陶粒粉煤灰混凝土在橋涵臺背回填中的應(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背回填材料時，作用于臺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背回填材料。

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

中圖分類號：U 432 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引 言

　　公路橋涵臺背回填是一項(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)物臺背回填區(qū)繼續(xù)沉降，致使臺背與結(jié)構(gòu)物連接處出現(xiàn)臺階，車輛通過時易產(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。陶粒可以替代石子等天然骨料，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?，至今使用良好。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_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

　　（1）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)?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(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背回填時，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，同時減小了回填材料對臺背結(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。通常臺背回填材料的回填施工過程中，顧及橋臺的結(jié)構(gòu)安全，同時由于空間局限，靠近橋涵臺背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，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)只是嘗試在橋臺臺背上埋設(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，橋臺簡化為不變形的剛體結(jié)構(gòu)。模型的平面尺寸如下：橋臺和路堤填筑高度為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；橋臺的x 方向約束?？紤]橋臺的右側(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 臺背土壓力分析

　　圖4 給出了5 種回填材料作用于臺背土壓力的分布曲線。

　　由圖4 可見，回填材料的重度對臺背土壓力的影響顯著。重度越輕的回填材料，作用于臺背的土壓力值越小，臺背結(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背上的土壓力明顯小于其他回填材料，臺背上部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小；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背上的土壓力明顯小于其他材料。

　?。?）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)用于臺背回填具有明顯的優(yōu)越性，是一種值得推薦的橋涵臺背回填材料。

參 考 文 獻(xiàn)

　　[1] 董金道. 發(fā)展粉煤灰和粉煤灰陶粒混凝土勢在必行[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.