陶粒粉煤灰混凝土在橋涵臺(tái)背回填中的應(yīng)用研究

摘 要：通過材料性能試驗(yàn)、土工離心模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，研究陶粒粉煤灰混凝土的物理力學(xué)性能及其在橋涵臺(tái)背回填的應(yīng)用效果。首先，通過材料性能試驗(yàn)研究不同配合比的陶粒粉煤灰混凝土的物理力學(xué)性能；其次，通過土工離心模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究陶粒粉煤灰混凝土用作橋涵臺(tái)背回填材料時(shí)，作用于臺(tái)背的土壓力和回填體的變形特性。研究發(fā)現(xiàn)：陶粒粉煤灰混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量和易施工等諸多優(yōu)點(diǎn)；陶粒粉煤灰混凝土回填體作用于臺(tái)背的土壓力明顯小于常規(guī)回填材料；回填區(qū)和地基的沉降變形亦明顯小于其他材料。結(jié)果表明：陶粒粉煤灰混凝土作為臺(tái)背回填材料具有明顯的優(yōu)越性，是一種值得推薦的橋涵臺(tái)背回填材料。

關(guān) 鍵 詞：陶粒粉煤灰混凝土；臺(tái)背回填；土壓力；沉降；離心模型試驗(yàn)；數(shù)值計(jì)算

中圖分類號(hào)：U 432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引 言

　　公路橋涵臺(tái)背回填是一項(xiàng)容易被忽視又不易做好的工作，常因?yàn)槎喾N原因而嚴(yán)重影響公路的使用性能。路面施工完成后，橋涵結(jié)構(gòu)物臺(tái)背回填區(qū)繼續(xù)沉降，致使臺(tái)背與結(jié)構(gòu)物連接處出現(xiàn)臺(tái)階，車輛通過時(shí)易產(chǎn)生騰空跳躍現(xiàn)象，工程界通常稱作“橋頭跳車”。加強(qiáng)臺(tái)背回填材料和技術(shù)的研究已成交通主管部門和科研機(jī)構(gòu)的熱點(diǎn)問題之一。

　　陶粒是以黏土、頁巖、粉煤灰等為原料，經(jīng)加工、焙燒而制成的一種輕質(zhì)、堅(jiān)硬、具有明顯蜂窩狀的人造輕質(zhì)骨料。其顆粒密度一般在0.55～1.2 g/cm3，松散密度一般在0.3～1.0 g/cm3。陶?？梢蕴娲拥忍烊还橇?，配制輕質(zhì)混凝土，用于澆注土建工程的承重或非承重構(gòu)件。1965 年～1968年上海郊縣32 座公路橋和南京長江大橋的公路橋面板以及寧波地區(qū)2 座公路橋的上部結(jié)構(gòu)均采用了陶?；炷敛牧希两袷褂昧己?。結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度均超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度，碳化深度小，耐久性好，如南京長江大橋共用粉煤灰陶粒1.3×104 m3，減輕了結(jié)構(gòu)自重，提高了鋼梁的安全系數(shù)，節(jié)約鋼材600 t，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[1, 2]。但是，國內(nèi)外的文獻(xiàn)中未見陶?；炷劣糜跇蚝_(tái)背回填工程方面的報(bào)道。本文通過材料性能試驗(yàn)、土工離心模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，研究陶粒粉煤灰混凝土的物理力學(xué)性能及其在橋涵臺(tái)背回填中的使用效果。

2 材料性能試驗(yàn)

2.1 原材料

2.1.1 陶粒

　?。?）陶粒的級配

　　圖1 給出了3 種不同類型的陶粒級配曲線。由圖可見，輕型頁巖陶粒顆粒較粗，其級配比較均勻。

　?。?）密度

　　用量筒貫砂法測定陶粒毛體積密度，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

　?。?）筒壓強(qiáng)度

　　根據(jù)《輕集料及其試驗(yàn)方法》[3] 測定了陶粒的筒壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.1.2 粉煤灰

　　表3 給出了試驗(yàn)用粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)。《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》[4]規(guī)定：要求粉煤灰的中SiO2、Al2O3 和Fe2O3 的總含量大于70 %；粉煤灰的燒失量不超過20 %；粉煤灰的細(xì)度要求：0.3 mm篩孔的通過率大于98 %，0.075 mm 篩孔的通過率大于70 %。表3 所列粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范對粉煤灰的各項(xiàng)要求。

2.2 陶粒粉煤灰混凝土的力學(xué)性能

　　采用標(biāo)號(hào)為C32.5 的普通硅酸鹽水泥，成型不同配合比（質(zhì)量百分比）的陶粒粉煤灰混凝土的立方體試件，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。表4 給出了不同配合比陶粒粉煤灰混凝土的主要技術(shù)指標(biāo)。

　　由表4 可見，陶粒粉煤灰水泥混凝土用作臺(tái)背回填材料有如下的優(yōu)勢和特點(diǎn)：

　　（1）重度小。表中所列各種陶粒粉煤灰混凝土的平均重度約為12.68 kN/m3，只有一般壓實(shí)回填土重度的2/3。陶粒粉煤灰混凝土用于臺(tái)背回填時(shí)，對地基地附加應(yīng)力小，地基更加穩(wěn)定，并且減小了地基的壓縮變形，同時(shí)減小了回填材料對臺(tái)背結(jié)構(gòu)的土壓力，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

　?。?）強(qiáng)度高，壓縮模量大?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》[4] 對高速公路和一級公路底基層材料7 d 抗壓強(qiáng)度的要求是：二灰混合料抗壓強(qiáng)度要求≥0.6 MPa；水泥穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度要求在1.5～2.5 MPa。而表中所列各種陶粒粉煤灰混凝土的7 d平均抗壓強(qiáng)度為1.69 MPa，達(dá)到了規(guī)范要求的底基層無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的抗壓強(qiáng)度要求，遠(yuǎn)大于一般填土的強(qiáng)度。另外，陶粒粉煤灰混凝土的壓縮模量平均達(dá)2.5 GPa，相當(dāng)于一般貧水泥混凝土的壓縮模量。因此，采用陶粒粉煤灰混凝土作為臺(tái)背回填材料，回填材料自身的壓縮變形極小，回填體更加穩(wěn)定。

　?。?）施工方便。通常臺(tái)背回填材料的回填施工過程中，顧及橋臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)由于空間局限，靠近橋涵臺(tái)背30～50 cm 范圍內(nèi)的回填材料無法壓實(shí)。然而，陶粒粉煤灰混凝土填筑時(shí)，采用振搗成型的施工工藝，無需壓實(shí)，消除了其他散粒體回填材料固有的壓實(shí)“死角”。

3 離心模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

　　本次試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院400 g·t 大型土工離心機(jī)上進(jìn)行。該機(jī)最大有效轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為5.5 m，最大離心加速度200 g，最大負(fù)荷200 kN，采用 可控硅無級調(diào)速方式。該機(jī)裝配有先進(jìn)的閉路

監(jiān)測系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可隨時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)過程中模型的變化情況。用于試驗(yàn)的模型箱的有效尺寸為1 000 mm×600 mm×400 mm，一側(cè)為可裝卸的有機(jī)玻璃，是試驗(yàn)過程中模型的監(jiān)測窗口。

3.2 模型布置與測量

3.2.1 模型布置

　　以重力式橋臺(tái)為例。如圖2 所示，地基材料為85 %壓實(shí)度的黏土；相鄰的路堤材料為90 %壓實(shí)度的黏土。為便于比較，臺(tái)背回填材料采用陶粒粉煤灰混凝土、85 %壓實(shí)度的黏土、風(fēng)積砂、砂礫和5 %石灰土等5 種材料。

3.2.2 土壓力測量

　　由于影響土壓力測量的因素很多，在縮尺模型中進(jìn)行土壓力測量難度很大，因此，本次試驗(yàn)只是嘗試在橋臺(tái)臺(tái)背上埋設(shè)了一種應(yīng)變式微型土壓力傳感器，試圖了解臺(tái)背上土壓力沿深度的分布。微型土壓力盒的尺寸為φ 15 mm×5 mm。

3.2.3 土體位移測量

　　位移測量采用的是德國Wenglor 公司的高精度激光傳感器，它是一種理想的非接觸式位移測量傳感器，其量程為50 mm，測量分辨率優(yōu)于20 μm。位移傳感器從橋臺(tái)背開始在路堤中心線上間隔布置。這樣可以獲得模型表面各測點(diǎn)的位移測量值順路線方向的分布狀況。

3.3 計(jì)算模型

　　針對離心模型試驗(yàn)中的臺(tái)背回填的物理模型進(jìn)行模擬，幾何模型的尺寸、邊界條件和各部分材料與離心模型試驗(yàn)中的物理模型完全相同。采用如圖3 所示的平面應(yīng)變模型進(jìn)行計(jì)算。其中，橋臺(tái)簡化為不變形的剛體結(jié)構(gòu)。模型的平面尺寸如下：橋臺(tái)和路堤填筑高度為20 m；地基土體厚4.06 m；回填區(qū)的范圍沿路線方向底部長2 m，頂部為29 m；相鄰路堤的頂部長7.56 m。約束條件為：地基底面x，y 方向約束；地基的左右側(cè)面x 方向約束；路堤的右側(cè)為x 方向約束；橋臺(tái)的x 方向約束?？紤]橋臺(tái)的右側(cè)面、底面與回填材料和地基之間的接觸。

3.4 材料參數(shù)

　　采用ABAQUS 軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。ABAQUS對現(xiàn)有Drucker-Prager 本構(gòu)模型進(jìn)行了拓展，廣泛用于各種巖土材料[5]。本文采用ABAQUS 拓展的Drucker-Prager 模型來描述各種散粒體材料（黏土、風(fēng)積砂、砂礫）的本構(gòu)關(guān)系，通過三軸試驗(yàn)確定材料的本構(gòu)參數(shù)。石灰土和陶粒粉煤灰混凝土屬水硬性材料，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。表5 給出了各種材料的本構(gòu)參數(shù)。

4 試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果

4.1 臺(tái)背土壓力分析

　　圖4 給出了5 種回填材料作用于臺(tái)背土壓力的分布曲線。

　　由圖4 可見，回填材料的重度對臺(tái)背土壓力的影響顯著。重度越輕的回填材料，作用于臺(tái)背的土壓力值越小，臺(tái)背結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全越有保障。陶粒粉煤灰混凝土材料作用于臺(tái)背上的土壓力明顯小于其他回填材料，臺(tái)背上部1/3 高度的土壓力為0。土壓力的合力只有黏土材料的51.48 %，減少了48.52 %。

4.2 回填體表面沉降分析

　　圖5 給出了不同填料表面沉降分布曲線。圖6 給出了有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較曲線。由圖5 和圖6 可見：陶粒粉煤灰混凝土回填體表面沉降遠(yuǎn)小于距離臺(tái)背30 m 以外的正常路堤段的沉降量，呈緩坡形分布。與其他回填材料相比，陶粒粉煤灰混凝土回填體表面沉降最??；表面沉降均值只有黏土材料的 48.80 %，減少了51.20 %。

5 結(jié) 語

　　通過試驗(yàn)研究了陶粒粉煤灰混凝土的物理力學(xué)性能；運(yùn)用離心模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法，研究了陶粒粉煤灰混凝土作用于臺(tái)背土壓力的分布狀況和回填體表面沉降特征。主要結(jié)論如下：

　　（1）陶粒粉煤灰混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量和易施工等諸多優(yōu)點(diǎn)。

　?。?）陶粒粉煤灰混凝土回填體作用于臺(tái)背上的土壓力明顯小于其他材料。

　　（3）陶粒粉煤灰混凝土的模量高，自身的壓縮變形??；重度輕，對地基（尤其是軟土地基）和相鄰路堤的附加應(yīng)力小，回填區(qū)和地基的沉降變形明顯小于其他材料。

　　總之，陶粒粉煤灰混凝土應(yīng)用于臺(tái)背回填具有明顯的優(yōu)越性，是一種值得推薦的橋涵臺(tái)背回填材料。

參 考 文 獻(xiàn)

　　[1] 董金道. 發(fā)展粉煤灰和粉煤灰陶?；炷羷菰诒匦衃J].粉煤灰, 1999, (6): 6－9.DONG Jin-dao. It is a must to develop light-weightsynthetic fly ash aggregate and light-weight synthetic flyash aggregate concrete[J]. Coal Ash China, 1999, (6): 6－9.

　　[2] 李琪, 肖鵬, 張小平. 輕質(zhì)回填材料的試驗(yàn)研究[J]. 華東公路, 2001, (2): 55－58.LI Qi, XIAO Peng, ZHANG Xiao-ping. Study onLight-weight Backfill[J]. East China Highway, 2001, (2):55－58.

　　[3] GB/T 17431.1, 輕集料及其試驗(yàn)方法[S].

　　[4] JTJ034, 公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[S].

　　[5] ABAQUS/Standard User’s ManualVersion 6.3[P]. Hibbit,Karlsson & Sorensen, Inc., USA, 2003.