算,灰土比x近似取为 0.15,于是配合比两个参数取值就初步确定。

在回填开始前一周,准好原材料,按照提出的配合比计算方法计算施工配合比,进行实验室试验拌和,经 3次测量流动值均大于200mm,有少量泌水,在实际浇注时非压实回填土有一定的落差,这样容易产生粗颗粒堆聚,水泥浆体上浮,因此确定将水固比由0.43改变为 0.42,灰土比不变。再次试拌,发现流动值平均值大于180mm,且抗离析和抗泌水性能良好。取样制作立方体试件,准备测量 7d抗压强度,结果如表 2所示,满足设计要求,施工配合比最终确定,见表 3。

表2 设计指标验算

表3 施工配合比

3 施工方法

(1)依据现场测量含水量换算出施工配合比的土和水的实际重量。

(2)依据搅拌机一次拌和量计算按每次拌和所需材料数量,称取水泥、水和土的重量。

(3)把已称好的土和水泥放入搅拌机,干拌 20s左右,再放入已称好的水,搅拌 2～3min即可。

(4)将拌和好的非压实回填土用导流槽浇入指定位置,从高处倾倒混合料时,自由倾落高度一般不宜超过 1m。

(5)混合料浇筑完成后,养护24h以上,保证强度增长,期间应严禁车辆和行人通过。

(6)每层非压实回填土施工层厚不宜大于 1m,当回填部位高度大于 1m时,采用分层施工方法。分层施工时,在底层施工 24h后可以开始上层的施工。

4 试验方法与结果分析

4.1 非压实回填土干湿循环试验

(1)按照设计配合比拌制非压实回填土,将其浇入试件成型,标养28d;

(2)试件养护结束后开始循环工作,将试件在室温下放入水中浸泡5h,测量试件质量m1;

(3)将试件取出放入 71℃的烘箱中烘干 42h,烘干后测量质量m2,到此一个循环结束;

(4)第一个循环结束后重复 2、3步工作,但不再测量试件质量,如此循环 12次试验结束,如循环过程中试件破坏则试验结束。

4.2 非压实回填土冻融循环试验

(1)按照设计配合比拌制非压实回填土,将其浇入试件成型,标养28d;

(2)在养护结束前一天,将试件在室温下放入水槽浸泡1d,使试件饱水;

(3)试件饱水后开始循环试验,首先将试件放入冷冻箱,试件间距水平方向不小于 5cm,垂直方向不小于 25cm,在-10℃±5℃的环境中冻结12h;

(4)试件冻结完毕,将试件同托盘一起放入 20℃±5℃恒温潮湿养护箱中融解12h,至此为一个冻融循环;

(5)重复 3、4步的工作进行冻融循环,如此循环12次试验结束,如循环过程中试件破坏则试验结束。

4.3 试验结果

(1)非压实回填土灰土比为 0.1时,因为强度不足,在试验过程中裂缝发展严重,导致循环后强度大幅降低。

(2)灰土比大于 0.15的试件,强度损失基本都为正数,即在循环结束后,强度没有下降,原因可以解释为非压实回填土在水泥含量高时结构强度大,内部结构抗拉强度大于干湿应力,从而保持强度稳定性。

(3)非压实回填土的抗干湿循环能力与抗压强度有较好的相关性,非压实回填土抗干湿循环的能力随强度的增加而提高。一般的非压实回填土28d强度在0.8MPa以上就可以经受干湿循环,在循环试验结束时强度不会下降。

(4)本试验在试件养护 28d进行,使用这个龄期试件进行试验,试验结果偏保守,因为在 90d内非压实回填土的强度都会有较大增长,随着龄期增长其抗干湿循环能力会不断增强,因此本次试验结果证明非压实回填土有较强的抗干湿循环能力。

总之,试验结果表明,在干湿循环和冻融循环两种不同外界破坏条件下,非压实回填土具有相似的规律:随着非压实回填土抗压强度的提高,其抵抗外界环境破坏的能力提高。

5 结 论

在室内试验研究的基础上,将非压实回填土成功地应用于实际工程中,共选择三处进行回填,回填总量近 1000m3,在施工过程中非压实回填土较好的发挥了其工作性优良、强度可调节、刚度适中、经济环保的特点,并且可以就地再生利用挖方弃土,不需要新的取土场,具有显著的社会效益和经济效益。并在工程实践中总结了一套非压实回填土的施工方法,为将来更好的推广应用非压实回填土奠定了基础。

[1] 徐至钧.水泥土搅拌法处理地基[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[2] 孙家驷.道路设计资料集[M].北京:人民交通出版社,2002.

[3] 张誉,蒋利学,张伟平等 .混凝土结构耐久性概论[M].上海科学技术出版社,2003.

[4] 黄新,杨晓刚,胡同安.低温对水泥加固土强度发展的影响[J].工业建筑,1994,(9):13～18.

[5] 周于云.某高速公路桥涵台背回填施工技术分析[J].山西建筑,2009,35(9):333～334.