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淺談泡沫輕質土在橋頭軟基處理的運用

發布時間:2019-10-09 分類:公司新聞 信息來源:www.poxhqg.icu

概要??近年來,我國公路橋梁建設不斷蓬勃發展,珠三角地區交通建設亦緊鑼密鼓地展開。珠三角地區河涌密集,軟土地基分布廣泛,橋頭路基沉降引起的橋頭跳車成了普遍性的公路工程病害。針對橋頭跳車問題,國內已進行了很多研究并形成的許多常用的處理方法,但仍然不能達到很理想的效果。近年來,作為新技術的泡沫輕質土技術逐漸應用于土木工程各領域的建設中,而引入泡沫輕質土進行橋頭路基處理,成了緩解橋頭跳車現象的一個新方向,本文擬對此進行一些有益的探討。

關鍵詞:公路?橋梁?橋頭跳車?泡沫?輕質土

上世紀七、八十年代,日本開始將泡沫輕質土大規模應用于替代填土的工程領域:1987年潢浜市內的公路橋維修工程中首次把泡沫輕質土作為填充材料來使用;次年作為道路工程的填土材料使用。此后,隨著施工設備及技術標準的不斷完善,應用范圍迅速擴大,并出版了相關的技術規范。

我國于2002年引進并發展了泡沫輕質土技術,目前已在包括北京奧運鳥巢、北京地鐵奧運支線、京珠高速公路、汕頭中山東路改造、廣佛、佛開高速公路拓寬、河北沿海高速公路等大量的基礎設施建設工程中得到了成功的應用。

泡沫輕質土是“用物理方法將發泡劑水溶液制備成泡沫,與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌,并經物理化學作用硬化形成的一種輕質材料”。

類似的材料有日本的“氣泡輕量土”,國內的”泡沫混凝土”等。就硬化成型的過程而言,泡沫輕質土、氣泡混合輕質土與泡沫混凝土并無本質區別。但泡沫輕質土的原材料(如集料及摻和料)可用范圍更廣,力學性能介于土與混凝土之間,使用功能更側重于替代常規土或砂(不是作為混凝土)用于各種填充或充填。

泡沫輕質土具有如下工程特性:

①輕質性

輕質性是現澆泡沫輕質土最顯著的特性,與幾種常規土建材料相比,現澆泡沫輕質土的容重相對要低。(見下表)。

幾種主要土建材料的容重比較(單位:kN/m3)

水泥混凝土 路面底基層 路基填土 粉煤灰 中粗砂 泡沫輕質土
25 21~22 19~20 12~16 18~20 3~12

②容重和強度可調節性

調整現澆泡沫輕質土的組成成份比例,即調整配合比,現澆泡沫輕質土的容重和強度可根據需要在一定范圍內自由調節。工程上,現澆泡沫輕質土的容重一般可在3~12kN/m3之間調節;而無側限抗壓強度的調節范圍為0.3~5.0MPa。作為土工填筑材料,現澆泡沫輕質土的無側限抗壓強度通常控制在0.3~1.2MPa。

③良好的施工性

現澆泡沫輕質土的流動性高,可通過軟管泵送,現場施工澆注點與制作點可分離,且澆注點占的施工空間極小,可在狹小空間內施工。當作為路基填筑的替代材料時,現澆泡沫輕質土澆注施工無須振搗碾壓,施工便捷高效。良好施工性還體現在現澆泡沫輕質土基本可連續澆注施工,無須在施工過程中進行特別的養生處理。

④良好的環保特性

可大量利用粉煤灰等工業廢渣做原材料,促進資源的再生利用,有利于環保;與土工泡沫塑料相比,現澆泡沫輕質土屬無機質材料,無論用于地上,地下工程,其對環境均無污染作用,環保優勢明顯;當用于道路擴建、山區陡峭路段等道路工程中,可節省土地資源,避免高填高挖等對環境的破壞,對保護自然生態環境意義重大。

泡沫輕質土用于軟基路橋過渡段的設計,主要圍繞工后沉降滿足規范要求,解決泡沫輕質土的換填厚度和換填范圍的問題。這里,從軟基變形的理論來說明換填厚度;關于換填長度,則結合規范和相關研究文獻來論證。

珠三角的軟基一般由飽和軟土組成,通常為高壓縮性、高孔隙比和高含水量的淤泥或淤泥質土。這類飽和軟土,其沉降變形的本質可用有效應力原理來說明:在附加應力的作用下,超孔隙水壓力不斷消散、有效應力不斷增長;與此同時,隨超孔壓的消散,軟土中的自由水不斷排出,由此,其體積壓縮,表現為沉降的發生。

在這個過程當中,對工程起決定作用的主要是三個方面:

1、附加應力

附加應力的大小決定了軟土層最終總沉降量的大小:當附加應力全部轉化為有效應力時,總沉降完成;故附加應力越大,總沉降越大。

2、固結度

固結度Ut可用下式表達:?????????????????????????(2-1)式中St?當前t時刻已完成沉降;?S∞?最終總沉降;軟土層有效應力;?軟土層附加應力。

固結度的意義在于表征了當前時刻已完成沉降占總沉降的比例。

3、工后沉降

設工后沉降為,可用下式表達(3-1)可見,工后沉降其實就是扣除完工時已完成沉降后的剩余沉降量。工后沉降通常是軟基路段重點控制的指標;從設計到施工,軟基路段的一個重要任務就是盡可能降低工后沉降,以確保公路工后的正常使用,并減少工后維修費用。

當然,這里的工后沉降系指工后總沉降;工程上,更多使用的概念是基準期內的工后殘余沉降。顯然,工后總沉降越小,基準期內的殘余沉降越小。

由式2-1及式3-1可知,可通過兩種途徑來降低工后沉降:

1、通過提高St來提高竣工時的固結度,以此控制工后沉降。

具體的實現方法為排水預壓法:通過設置豎向排水體如袋裝砂井或塑料排水板,通過堆載預壓或真空預壓的方式來加快軟土層的固結速率,使竣工時的固結度達到足夠大,確保工后沉降滿足要求。該法的主要特點是具有較好的經濟性,缺陷是需要足夠的預壓時間,且工后沉降大,這通常與項目的工期要求矛盾突出。

2、降低軟土層的附加應力以降低總沉降,以此控制工后沉降。

實現方法有兩種方式:

方式一??樁式復合地基法

樁式復合地基是設置一定密度的攪拌樁、CFG樁或預應力管樁等強度遠較軟土層強度要高的樁體,將上覆荷載大部分轉移至這些樁體來承受,從而降低軟土層所承受的荷載和附加應力,實現控制工后沉降的方法。該工法的優點是時間短,效果顯著,但缺陷是造價偏高,同時,樁體施工對周邊的臨界結構物(如橋臺、涵洞等結構物)會產生側向擠出效應,從而影響臨界結構物的安全性。

方式二??輕路堤法

該工法直接降低路堤荷載和軟土層的附加應力。傳統的輕路堤法有EPS路堤等。

泡沫輕質土用于路橋過渡段填筑,屬于輕路堤法,其控制工后沉降的原理在于降低附加應力;當用于舊路改造項目時,如換填厚度適當向原地面以下延伸,可使軟土層的附加應力小于有效應力,軟土層處于超固結狀態,從而確保工后沉降為0。汕頭市中山東路改造工程,即采用了泡沫輕質土技術對全線軟基路堤橋臺兩側沿路線縱向各30m范圍的路基進行了換填處理,其換填厚度向原地面以下延伸了1m,該范圍內沒有進行任何軟基處理,并取消了常規的橋頭搭板。一年多來的使用效果良好。

為緩解軟基路堤與橋梁等結構物之間的差異沉降,通常在結構物兩側的一定范圍內設置路橋過渡段。公路路基規范規定,應設置必要的工后沉降過渡段來緩解工后橋頭跳車現象。

根據《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范》的規定,路面設計使用年限內殘余沉降(簡稱工后沉降)應滿足下表的要求:

容許工后沉降

橋臺與路堤相鄰處 涵洞或箱型通道處 一般路段
高速公路、一級公路 ≤0.10m ≤0.20m ≤0.30m
二級公路(采用高級路面) ≤0.20m ≤0.30m ≤0.50m

?

關于路橋工后沉降過渡段的長度控制,國內外大量的工程實踐和研究結果表明,應以工后沉降允許值及工后允許縱坡變化率來確定。根據國內相關研究成果,?路橋過渡段差異沉降控制標準如表:

???路橋過渡段的差異沉降控制標準

道??路??等??級 設計車速(km/h) 縱坡相對差最大值(‰)
高速公路 120 ≤3.5
1級公路 100 ≤4.4
2級公路 80 ≤5.1
3級公路 40 ≤8.0
4級公路 20 ≤9.7

泡沫輕質土的一個顯著的特點是其澆筑后可固化直立,并且對橋臺的水平力幾乎為0,根據這一特點,可將橋臺進行優化設計,包括兩方面的內容:1)橋臺結構優化;2)橋臺樁基礎優化。

就橋臺結構而言,臺后直立填筑泡沫輕質土與填筑常規放坡路堤,存在兩方面的優化:1)由于直立填筑,橋臺耳墻可基本取消;2)由于直立填筑,對橋臺臺身無側向壓力,可取消橋臺臺身,近似按橋墩進行橋臺設計。

就橋臺樁基礎而言,其優化思路為:可考慮按單排樁基礎設計,但樁徑與橋墩樁徑相同。

綜合比較

①工后沉降

采用泡沫輕質土換填臺后原路基土,可最大限度控制工后沉降。與水泥攪拌樁等方法相比,其施工不是隱蔽施工,具有很強的質量可靠度,且適度向原地面以下換填,可確保地基土在工程改造后處于超固結狀態,以盡可能避免工后沉降的發生。

②橋臺所承受的土壓

泡沫輕質土因固化后可直立,其對橋臺的側向土壓力幾乎為0,這對于橋臺的受力是極其有利的。采用泡沫輕質土后,橋臺及橋臺樁基可進行簡化,由此節省了造價。并且由于城市橋梁有時需跨越地鐵等,基樁跨越距離較大,橋臺所承受的上部荷載非常大,臺后土壓力對橋臺的影響也極為不利,這是采用泡沫輕質土的重要優勢。

土壓接近為0的另一個有利因素是,施工時,擴建段的橋臺樁基和橋臺可先行施工,由此大幅節省工期。如采用水泥攪拌樁等方法處理臺背,則不僅橋臺樁基和橋臺必須待水泥攪拌樁施工完畢才能施工,否則水泥攪拌樁施工導致的側向擠出壓力會嚴重威脅原有橋臺的安全,很可能會導致原有橋臺的側移甚至破壞。這一點,是水泥攪拌樁等其他軟基處理方案無法克服的缺陷,過往一些市政道路、高速公路建設在早期都出現過不少這類失敗的案例。

③施工工期

泡沫輕質土施工一方面便捷高效,在澆筑完畢后7~14天即可進行后續路面施工,與橋臺樁基及橋臺施工不存在先后次序等沖突(通常在軟基路段進行結構物施工時,應先進行軟基處理,待軟基沉降穩定后再進行樁基及結構物的施工),并且,由于采用泡沫輕質土時,橋臺可采用單排樁柱式橋臺,比起雙排樁與薄壁式橋臺,鉆孔灌注樁的施工時間可以減半,而且薄壁式臺身的施工時間也比柱式臺身更長,這些,決定了泡沫輕質土方案具有較大的工期優勢。根據測算,一個橋臺臺背的處理,采用泡沫輕質土方案,其工期至少較水泥攪拌樁方案節省1~6個月。

④造價

因采用泡沫輕質土換填和攪拌樁處理時橋臺的形式不同,故比較各方案的造價時,將橋臺的造價亦包含到比較表內。橋臺由雙排樁變為單排樁,薄壁臺身變為柱式臺身,無論是鉆孔灌注樁,承臺,還是臺身的施工,工程量都大為減少,施工工序也簡單化,故造價也因此減少。

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