粉煤灰在高填方路基拓宽工程中的适用性研究

张晓磊，胡海彦

(黄河水利职业技术学院，河南 开封 475003)

随着我国国民经济的快速发展，已经建成的很多高速公路不能够满足迅速增长交通量的需求，越来越多的高速公路需要进行改扩建来满足日益增长的交通量的需求。但是，高速公路改扩建工程中新老路基拼接所引起的差异沉降问题制约着高速公路拓宽技术的发展。目前，世界各国已有多条不同等级的公路进行了拓宽改造或者升级，在高等级公路中多采用轻质填料或进行地基处理等手段来控制拓宽后公路路基的不均匀沉降问题[1-5]。粉煤灰是一种已经在工程广泛使用的轻质填料，近年来被“变废为宝”用于修筑路基和基层，既节约了开挖黏土所需的耕地资源，又保护了环境，具有非常显著的技术经济效益[6-9]。同时，也有部分工程中将其用于路基拓宽中，但是目前对粉煤灰在路基拓宽中的适用性，及粉煤灰与土工格栅组合使用的工程效果尚缺乏系统研究。鉴于此，笔者将展开全面的试验与理论研究。

1 现场测试

1.1 试验概况

某高速公路扩建工程以一段长度为187 m，路基填高≥6 m的加宽路基为试验路段。右幅路基加宽填料采用一般黏性土，并且将一层钢塑性土工格栅铺设在下路床底层，以后每填筑80 cm 冲击碾压一次，铺设一层钢塑性土工格栅。左幅采用粉煤灰作为路基加宽填料，并用0.5 m厚的黏性土包边，下路床底层铺设一层钢塑性土工格栅，往后每填筑80 cm再铺设一层钢塑性土工格栅。

选取具有代表性的断面布设沉降观测设备，进行沉降观测，选取一些能够体现本段路基的沉降变化规律的路段作为沉降观测断面。根据试验段的实际情况，选取了4个具有代表性的断面，其中4个断面分为2组，每一组包含2个断面(A断面，B断面)，2个断面沿着线路方向左右对称。

主要观测项目为地表沉降、一般黏性土和粉煤灰对地基产生的应力大小，用于对比分析地基的变形特性和沉降规律。在粉煤灰和一般黏性土路基段选取了代表性的4个断面进行了观测设备的埋设。在两组断面埋设了剖面管、沉降板、土压力盒等观测元件。4个断面中都埋设了剖面管用来测量地表的沉降变形，每个断面的新旧路基的交界处和新路基的路肩处分别埋设了土压力盒和沉降板，用来测量地表应力与沉降。两段路基的施工进度如图1。

图1 施工进展Fig.1 Construction progress

1.2 试验结果分析

1.2.1 土压力

图2与图3分别为随着路基填筑，两测试断面中粉煤灰与素土填筑拓宽部分的土压力变化。

图2 粉煤灰试验段土压力变化Fig.2 Earth pressure of the tested section of fly ash subgrade

图3 素填土试验段土压力变化Fig.3 Earth pressure of the tested section of plain filling subgrade

从图2、图3的曲线可看出，路基的新旧路基交界处和新路基的路肩处的土压力随着填筑高度增高而增大，并且土压力的实测值小于理论计算值，随着填筑高度的增加实测值与理论值的偏差增大。

从4个断面的土压力曲线看，新旧路基交界点的土压力值增加较新路肩处的土压力值增加的快。路基加宽工程中，填筑高度相同的情况下，填土路基的新路肩和新旧路基交点处的土压力大于粉煤灰填筑路基的新路肩和新旧交界点处的土压力。

1.2.2 地基顶沉降

为了研究粉煤灰和一般性土作为加宽路基填料引起地基的沉降变形规律，分别在两个测试断面的新旧路基的交界点和新路肩位置，埋设沉降板用来测试粉煤灰与填土加宽路基的地表的沉降。沉降板在填筑第2层后开始埋设，沉降板应该埋设在最底层土工格栅的上面。沉降观测频率按照每填筑一层进行1次观测，如果两层之间的填筑时间间隔超过3 d，再加1次沉降观测。根据实测的沉降板的沉降数据，绘制两测试断面中新旧路基交界点和新路基路肩位置的沉降与填筑高度的关系曲线图，如图4、图5。

图4 粉煤灰填筑段沉降板的沉降曲线Fig.4 Subsidence curves of the settlement plate in the fly ash filling segment

图5 素土填筑段沉降板的沉降曲线Fig.5 Subsidence curves of the settlement plate in the plain soil segment

从图4、图5可以看出，路基加宽工程中，地基沉降随着填筑高度的增大而增大，而且新路肩的沉降量比新建路基结合部的沉降量大，但随着填筑高度的增加沉降速率在不断地减小，说明施工阶段，地基随着填高的增加地基的沉降逐渐趋于稳定状态。施工过程中粉煤灰填筑加宽路基的地基沉降量小于填土加宽路基的地基沉降量，体现出粉煤灰作为轻质填料的优越性。

1.2.3 路基剖面沉降

通过在每个断面内埋设剖面沉降仪来监测整个横断面的地表沉降，当路基填筑到地基表面土工格栅上方大约50 cm左右开始埋设剖面管。管头用高精度的沉降观测设备确定其标高，柔性管内通过高灵敏度的传感器来测量柔性管内部任意两点之间的沉降差。为了更好的比较与分析4个测试断面的沉降曲线，选择有代表性的数据分析，绘制出2个路基断面内4个测试断面的沉降曲线，如图6、图7。图内横坐标的0点代表新旧路基的交界处的沉降，横坐标大约4 m处是新加宽的路基路肩位置。

图6 粉煤灰路基沉降曲线Fig.6 Settlement curve of fly ash subgrade

图7 素填土路基沉降曲线Fig.7 Settlement curve of plain fill subgrade

通过4个测试断面的沉降曲线可以看出：从新旧路基交界点往加宽方向加宽路基的沉降是非线性变化的，随着加宽宽度的增加沉降也在增大，最大沉降量在新路基的路肩位置，继续往加宽路基外侧沉降在逐渐地减小，而且，粉煤灰填筑加宽路基的地基沉降量小于填土加宽路基的地基沉降量，沉降管测出的沉降量与沉降板测出的沉降量吻合。

2 数值分析

2.1 分析模型

以路基拓宽工程的试验段当作工程实例，原本有路堤顶面宽度为28.0 m的双向4车道高速公路，分别将原有高速公路两侧进行加宽，各加宽7.25 m。因为结构以路基中轴线为对称轴，所以原路堤顶面每侧宽为14 m，路堤顶面拓宽部分宽度为7.25 m，路堤填高6 m。原路堤和拓宽路堤边坡坡度都采用1∶1.5，取自然地面下25 m为地基计算深度，以自路基中轴线向外100 m为计算宽度。以原地基表面为起点铺设土工格栅，每填筑粉煤灰80 cm铺设一层土工格栅，共铺设土工格栅8层。

计算模型基本假定如下：

1)路堤和路基土体都选用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，模型参数如表1。

2)因为计算模型是对称结构，所以以路堤中心线作为对称轴，任意选取一半进行计算。

3)以地基底面固定约束为边界条件，地基宽度外侧为水平向约束。

4)假定旧路基下的地基固结变形早已完成。

5)地基土和老路基土的自重形成地基和路堤中的初始应力场，并且把初始位移回位归0。

6)假设面层、基层、底基层、新老路基等结合面处治较好，并且接触状态均为完全连续，不会有相对滑移和脱离现象发生。

表1 材料参数

计算网格如图8。

图8 拓宽路基计算网格Fig.8 Computational grid of the widen subgrade

2.2 结果分析

2.2.1 位移场

加宽路基填料采用粉煤灰是完全可行的，在路基施工过程中，在新老路基结合处的坡脚位置发生了最大沉降值为30.2 mm的沉降；以新老路基结合处的坡脚位置为中心路基沉降值基本均以近似弧形发散的形式朝周围递减；老路基沉降值相对较小，特别是旧路基中部。土工格栅加筋使路基位移场产生了显著变化，路基底部土体的水平位移被土工格栅加筋有效地限制了，最主要的是土工格栅的加筋使地表最大水平位移不再出现在路基底部；土工格栅的加筋作用使新老路基的不均匀沉降减小，且使路基下沉更趋向于整体式，使不均匀沉降引起的病害大大减小。

素土加宽路基水平位移最大值发生在新路基边坡处，施工过程中水平位移最大值为20.3 mm；由于加宽路基部分的荷载作用，部分土体往内侧(即路基中线方向)挤压，部分土体往外侧挤出，这和地基内主应力分布情况是相一致的；新加宽的路基表面填土有向拓宽路基方向滑移的趋势。土工格栅加筋作用使得加宽路基的水平位移场分布发生了变化，主要通过约束路基地表水平位移来实现加筋的效果，地基中的应力场和位移场的改变是通过约束路基地表位移实现的，从而使路基的稳定性得到较大提高。

2.2.2 应力场

第1主应力和第3主应力均随着深度的增加而增加，变化沿路基中线处中部大两端小，表现为拱状。第1主应力的最大值为-265.7 kPa，第3主应力的最大值为-457.1 kPa，均发生在路基中线深处。总的来说应力值不大。土工格栅的加筋作用对第1主应力的影响较为显著，特别是在路基新旧结合部，格栅埋置于土中后产生的“薄膜”或“网兜”效应，在土工格栅中形成托举力，改善了加宽路基应力场的分布，减少了由于土体自重作用而产生的竖向土压力。

新旧路基结合部的坡脚处出现了小范围的塑性区，若该区域土体未添加约束，则土体会向自由表面挤出，在水平方向发生较大变形，并且在竖直方向将有隆起的趋势，因此加宽路基施工的薄弱部位在新旧路基结合部坡脚处，在设计和施工的过程中均要特别注意。以新旧路基结合部处铺设土工格栅筋材作为约束的路段作为路基拓宽工程的试验段，约束变形的发展，防止土体在新路基荷载作用下发生局部破坏，从而保证路基的稳定性和安全性。

新老路基结合部中部的土工格栅所受拉力随着路基填筑高度的变化如图9。

图9 路基中部土工格栅轴力随填筑高度发展Fig.9 Gogrid axial force development with the filling height in central subgrade

从图9中可以看到，拉筋所受最大拉力随着路基填筑高度的增大而变大后趋于平稳，在路基填筑高度达到4～5 m时，土工格栅的轴力达到最大值1.599 kN。土工格栅拉筋拉力向新路基方向逐渐减小，这主要是由于路基不稳定区拉筋与土之间的摩阻力抵消了部分土压力，同时拉筋变形等原因促使不稳定区拉筋起抗剪作用的缘故。

3 结 论

粉煤灰作为路基填料已经有较多研究，主要因为粉煤灰质量小、路基工后沉降可以减少，同时可以增加粉煤灰的用量，有效减少环境污染。笔者结合理论分析与实际检测，对拓宽工程中粉煤灰的适宜性得出了一些有益的结论，具体如下：

1)通过分析黏土和粉煤灰两种材料的高填方路基扩宽段的土压力、地基顶面沉降、地表剖面沉降实测数据发现，施工过程中粉煤灰填筑加宽路基的地基沉降量较填土段为小，体现出粉煤灰作为轻质填料的优越性。

2)粉煤灰路基的数值模拟结果表明，用粉煤灰作为加宽路基填料可以有效减小高填方路基的地基沉降，将其用于路基填筑具有技术经济可行性。

3)拓宽段“土工格栅 + 粉煤灰”路基的力学行为表明，土工格栅的加入可以从微观机理上改善拓宽部分路基结构的受力特征，显著减小路基沉降，保证路基的稳定性与使用安全。

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