陶粒粉煤灰混凝土在桥涵台背回填中的应用研究

摘 要：通过材料性能试验、土工离心模型试验和数值计算，研究陶粒粉煤灰混凝土的物理力学性能及其在桥涵台背回填的应用效果。首先，通过材料性能试验研究不同配合比的陶粒粉煤灰混凝土的物理力学性能；其次，通过土工离心模型试验和数值计算研究陶粒粉煤灰混凝土用作桥涵台背回填材料时，作用于台背的土压力和回填体的变形特性。研究发现：陶粒粉煤灰混凝土具有轻质、高强度、高模量和易施工等诸多优点；陶粒粉煤灰混凝土回填体作用于台背的土压力明显小于常规回填材料；回填区和地基的沉降变形亦明显小于其他材料。结果表明：陶粒粉煤灰混凝土作为台背回填材料具有明显的优越性，是一种值得推荐的桥涵台背回填材料。

关 键 词：陶粒粉煤灰混凝土；台背回填；土压力；沉降；离心模型试验；数值计算

中图分类号：U 432 文献标识码：A

1 引 言

　　公路桥涵台背回填是一项容易被忽视又不易做好的工作，常因为多种原因而严重影响公路的使用性能。路面施工完成后，桥涵结构物台背回填区继续沉降，致使台背与结构物连接处出现台阶，车辆通过时易产生腾空跳跃现象，工程界通常称作“桥头跳车”。加强台背回填材料和技术的研究已成交通主管部门和科研机构的热点问题之一。

　　陶粒是以黏土、页岩、粉煤灰等为原料，经加工、焙烧而制成的一种轻质、坚硬、具有明显蜂窝状的人造轻质骨料。其颗粒密度一般在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，配制轻质混凝土，用于浇注土建工程的承重或非承重构件。1965 年～1968年上海郊县32 座公路桥和南京长江大桥的公路桥面板以及宁波地区2 座公路桥的上部结构均采用了陶粒混凝土材料，至今使用良好。结构物的强度均超过设计强度，碳化深度小，耐久性好，如南京长江大桥共用粉煤灰陶粒1.3×104 m3，减轻了结构自重，提高了钢梁的安全系数，节约钢材600 t，取得了较好的经济效益[1, 2]。但是，国内外的文献中未见陶粒混凝土用于桥涵台背回填工程方面的报道。本文通过材料性能试验、土工离心模型试验和数值计算，研究陶粒粉煤灰混凝土的物理力学性能及其在桥涵台背回填中的使用效果。

2 材料性能试验

2.1 原材料

2.1.1 陶粒

　　（1）陶粒的级配

　　图1 给出了3 种不同类型的陶粒级配曲线。由图可见，轻型页岩陶粒颗粒较粗，其级配比较均匀。

　　（2）密度

　　用量筒贯砂法测定陶粒毛体积密度，试验结果见表1。

　　（3）筒压强度

　　根据《轻集料及其试验方法》[3] 测定了陶粒的筒压强度，试验结果见表2。

2.1.2 粉煤灰

　　表3 给出了试验用粉煤灰的技术指标。《公路路面基层施工技术规范》[4]规定：要求粉煤灰的中SiO2、Al2O3 和Fe2O3 的总含量大于70 %；粉煤灰的烧失量不超过20 %；粉煤灰的细度要求：0.3 mm筛孔的通过率大于98 %，0.075 mm 筛孔的通过率大于70 %。表3 所列粉煤灰的技术指标满足规范对粉煤灰的各项要求。

2.2 陶粒粉煤灰混凝土的力学性能

　　采用标号为C32.5 的普通硅酸盐水泥，成型不同配合比（质量百分比）的陶粒粉煤灰混凝土的立方体试件，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。表4 给出了不同配合比陶粒粉煤灰混凝土的主要技术指标。

　　由表4 可见，陶粒粉煤灰水泥混凝土用作台背回填材料有如下的优势和特点：

　　（1）重度小。表中所列各种陶粒粉煤灰混凝土的平均重度约为12.68 kN/m3，只有一般压实回填土重度的2/3。陶粒粉煤灰混凝土用于台背回填时，对地基地附加应力小，地基更加稳定，并且减小了地基的压缩变形，同时减小了回填材料对台背结构的土压力，保证了结构的稳定和安全。

　　（2）强度高，压缩模量大。《公路路面基层施工技术规范》[4] 对高速公路和一级公路底基层材料7 d 抗压强度的要求是：二灰混合料抗压强度要求≥0.6 MPa；水泥稳定土的抗压强度要求在1.5～2.5 MPa。而表中所列各种陶粒粉煤灰混凝土的7 d平均抗压强度为1.69 MPa，达到了规范要求的底基层无机结合料稳定材料的抗压强度要求，远大于一般填土的强度。另外，陶粒粉煤灰混凝土的压缩模量平均达2.5 GPa，相当于一般贫水泥混凝土的压缩模量。因此，采用陶粒粉煤灰混凝土作为台背回填材料，回填材料自身的压缩变形极小，回填体更加稳定。

　　（3）施工方便。通常台背回填材料的回填施工过程中，顾及桥台的结构安全，同时由于空间局限，靠近桥涵台背30～50 cm 范围内的回填材料无法压实。然而，陶粒粉煤灰混凝土填筑时，采用振捣成型的施工工艺，无需压实，消除了其他散粒体回填材料固有的压实“死角”。

3 离心模型试验和数值计算

3.1 试验设备

　　本次试验在南京水利科学研究院400 g·t 大型土工离心机上进行。该机最大有效转动半径为5.5 m，最大离心加速度200 g，最大负荷200 kN，采用 可控硅无级调速方式。该机装配有先进的闭路

监测系统与数据采集系统，可随时监测试验过程中模型的变化情况。用于试验的模型箱的有效尺寸为1 000 mm×600 mm×400 mm，一侧为可装卸的有机玻璃，是试验过程中模型的监测窗口。

3.2 模型布置与测量

3.2.1 模型布置

　　以重力式桥台为例。如图2 所示，地基材料为85 %压实度的黏土；相邻的路堤材料为90 %压实度的黏土。为便于比较，台背回填材料采用陶粒粉煤灰混凝土、85 %压实度的黏土、风积砂、砂砾和5 %石灰土等5 种材料。

3.2.2 土压力测量

　　由于影响土压力测量的因素很多，在缩尺模型中进行土压力测量难度很大，因此，本次试验只是尝试在桥台台背上埋设了一种应变式微型土压力传感器，试图了解台背上土压力沿深度的分布。微型土压力盒的尺寸为φ 15 mm×5 mm。

3.2.3 土体位移测量

　　位移测量采用的是德国Wenglor 公司的高精度激光传感器，它是一种理想的非接触式位移测量传感器，其量程为50 mm，测量分辨率优于20 μm。位移传感器从桥台背开始在路堤中心线上间隔布置。这样可以获得模型表面各测点的位移测量值顺路线方向的分布状况。

3.3 计算模型

　　针对离心模型试验中的台背回填的物理模型进行模拟，几何模型的尺寸、边界条件和各部分材料与离心模型试验中的物理模型完全相同。采用如图3 所示的平面应变模型进行计算。其中，桥台简化为不变形的刚体结构。模型的平面尺寸如下：桥台和路堤填筑高度为20 m；地基土体厚4.06 m；回填区的范围沿路线方向底部长2 m，顶部为29 m；相邻路堤的顶部长7.56 m。约束条件为：地基底面x，y 方向约束；地基的左右侧面x 方向约束；路堤的右侧为x 方向约束；桥台的x 方向约束。考虑桥台的右侧面、底面与回填材料和地基之间的接触。

3.4 材料参数

　　采用ABAQUS 软件进行数值计算。ABAQUS对现有Drucker-Prager 本构模型进行了拓展，广泛用于各种岩土材料[5]。本文采用ABAQUS 拓展的Drucker-Prager 模型来描述各种散粒体材料（黏土、风积砂、砂砾）的本构关系，通过三轴试验确定材料的本构参数。石灰土和陶粒粉煤灰混凝土属水硬性材料，采用线弹性本构关系。表5 给出了各种材料的本构参数。

4 试验和计算结果

4.1 台背土压力分析

　　图4 给出了5 种回填材料作用于台背土压力的分布曲线。

　　由图4 可见，回填材料的重度对台背土压力的影响显著。重度越轻的回填材料，作用于台背的土压力值越小，台背结构的稳定性与安全越有保障。陶粒粉煤灰混凝土材料作用于台背上的土压力明显小于其他回填材料，台背上部1/3 高度的土压力为0。土压力的合力只有黏土材料的51.48 %，减少了48.52 %。

4.2 回填体表面沉降分析

　　图5 给出了不同填料表面沉降分布曲线。图6 给出了有限元计算结果与试验结果的比较曲线。由图5 和图6 可见：陶粒粉煤灰混凝土回填体表面沉降远小于距离台背30 m 以外的正常路堤段的沉降量，呈缓坡形分布。与其他回填材料相比，陶粒粉煤灰混凝土回填体表面沉降最小；表面沉降均值只有黏土材料的 48.80 %，减少了51.20 %。

5 结 语

　　通过试验研究了陶粒粉煤灰混凝土的物理力学性能；运用离心模型试验和数值计算的方法，研究了陶粒粉煤灰混凝土作用于台背土压力的分布状况和回填体表面沉降特征。主要结论如下：

　　（1）陶粒粉煤灰混凝土具有轻质、高强度、高模量和易施工等诸多优点。

　　（2）陶粒粉煤灰混凝土回填体作用于台背上的土压力明显小于其他材料。

　　（3）陶粒粉煤灰混凝土的模量高，自身的压缩变形小；重度轻，对地基（尤其是软土地基）和相邻路堤的附加应力小，回填区和地基的沉降变形明显小于其他材料。

　　总之，陶粒粉煤灰混凝土应用于台背回填具有明显的优越性，是一种值得推荐的桥涵台背回填材料。

参 考 文 献

　　[1] 董金道. 发展粉煤灰和粉煤灰陶粒混凝土势在必行[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, 肖鹏, 张小平. 轻质回填材料的试验研究[J]. 华东公路, 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, 轻集料及其试验方法[S].

　　[4] JTJ034, 公路路面基层施工技术规范[S].

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