淺談高速公路坑洞流態(tài)粉煤灰回填的應(yīng)用效果

【摘 要】流態(tài)粉煤灰材料具有水穩(wěn)性好、強(qiáng)度和壓縮模量高等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在高速公路坑洞回填中能夠發(fā)揮重要的作用。工程實(shí)踐表明，用流態(tài)粉煤灰技術(shù)填筑高速公路的坑洞可以減小路面的沉降。因此，流態(tài)粉煤灰技術(shù)是控制和提升高速公路坑洞回填質(zhì)量的一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)有效的措施。在這種背景下，本文首先探討了高速公路坑洞流態(tài)粉煤灰回填的特性，并對(duì)高速公路坑洞流態(tài)粉煤灰回填效果進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】高速公路；坑洞；流態(tài)粉煤灰回填；應(yīng)用效果

流態(tài)粉煤灰材料一般均能符合道路基底層級(jí)配料的要求及一般填方工程的質(zhì)量需求，因此流態(tài)粉煤灰回填應(yīng)用于高速公路坑洞填方具相當(dāng)?shù)倪m用性。由于流態(tài)粉煤灰具自流性及自充填性等特點(diǎn)，因此不需搗實(shí)，操作過程不需要任何額外夯實(shí)設(shè)備，便可自動(dòng)填充，加上石灰材料的凝結(jié)特性，足以滿足鋪面工程基層與底層承載力需求。這種材料在國內(nèi)的開發(fā)與應(yīng)用，將會(huì)是解決各種坑洞回填工程問題的最佳方法。

一、高速公路坑洞流態(tài)粉煤灰回填的特性

第一是流動(dòng)性。具有良好流動(dòng)性，使得流態(tài)粉煤灰成為替代傳統(tǒng)回填唯一選擇。流態(tài)粉煤灰因良好流動(dòng)性，具自我填充功能，尤其孔隙不需機(jī)器震動(dòng)夯實(shí)即可達(dá)到良好填充效果。這種性質(zhì)與傳統(tǒng)的回填需以機(jī)器夯實(shí)相比較，具有較大優(yōu)勢，但在塑性狀態(tài)時(shí)又能具有與混凝土相同性質(zhì)。

第二是抗析離性。當(dāng)配比添加額外或過量的拌合水時(shí)，能達(dá)到相當(dāng)高的流動(dòng)性，但會(huì)造成析離。只要添加特殊摻料即可達(dá)到高流度且不發(fā)生析離。為達(dá)高流動(dòng)性且不生析離的流態(tài)粉煤灰，可添加適當(dāng)?shù)募?xì)粒料以提供足夠的凝聚性。避免析離，一般飛灰經(jīng)常被視為一種細(xì)粒料。若所使用的細(xì)粒料具粘土質(zhì)成分時(shí)，應(yīng)避免使用，將會(huì)造成干縮現(xiàn)象。研究結(jié)果顯示，添加F級(jí)飛灰含量高至415kg/m3時(shí)，與其他拌合材如沙、泥土拌合，可獲得滿足流態(tài)粉煤灰基本性質(zhì)的高流動(dòng)性材料。有些工程中也沒有使用沙土，僅使用飛灰為填充材，也可制作出符合需求流態(tài)粉煤灰，但依此配比施工時(shí)，需較多拌合水量，但不會(huì)產(chǎn)生明顯的析離現(xiàn)象。

第三，沉陷性。流態(tài)粉煤灰沉陷量的發(fā)生在于因體積的減少，通過壓密作用而產(chǎn)生的水分喪失或空氣的排出。超過水化作用所需的用水量，會(huì)被表面周圍的土壤吸收或變成游離水而形成在表面呈滲水狀態(tài)，大部分的沉陷現(xiàn)象發(fā)生在澆筑時(shí)，其沉陷的程度需是被釋放出的游離水含量。在高含水量的配比中，其沉陷量約1.04～2.08mm/m。若使用較低含水量來拌合，則發(fā)現(xiàn)會(huì)有較少的沉陷量或甚至不會(huì)發(fā)生沉陷。

第四，硬固時(shí)間。所謂低控制強(qiáng)度材料硬固時(shí)間是指重塑性狀態(tài)至硬固狀態(tài)所需時(shí)間，能達(dá)到足夠的抗壓強(qiáng)度以支撐車的荷重，這時(shí)間常會(huì)被釋放出的滲水量及速率所影響。一般流態(tài)粉煤灰硬固時(shí)間約需半天至數(shù)天，視配比而定，但若為特殊目的時(shí)可縮短至一小時(shí)，通常可以用貫入式抵抗試驗(yàn)法量出硬固時(shí)間及承載力。一般貫入值需500～1500psi，以確定足夠承載力。

第五，滲透性。對(duì)大部分具可開挖性低控制強(qiáng)度材料而言，具有與一般回填相同滲透性。一般而言，低控制強(qiáng)度材料的滲透性系數(shù)約在10.4～10.5cm/sec，具較高強(qiáng)度或細(xì)骨材添加量較高的低控制強(qiáng)度材料，滲透系數(shù)將會(huì)降低至10.7cm/sec。一般而言，滲透系數(shù)會(huì)隨粘結(jié)材料的減少而增加，且會(huì)隨骨材用量而增加（尤其是骨材用量超過80%時(shí)）。若為了降低其滲透性而使用具膨脹性的粘土或硅藻土為回填時(shí)，將會(huì)影響其他性質(zhì)。因此，在使用流態(tài)粉煤灰進(jìn)行回填前，需要先經(jīng)過詳細(xì)的試驗(yàn)測試才可使用。

第六，再開挖性。流態(tài)粉煤灰與傳統(tǒng)回填材料最大的差別之一，就是具有再開挖功能。通常抗壓強(qiáng)度低于50psi（3.5kg/cm2），僅需以人工方式可完成再開挖；抗壓強(qiáng)度介于100～200psi（7～14kg/cm2），可使用小型挖土機(jī)完成開挖。對(duì)添加高含量的粗骨材的低控制強(qiáng)度材料而言，即使在低抗壓強(qiáng)度的情況下，仍無法以人工方式完成開挖，對(duì)于添加高量細(xì)骨材或僅添加飛灰的流態(tài)粉煤灰而言，既使抗壓強(qiáng)度至300psi（21kg/c m2），也可使用小型挖土機(jī)完成開挖。

二、高速公路坑洞流態(tài)粉煤灰回填效果分析

一般常用于分析回填坑洞穩(wěn)定的方法主要有極限平衡法與數(shù)值分析方法，極限平衡法以考慮材料強(qiáng)度為主要因素，并利用破壞面安全系數(shù)來定義回填坑洞穩(wěn)定性。因?yàn)槠湓趹?yīng)用上較為簡易，故為坑洞回填所廣泛使用。數(shù)值方法則考慮材料的應(yīng)力—應(yīng)變性質(zhì)，其分析理論較為繁瑣，由于土體材料性質(zhì)不易掌握，加以分析時(shí)不易使用筆算驗(yàn)證，而限制了其在回填坑洞穩(wěn)定分析上的實(shí)用性。以極限平衡法分析所得的最小安全系數(shù)，通常假設(shè)破壞面為直線型、圓弧型、對(duì)數(shù)螺線型及復(fù)合型。當(dāng)然，在這些破壞下沉面之外，仍可能存在某個(gè)破壞下沉面，且其安全系數(shù)較前述假設(shè)所得的值較小。除此之外，極限平衡法分析回填坑洞破壞時(shí)，為剛體且完全剪力破壞，但實(shí)際上仍須考慮土體材料的變形性與張力強(qiáng)度等影響回填坑洞穩(wěn)定性。

以數(shù)值方法分析，需對(duì)流態(tài)粉煤灰的力學(xué)性質(zhì)加以定量的了解。就應(yīng)用而言，除了人為的夯實(shí)結(jié)構(gòu)體力學(xué)性質(zhì)易于控制外，自然回填坑洞、開挖面等的力學(xué)性質(zhì)難以準(zhǔn)確獲得的工程，較難加以分析。極限平衡法假設(shè)回填坑洞未破壞時(shí)土體為剛體且無變形，破壞發(fā)生時(shí)則為完全剪力破壞，沿破壞面均達(dá)塑性，即未考慮材料的彈性變形。以有限元素?cái)?shù)值分析程序ANSYS，其分析時(shí)可考慮較復(fù)雜的流態(tài)粉煤灰行為（組合律與強(qiáng)度準(zhǔn)則等），可通過計(jì)算出流態(tài)粉煤灰的應(yīng)力及應(yīng)變，但ANSYS 程序卻并不能自動(dòng)輸出所分析回填坑洞的安全系數(shù)與下沉破壞面位置。因此，在對(duì)兩種分析方法進(jìn)行融合的基礎(chǔ)上，本文提出了有限元素?cái)?shù)值分析方法。運(yùn)用這種方法進(jìn)行分析時(shí)，若材料特性復(fù)雜、結(jié)構(gòu)分析困難，則以完全理想塑性模式分析，從而簡化問題分析時(shí)的困難度。因此，本文假設(shè)流態(tài)粉煤灰為彈塑性材料來簡化問題利于有限元素分析，以彈塑性理論的材料模式來推導(dǎo)彈塑性矩陣，并采用ANSYS為有限元素分析工具，在對(duì)流態(tài)粉煤灰與一般土壤進(jìn)行分析比較后，獲得了如下研究結(jié)論。

通過對(duì)于以ANSYS程序分析流態(tài)粉煤灰回填坑洞的穩(wěn)定性、安全系數(shù)的研究制定及臨界下沉破壞面位置的判斷，可獲得下列幾點(diǎn)結(jié)論。

第一，由于ANSYS并不能自動(dòng)輸出所分析回填坑洞的安全系數(shù)及臨界坡壞面，本文提出以強(qiáng)度折減方式定義安全系數(shù)及以分析時(shí)所輸出的位移向量圖、最大剪應(yīng)變等值圖所判斷的臨界下沉面位置，所得結(jié)果均能符合回填坑洞的行為趨勢。

第二，ANSYS程序與STABL程序分析所得的安全系數(shù)差異不大，但由于STABL程序未考慮土體的變形性，且假設(shè)破壞實(shí)為完全剪力破壞，而ANSYS在考慮不同的彈性變量與土壤粘滯系數(shù)。由所得結(jié)果發(fā)現(xiàn)彈性變量、粘滯系數(shù)對(duì)土壤回填坑洞穩(wěn)定有一定影響性，故STABL程序分析所得的安全系數(shù)一般大于ANSYS分析所得，則STABL應(yīng)用在回填坑洞穩(wěn)定分析方面應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適時(shí)的限制。

第三，分別以一般土壤與流態(tài)粉煤灰回填進(jìn)行分析，再以無加載與有加載兩種狀況分析。結(jié)果顯示，有加載狀況時(shí)安全系數(shù)將會(huì)降低進(jìn)而影響回填坑洞的穩(wěn)定性。當(dāng)使用流態(tài)粉煤灰回填時(shí)，無論有無加載狀況下，路堤回填坑洞無破壞的現(xiàn)象，其安全系數(shù)將可大幅提高至3.339。故以流態(tài)粉煤灰對(duì)高速公路坑洞加以回填，將可加大回填坑洞的堅(jiān)實(shí)程度。

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