轻质填料处理桥头跳车病害的工程应用

高彦强

(石家庄市公路桥梁建设集团)

1 工程地质状况

该桥梁的桥头引道路堤填高3．00～5．44m，地基为软土地基，地质情况如下。

(1)第一陆相层：①黄褐色粘土，湿至饱和，厚1．8～2．3m，顶为 0．3m 耕植土，w=27．5% ～ 42．8%，C=24 ～30kPa，φ =4．5°～8．5°，［σ］=120kPa。②灰褐色粘土，饱和，厚1．2 ～1．7m，w=35．7% ～51．4%，C=8kPa，φ =2°～5．5°，［σ］=100kPa。

(2)第一海相层：①灰色粘土，饱和，厚 5．3～6．3m，w=35．7% ～51．4%，C=5 ～13kPa，φ =2°～5°，［σ］=75kPa。②灰黑色粘粉土，饱和，稍密，厚 0．8～1．5m，w=22．7% ～25．6%，C=10 ～23kPa，φ =7．5°～25．6°，［σ］=110kPa。

2 桥头引道路堤的设计方案与施工质量控制

2．1 设计方案

根据地质钻探资料，桥头引道路段属软土地基，需加固处理，设计为正方形布置的水泥搅拌桩，桩径D=0．6m，长L=10m，扩散角以内桩距1．2m，以外至坡角桩距为1．4m。地基顶面铺设一层土工布，上铺40cm碎石垫层，以上铺一层复合土工膜，其上用高钙粉煤灰和粉煤灰(质量比30∶70)混合料填筑路堤，每20cm一层，每3层铺设一层CE131土工网直至路槽标高。结构形式如图1。

图1 引道路堤设计示意图(单位：m)

2．2 施工质量控制

高钙粉煤灰与粉煤灰必须拌和均匀，每20cm一层，压实度K≥95%，并在最佳含水量下压实，土工网、土工布、土工膜铺放平整无折皱，缝合搭接宽度不小于5cm，自由搭接不小于15cm。要求复合地基承载力fsp＞125kPa，单桩承载力Hd＞119kN。

3 加筋粉煤灰治理桥头跳车的机理分析

以加筋粉煤灰作为桥头引道路堤填料，其相应压实度下的干密度(1．19g/cm3)，远小于砂砾(2．1g/cm3)等透水性材料，也小于水泥稳定类材料(1．4～2．2g/cm3)，属轻质材料。这样就可以减轻路堤本身自重，减小地基附加应力，进而减小地基沉降特别是工后沉降。同时减小路堤填料本身的塑性变形，因此能够从根本上控制桥台与台背路堤之间的差异沉降，解决桥头跳车问题。

3．1 高钙粉煤灰与粉煤灰混合料路用性能及强度形成机理

高钙粉煤灰区别于普通粉煤灰之处在于其CaO含量高，具有较高的活性，并有自硬性，能够与粉煤灰发生火山灰反应，并激发普通粉煤灰的活性，进而生成具有一定强度和整体稳定性的板体结构，具有良好的路用性能。高钙粉煤灰与粉煤灰干质量30∶70的混合料7d抗压强度(压实度95%)可达1．2MPa，并且随龄期增大而增大。如表1所示数据，在试验范围内，其规律符合对数关系

式中：S为抗压强度;D为龄期;Ln(D)为龄期的自然对数;a，b为回归系数。

混合料的强度还随压实度的增大而升高，其规律如图2所示。又如表2所示，高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的劈裂强度(龄期180d)也能达到较高的标准。

表1 各龄期强度表

高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的这些工程特性是由其物理化学性质决定的，它们的化学成分如表3所示。

图2 混合料7d强度随压实度变化

表2 高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的劈裂强度表

表3 高钙粉煤灰与粉煤灰的化学成分

高钙粉煤灰与粉煤灰加水拌和后，所含的CaO与水发生反应生成Ca(OH)2，CaO+H2O→Ca(OH)2Ca(OH)2→Ca2++2OH-，Ca(OH)2水解电离使环境的pH值升高。

在碱性条件下SiO2及Al2O3与Ca(OH)2发生化学反应生成含水硅酸钙和含水铝酸钙。

同时，部分Ca(OH)2与CO2反应生成CaCO3。

Ca(OH)2+CO2→CaCO3。

此外，高钙粉煤灰中存在一定量的C3A和C3S，遇水生成CAH和CSH系化合物。

高钙粉煤灰与粉煤灰的这些化学反应生成物，水化硅酸钙、水化铝酸钙等都是水硬性物质，反应初期以胶凝物质的形式分布于混合料玻璃体周围，使粉煤灰团粒化，随着反应的继续进行，这些胶凝物质逐渐结晶，形成相互交织的晶体网状结构，使混合料成为强度较高的整体性结构。压实度越大、龄期越长单位体积内生成的晶体就越多，混合料的强度就越高。

3．2 粉煤灰混合料中加筋对减小台背差异沉降的作用机理

高钙粉煤灰与粉煤灰混合料中加铺土工网，在混合料强度的形成过程中，其与土工网结合成一有机整体。通过现场取样的拉拔试验(压实度93%)结果表4和图3可知，土工网与粉煤灰混合料能够很好的共同作用，且土工网与混合料的拉拔摩擦角和粘聚力都大于砂。进一步分析得出，土工网的拉拔强度由两部分组成：(1)土工网表面与填料摩擦力;(2)填料对土工网横格的被动土压力。土工网与粉煤灰混合料的拉拔强度之所以比砂大，是由于粉煤灰比砂颗粒细，比表面积较大，粉煤灰混合料与土工网的接触面积较大，进而在相同法向应力下摩擦力较大，并且压实后以团粒存在，团粒比砂变位困难，即粉煤灰混合料比砂对土工网嵌固作用大。随着龄期的增长，高钙粉煤灰与粉煤灰的反应逐步深入，对土工网的界面强度越来越高，成型7d后，土工网直至拉断也无法从试验箱中拔出(上覆压力等于60cm粉煤灰混合料重)。

表4 拉拔试验结果

这样如图4所示，在外荷载P作用下，当土工网与高钙粉煤灰和粉煤灰混合料发生相对移动时，土工网与混合料的界面摩擦力、土工网的横格被动土压力将阻止这种相对移动，即限制混合料的侧向变形，相当于增加了一个围压Δσ，这就能减少路堤填料本身的塑性变形和地基附加应力，减小地基沉降，同时，可将外荷载较均匀的分布于较大的范围，减小地基应力σ，从而减小桥台与台背引道路堤之间的差异沉降，消除桥头跳车现象。

图3 土工网与砂、混合料拉拔试验

4 结论

(1)应用轻质填料——加筋粉煤灰作为桥头引道路堤填料，能够减小地基附加应力，进而减小沉降，同时减小填料自身的塑性变形。

(2)在粉煤灰中用土工网加筋处理，由于土工网的高模量和高强度，可约束填料侧向变形，减小竖向沉降。

(3)土工网与混合料的界面强度，使部分竖向应力转化为土工网的拉力与界面摩擦力，减小竖向应力，减小地基沉降，缓解台背差异沉降，消除桥头跳车。

以加筋粉煤灰为桥头引道路堤填料的某桥梁实体工程，自2010年8月竣工通车至今，无跳车现象，证明了加筋粉煤灰方法是治理桥头跳车的好方法。

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［1］土工合成材料工程应用手册［M］．中国建筑工业出版社，1994．

［2］刘景政等．地基处理与实力分析［M］．中国建筑工业出版社，1998．

［3］张登良．加固土原理［M］．人民交通出版社，1988．

［4］石名磊等．加筋粉煤灰力学特性室内试验研究［J］．东南大学学报，1999，(1)．