輕質(zhì)氣泡混凝土在高速公路通道橋擴(kuò)建中的應(yīng)用

周松川，丁東平

(廣東省公路建設(shè)有限公司，廣州 510623)

0 引言

隨著粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的提速，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的升級(jí)也提上日程。廣東省已有的高速公路網(wǎng)面臨迫切的拓寬改造，尤其是重要的干線網(wǎng)，如廣深高速公路、沈海高速公路廣湛段(佛開、開陽、陽茂、茂湛高速公路)、機(jī)荷高速公路、江中高速公路等。由于珠江三角洲地勢平坦，河網(wǎng)眾多，各級(jí)道路相互交織，交通組織復(fù)雜。在兩條線路相互交織的情況下，除了轉(zhuǎn)換交通用的立交橋以外，單跨通道橋數(shù)量最多，且多跨越交通繁忙的省道、縣道及地方道路，因此在改造時(shí)需盡量避免中斷線下道路的正常通行?？紤]到珠三角地區(qū)的地基特性，以及設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和減少對土地的占用，單跨通道橋的橋臺(tái)多采用設(shè)置了地基縱向支撐梁的輕型橋臺(tái)[1-3]，并取消了臺(tái)前的放坡。對于橋下有通行要求的通道橋，在拓寬改造時(shí)，如擴(kuò)建部分橋臺(tái)繼續(xù)采用原設(shè)計(jì)的常規(guī)輕型橋臺(tái)形式，則需設(shè)置縱向支撐梁，而在施工基礎(chǔ)縱向支撐梁時(shí)勢必會(huì)中斷地方交通，且部分通道橋下管線復(fù)雜，改造困難，使得原設(shè)計(jì)方案實(shí)施難度較大。

為了經(jīng)濟(jì)高效地完成通道橋的拓寬改造，確保橋下通道暢通，沿用輕型橋臺(tái)但取消地基縱向支撐梁的方案應(yīng)運(yùn)而生。然而，考慮到珠三角高速公路單跨通道橋的一般性地基條件，若單純地取消支撐梁，臺(tái)后的巨大土壓力將引起橋臺(tái)底部的相對位移，并影響到橋臺(tái)的穩(wěn)定性。而解決的途徑，就是最大程度地減小臺(tái)后的土壓力。為此，提出采用輕質(zhì)泡沫混凝土置換臺(tái)后填土的方案。

輕質(zhì)泡沫混凝土是將水泥、適當(dāng)?shù)牡V物摻合料、外加劑、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡物質(zhì)，按一定的配合比，經(jīng)一定的制備工藝制備而成的一種多孔輕質(zhì)混凝土，可以作為外墻保溫材料和保溫填充材料[4-6](熱阻值高)、路基填充材料[7-9](沉降小)和采礦區(qū)填空材料[10](延性好)。對于橋臺(tái)后換用輕質(zhì)泡沫混凝土的研究，李易[11]等通過計(jì)算得出了其能縮小土體對橋臺(tái)的危害和減少橋臺(tái)路基固結(jié)沉降量的結(jié)論；楊杰[12]通過數(shù)值計(jì)算，得出了臺(tái)背換填泡沫混凝土可以顯著減小臺(tái)底樁基位移量的結(jié)論。

本文基于已有的研究成果，結(jié)合廣東省三堡至水口公路改擴(kuò)建工程實(shí)踐，計(jì)算了輕質(zhì)橋臺(tái)臺(tái)背換填輕質(zhì)泡沫混凝土后的土壓力和橋臺(tái)的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果為取消輕質(zhì)橋臺(tái)縱向支撐梁提供了支撐。本文提出的方案不僅節(jié)約造價(jià)、方便施工，還可避免常見的橋頭跳車等病害；介紹的輕質(zhì)橋臺(tái)的臺(tái)背換填泡沫混凝土并取消縱向支撐梁的施工案例，可供類似工程參考應(yīng)用。

1 不同回填材料條件下輕型橋臺(tái)的穩(wěn)定性計(jì)算

1.1 普通填土條件下橋臺(tái)的穩(wěn)定性

1.1.1 水平土壓力

臺(tái)后填土內(nèi)摩擦角φ=35°，容重γ=19kN/m3。根據(jù)朗肯土壓力理論，荷載布置在臺(tái)背后的路堤填土破壞棱體上。主動(dòng)土壓力系數(shù)：

λ=tan2(45°-φ/2)

(1)

主動(dòng)土壓力直線分布，按式(2)計(jì)算，如圖1所示。

P(z)=γλz

(2)

式中：z如圖1所示，為計(jì)算主動(dòng)土壓力距填土頂面的高度。

圖1 臺(tái)后填土主動(dòng)土壓力

主動(dòng)土壓力在單位臺(tái)寬上的合力：

Εt=0.5λγH2

(3)

單位臺(tái)寬上主動(dòng)土壓力產(chǎn)生的基底彎矩：

(4)

式中：h3為基礎(chǔ)厚度。

車輛荷載引起的土壓力呈均勻分布，單位臺(tái)寬上車輛荷載引起的土壓力按式(5)計(jì)算：

Ec=γλHh

(5)

式中：h為等代土層厚度，按式(6)計(jì)算：

(6)

式中：∑G為布置在B·l0范圍內(nèi)的車輪重；B為橋臺(tái)計(jì)算寬度；l0為臺(tái)后填土的破壞棱體長度，l0=Htan(45°-φ)。

單位臺(tái)寬上車輛荷載引起的土壓力在基底產(chǎn)生的彎矩如式(7)所示：

(7)

表1 基底水平力和彎矩計(jì)算結(jié)果

1.1.2 豎向荷載

豎向荷載主要包括橋跨結(jié)構(gòu)恒載產(chǎn)生的豎向力和橋臺(tái)自重。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，可計(jì)算得到橋梁各構(gòu)件傳到地基的豎向荷載(表2)。

表2 各橋臺(tái)豎向荷載計(jì)算結(jié)果 (單位：kN)

基底偏心距驗(yàn)算：

(8)

式中：W為基礎(chǔ)底面的截面抵抗矩；A為基底截面面積。

(9)

式中：N為作用在基底合力的豎向分力；M為作用在基底截面重心軸的彎矩。

抗傾覆性驗(yàn)算：

(10)

式中：y為基底截面重心軸至截面最大受壓邊緣的距離。

抗滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算:

(11)

式中：Q為作用在基底合力的水平分力；N為作用在基底合力的豎向分力；μ為基礎(chǔ)底面與地基土之間的摩擦系數(shù)，取0.2。

表3 基底偏心距、抗傾覆性和抗滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

1.2 改為輕質(zhì)氣泡混凝土后的橋臺(tái)設(shè)計(jì)

表4 基底水平力和彎矩計(jì)算結(jié)果(臺(tái)后填土為輕質(zhì)氣泡混凝土)

表5 各橋臺(tái)豎向荷載計(jì)算結(jié)果(臺(tái)填土為輕質(zhì)氣泡混凝土) (單位：kN)

表6 基地偏心距驗(yàn)算、抗傾覆性驗(yàn)算、抗滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

2 換填輕質(zhì)氣泡混凝土的輕質(zhì)橋臺(tái)施工

以廣東省三堡至水口公路改擴(kuò)建工程K75+874通道橋輕質(zhì)橋臺(tái)為例，該橋?yàn)?×16m預(yù)應(yīng)力空心板通道橋，對舊橋兩側(cè)進(jìn)行整幅拼接加寬，兩側(cè)各拼寬8.75m。若擴(kuò)建橋梁照搬原設(shè)計(jì)在橋臺(tái)基礎(chǔ)底部設(shè)置縱向支撐梁，則將長時(shí)間中斷橋下現(xiàn)有交通，帶來不利的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響。為此，設(shè)計(jì)和施工考慮了臺(tái)背換填輕質(zhì)氣泡混凝土的方案。

2.1 氣泡混凝土配合比

在施工前，輕質(zhì)泡沫混凝土應(yīng)進(jìn)行配合比試配試驗(yàn)。依據(jù)設(shè)計(jì)要求及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際條件，配合比設(shè)計(jì)參數(shù)：

(1)濕容重：按照濕容重不大于6.0kN/m3設(shè)計(jì)。

(2)強(qiáng)度等級(jí)：按照CF0.8(0.8MPa)設(shè)計(jì)。

(3)流動(dòng)度：160～200mm。

(4)抗壓強(qiáng)度試塊規(guī)格：100mm×100mm×100mm。

2.2 施工準(zhǔn)備和場地布置

輕質(zhì)氣泡混凝土基礎(chǔ)施工前，首先對基底進(jìn)行處理，達(dá)到設(shè)計(jì)承載力要求并通過驗(yàn)收后，施工其基底兩層墊層(15cm碎石下墊層和15cm石屑上墊層)；同時(shí)對老路邊坡進(jìn)行臺(tái)階開挖，輕質(zhì)氣泡混凝土擋墻底面寬度不小于1.5m,邊坡臺(tái)階開挖寬度不小于1.0m、高度不大于1.5m。此外，由于是擴(kuò)建拼寬路基，還需要在老路基邊坡上鋪設(shè)軟式透水管，加強(qiáng)新舊路基銜接處的排水，防止舊路基中的滲水對新施工的路基產(chǎn)生不利影響，如圖2所示。然后施工混凝土掛板基礎(chǔ)，將掛板角鋼插入基礎(chǔ)底部并固定后，澆筑混凝土。當(dāng)混凝土掛板施工至一定高度，將其預(yù)埋鋼筋與角鋼上預(yù)埋的鋼筋焊接，此時(shí)已具備泵送輕質(zhì)土氣泡混凝土的條件。

圖2 輕質(zhì)氣泡混凝土施工現(xiàn)場

2.3 澆筑過程的質(zhì)量控制

(1)嚴(yán)格控制原材料及其配合比，通過試驗(yàn)程序確定合理的施工配合比，使得輕質(zhì)氣泡混凝土性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求?，F(xiàn)場施工時(shí)采用專用設(shè)備攪拌，并采用泵送形式進(jìn)行現(xiàn)場澆筑。輕質(zhì)氣泡混凝土在攪拌時(shí)的質(zhì)量控制非常關(guān)鍵，整個(gè)投料過程需精確控制，必須對濕潤密度、空氣量、流動(dòng)值等指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制，以確保輕質(zhì)氣泡混凝土的流動(dòng)性和輕量性。在運(yùn)輸和澆筑過程中，須保證材料不離析、氣泡穩(wěn)定且均勻，一定要避免氣泡被壓縮、密度變大而不能達(dá)到相關(guān)濕容重要求，避免容重增大后產(chǎn)生對橋臺(tái)不利的土壓力。單層澆筑厚度宜控制在0.5m左右，單次最大澆筑厚度不得超過1.0m。

(2)輕質(zhì)氣泡混凝土施工過程中，應(yīng)盡量避免出料導(dǎo)管的過渡振動(dòng)，避免大幅度擺動(dòng)輸料管，防止跑氣，以確保輕質(zhì)氣泡混凝土在整個(gè)澆筑過程中氣泡密閉且均勻分布。澆筑時(shí)導(dǎo)管出口應(yīng)插入已澆筑的輕質(zhì)氣泡混凝土中，不應(yīng)將導(dǎo)管噴口外露以自由流的方式進(jìn)行澆筑施工。施工按分層厚度嚴(yán)格實(shí)施，上層澆筑作業(yè)應(yīng)在下層澆筑終凝后實(shí)施，時(shí)間間隔以24h為宜。

(3)由于輕質(zhì)氣泡混凝土強(qiáng)度低，抗拉性能有限，如施工不當(dāng)極易造成開裂。為了加強(qiáng)輕質(zhì)氣泡混凝土的整體性，施工時(shí)每澆筑0.5m厚設(shè)置一層鋼絲網(wǎng)，鋼絲直徑不小于3.2mm，網(wǎng)格直徑不大于100mm×100mm。每層施工完成后，采用覆蓋濕土工布等措施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，避免出現(xiàn)收縮裂縫，禁止直接噴水養(yǎng)生。整個(gè)養(yǎng)生過程需安排專人管理，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)管力度，避免出現(xiàn)養(yǎng)護(hù)不當(dāng)造成大面積開裂，影響施工質(zhì)量。同時(shí)應(yīng)避免雨天施工，如澆筑后出現(xiàn)降雨，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行覆蓋并做好排水措施，避免輕質(zhì)氣泡混凝土直接淋雨。

(4)逐層施工需做好每一層的驗(yàn)收工作，嚴(yán)格按隱蔽工程程序進(jìn)行驗(yàn)收，在下層未通過驗(yàn)收前不得進(jìn)行上層施工，嚴(yán)格把關(guān)。待最頂層輕質(zhì)氣泡混凝土澆筑完成后，及時(shí)進(jìn)行覆蓋養(yǎng)生，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7d，且養(yǎng)護(hù)期間嚴(yán)禁在其表面進(jìn)行其他施工作業(yè)，避免對輕質(zhì)氣泡混凝土頂面造成破壞。養(yǎng)生達(dá)到7d后，拆除養(yǎng)生膜后應(yīng)盡快施工輕質(zhì)氣泡混凝土頂面混凝土現(xiàn)澆覆蓋層，確保輕質(zhì)氣泡混凝土的施工質(zhì)量。

2.4 整體澆筑效果

通過輕質(zhì)泡沫混凝土與原臺(tái)背回填土的置換回填施工，不僅提升了現(xiàn)場回填的施工速度和質(zhì)量，為工程后續(xù)施工贏得了寶貴的時(shí)間，還顯著減少了臺(tái)背土壓力，由此省去了臺(tái)下基礎(chǔ)的縱向支撐梁，經(jīng)濟(jì)效益明顯。同時(shí)，因?yàn)槭∪チ酥瘟菏┕?，避免了中斷橋下的繁忙交通，間接經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益較大。經(jīng)檢測，該橋臺(tái)背整塊的輕質(zhì)泡沫混凝土沉降在控制范圍內(nèi)，而且輕型橋臺(tái)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)穩(wěn)定，沒有發(fā)生破壞，達(dá)到了預(yù)期效果。圖3和圖4為采用輕質(zhì)泡沫混凝土置換橋臺(tái)背回填土、取消基礎(chǔ)縱向支撐梁方案實(shí)施后的照片，可見橋臺(tái)與臺(tái)后設(shè)置路肩墻的路基段連接平順，外觀協(xié)調(diào)美觀，改擴(kuò)建完工后效果良好。

圖3 臺(tái)背采用輕質(zhì)氣泡混凝土回填擴(kuò)建完成后的

圖4 臺(tái)背采用輕質(zhì)氣泡混凝土回填擴(kuò)建完成后的

2.5 可能出現(xiàn)的問題及解決方法

雖然輕質(zhì)泡沫混凝土具有較好的填筑性能，但是強(qiáng)度總體不高，根據(jù)檢測結(jié)果顯示，該強(qiáng)度雖能滿足設(shè)計(jì)要求，但最高未超過1.4MPa。由于現(xiàn)場諸多不可控因素，在澆筑后發(fā)現(xiàn)存在少量局部開裂、表面比較粗糙以及鼓泡等現(xiàn)象。經(jīng)分析，造成上述現(xiàn)象的原因可能有：發(fā)泡劑不穩(wěn)定；澆筑時(shí)沒有充分發(fā)泡，澆筑后初凝前持續(xù)少量發(fā)泡；泡沫混凝土漿料材質(zhì)不均勻，終凝后局部抗拉強(qiáng)度低。解決方法：(1)選用質(zhì)量穩(wěn)定且高效的泡沫混凝土發(fā)泡劑；(2)使用新型泡沫混凝土發(fā)泡機(jī)，使發(fā)泡均勻穩(wěn)定；(3)適量添加聚丙烯等短纖維，添加量0.1%～0.3%即可，以減少并抑制局部開裂。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

以K74+875通道橋?yàn)槔?，橋臺(tái)臺(tái)背采用輕質(zhì)氣泡混凝土填筑并取消縱向支撐梁的優(yōu)化方案，與常規(guī)形式臺(tái)背回填(臺(tái)背回填料為石屑)并增設(shè)縱向支撐梁的原方案相比，工程造價(jià)顯著降低(表7)。

表7 原方案與優(yōu)化方案工程造價(jià)對比

從表7可見,該橋擴(kuò)建部分若采用原方案，即采用臺(tái)背回填石屑并設(shè)置縱向支撐梁，在其他條件均不變的情況下，左右兩幅回填石屑及增設(shè)支撐梁的總費(fèi)用為70.95萬元；采用優(yōu)化方案在橋臺(tái)背采用輕質(zhì)氣泡混凝土填筑并取消縱向支撐梁的總費(fèi)用為35.73萬元。因此，該通道橋在其他設(shè)計(jì)條件保持不變的情況下，通過優(yōu)化臺(tái)背回填形式，采用換填輕質(zhì)氣泡混凝土并取消縱向支撐梁方案，可節(jié)約工程造價(jià)35.22萬元。整條線路改造，有十余座類似的通道橋，可直接節(jié)約建設(shè)費(fèi)用數(shù)百萬元，且間接經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

4 結(jié)論

通過計(jì)算表明，采用輕質(zhì)泡沫混凝土換填輕型橋臺(tái)臺(tái)背回填土，其土壓力減小40%以上，在基礎(chǔ)不設(shè)置縱向支撐梁的前提下，橋臺(tái)的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。采用此方法換填臺(tái)背回填土，橋臺(tái)高度可達(dá)5m，且臺(tái)前不用放坡，同時(shí)可取消橋臺(tái)左右兩側(cè)錐坡，立面景觀效果得到一定提升，節(jié)省了人力物力，提升了施工效率，節(jié)約了工程造價(jià)。同時(shí)，通道橋擴(kuò)建施工可不中斷橋下地方交通，確保了橋下道路的通行。因此，該實(shí)施方案既可節(jié)約造價(jià)、又可有效減少對地方道路的干擾，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，還可避免常見的橋頭跳車等病害。對于類似條件的通道橋情況，在擴(kuò)建及新建項(xiàng)目均可參考應(yīng)用。