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粉煤灰与EPS路堤研究综述

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第20卷第4期 2001年7月 岩石力学与工程学报 ChineseJournal ofRockMechanics andEngineering 20(4】:538 ̄542 July.2001 粉煤灰与EPS路堤研究综述 张忠冲 侯学渊。 曹正康 殷宗泽 fI中国蹿桥(集团)总公司 北京上海市政工程设计研究院 同济大学地下建筑工程系上海2oo092) 100011) ‘河海太学岩土工程研究所南京21009g) 上海200092) 摘要分析了国内外采用粉煤灰及聚苯乙烯泡沫塑料(EPs)作为路堤填料以减轻路堤自重-从而减少路堤沉降的研 究现状,进一步指出了EPS的多种土工应用意义。 关键词路堤.沉降 粉煤灰.聚苯乙烯泡沫塑科 分类号Tu 41 1 93 文献标识码A 文章编号 1000—6915(2001)04—0538-05 求,一些具有自硬性的粉煤灰,抗剪强度随着时间 1引言 软土地基上高等级公路的路堤工程中,软土地 基的沉降自施工时即己发生,从路面竣工或开放交 通时起,在道路使用的一段时间(通常以路面设计年 限控制讷发生的沉降定义为工后沉降品 j。有效控 的发展,还可超过土的抗剪强度pJ,故用粉煤灰代 替土填筑路堤,可减轻路堤重量,在减小路堤沉降 量的同时可满足路堤稳定性的要求.国内外软基路 堤工程实践也证明粉煤灰是一种可行的减轻路堤重 量的填料。 随着土工合成材料新品种的不断出现.其中 的聚苯乙烯泡沫塑料(Expanded Ploystyrene.简 称EPS)是令人注目的品种之一.被称为土工领域的 场技术[41。EPS块体的大小可根据需要进行 制路堤的沉降是保证软土地基上高等级公路质量的 关键。控制路堤沉降可以采取两种措施:(1)减轻 所填筑的路堤的重量(同时保证满足路堤边坡稳定 所需的路堤本身强度与变形),使软土路基所承受的 生产,它的体积重度约为0.18~O.4 kN/m ,约为普 通土重度14~20 kN/m 的1/5O~1/70,属于超轻质 材料。EPS的吸水量极小,脱热性能和耐水性能都 很好,它具有一定的强度,抗压强度为100 ̄300 kPat’I上覆路堤荷载减小,进而可减小地基的压缩变形量, 使路堤沉降量减小:(2)对路堤下的软土地基进行 加固处理,改善地基条件。为了既保证路堤稳定性 又能达到减小路堤沉降的目的,所采取的减轻路堤 重量的方法应是寻找一种具有足够强度且不易压缩 通常路基所承受上覆路堤压力小于100 kPa。 因此.可用EPS作为路堤填料.以减轻路堤重量. 减小路堤沉降量,同时保证路堤稳定性。EPS的出 现使土工中原来难以解决的问题获得了令人满意的 解决方法。I 972年挪威道路研究所首次将1 m厚的 普通填料层换成聚苯乙烯板.成功地遏制了与桥台 连接路堤的过渡沉陷,从此使EPS开创了在土工中 应用的先例_bI。目前,应用于路堤填料的EPS的密 度一般为0 2 kN,因其本身具有足够强度.在路堤 变形的轻质材料作为路堤填料。 2路堤重量减轻技术的发展历史与 研究现状 粉煤灰是电厂燃烧粉煤所排出的灰色粉沫灰 渣.粉煤灰压实干重度【21为10.7~11.0 kN/m ,比土 轻1,3~l,5,属于轻质材料。另外,室内试验表明. 许多粉煤灰的抗剪强度参数完全满足公路路堤的要 1999年I1月3015t收尉初稿.2000年1月IB日收到修改祸。 ·上海市博士后基金资助项目. 作者张忠坤简介:男. 内应力环境中不易压缩变形,故其一方面可减少路 堤自身的压缩变形量;另一方面可减少地基所承受 的上覆路堤荷载,从而减小地基压缩变形量:故EPS 岁.I998年于河海大学岩土工程专业获博士学位,2000年 同济太学岩土工程专业博士后出站后在中国路桥(集团)总公 司任高级工程师.主要从事公路施工技术昔理与项目投标等方面的工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com

第20卷第4期 张忠坤等.粉煤灰与EPS路堤研究综述 ·539· 的优良特性在于从这两个方面减少路堤的沉降量 2.1粉煤灰作为路堤轻质填料的发展历史及研究 现状 粒径、形态和击实特性对压实控制的影响进行了研 究,对高等级公路粉煤灰路堤现场检测方法和压 实控制标准提出了看法和建议。文【9]通过对粉煤灰 的材料性能和工程特性的研究,对粉煤灰路堤从路 堤结构形式、边坡、压实标准、设计强度及沉降等提 出了看法和建议;根据粉煤灰路堤的施工特点,提出 了摊铺要求、含水量控制、压实机械碾压方式、碾压 早在5O年代,英美等国家就开始对粉煤灰填 筑路堤进行了研究 。英国为确定路堤设计的参 数和施工方法而修筑了一系列的试验工程,6O年代 中期将粉煤灰的应用纳入了大不列颠快速干道计 划。7O年代 来美国及一些欧洲国家相继在高速公 路工程中推广应用,在此基础上,一些国家制定了 比较完善的粉煤灰筑路技术规范和相应的经济政 策,较好地解决了粉煤灰运输、储存以及使用过程 遍数等。文【8]结合“沪宁”高速公路路基的模型试 验研究,通过室内材料试验与路堤模型试验.得出了 粉煤灰轻质路堤在荷载作用下路堤内部定点应力、位 移变化规律;说明了静载作用下,粉煤灰路堤内应力 荷载和表面位移.荷载基本上呈线性关系,只有在荷 中对环境的污染等问题。8O年代以来,我国公路部 门开展了粉煤灰路堤的试验研究,西安坝桥、天津 新港疏港公路、沪嘉及莘松高速公路等试验路堤的 研究.获得了不少粉煤灰填筑路堤的有益经验。根 据填筑路堤用灰量大、投资少的特点, 及沿海地 载较大的情况下出现非线性变化;粉煤灰路堤在荷 载作用下的受力特点类同于土质路堤,同时,粉煤灰 路堤的强度和稳定性亦能满足设计要求。用粉煤灰 作为路堤轻质填料可发展粉煤灰的综台利用,也具 有良好的经济效益。现有研究与工程实践均证明用 粉煤灰作为路堤轻质填料是可行的。 2.2 EPS用作路堤超轻质填料的发展历史与研究应 用现状 区电厂多、排灰量大的情况,推广粉煤灰筑路技术, 扩大粉煤灰筑路的应用范围和规模,也是粉煤灰综 合利用的有效途径。粉煤灰用作路堤轻质填料的不 利因素在于:粉煤灰为粉性材料,渗透性大,易为 雨水冲淋流失。但这种不利因素可通过合理设置路 堤结构形式加 克服,即将粉煤灰作为路堤芯材填 EPS应用于土工领域已有20多年的历史… , 软土地基上的高等级公路常用重度为0、2 kN/m 的 EPS作为路堤填料,就是充分利用EPS密度小与力 学性能好的特点,用以减小路堤本身的重量,进而减 小路基压缩变形量和路堤沉降量,同时满足路堤边坡 稳定性要求。EPS属于超轻质材料,它对路堤重量 料,外包粘土 。通常的粉煤灰路堤结构示意图如 图】所示。 的减轻程度远远超过了粉煤灰对路堤重量的减轻程 度。EPS用作路堤填料时,施工非常方便,EPS块体 ==j==二 ====i; ;:暑 粉煤灰沉降 软土地基 大小可根据需要进行生产,通常采用的EPS块体的 大小尺寸为:长3 m、宽l m、厚0.5 m,类似手摆 “积木”一样,不需要大型机械。挪威已经有5O多 个公路项目采用这种材料,用于桥台背路基与软土路 基地段,通车数年而无沉降现象_l EPS自身强度 足以满足路堤荷载与边坡稳定性要求,应用中EPS 填筑高度一般在5 rn左右,可填高度最高达2O ml】 。 EPS用作路堤填料时,EPS两侧坡面用土包边,其 路堤边坡的稳定性取决于包边土体的稳定性,而包 边土体的稳定性则可用常规土力学中边坡稳定性的 方法进行确定。由于EPS本身是块体且内聚力强的 特点,存在EPS填料的路堤会使路堤边坡更趋稳定。 EPS路堤施工中,EPS必须平放,为确保EPS填筑 路基的良好排水,在最底层的EPS底部要垫铺透水 砂层,要严格控制砂层及EPS铺砌层的平整度;铺 砌的EPS块体之间不能留任何空隙,排列紧密,用 翻1 粉煤灰路堤结构示意翻 Fig.1 Structure ofcoal ash road embankment 目前对粉煤灰减轻路堤重量己做的研究主要包 括:对粉煤灰的材料性能和工程特性的研究,对粉煤 灰路堤施工工艺的研究,对粉煤灰路堤检测的研究 和对粉煤灰路堤受力特性的研究。文[】0]通过粉煤灰 在“开洛”高速公路路堤中的应用,研究了粉煤灰的 物理化学性质、颗粒组成、压缩性、内摩擦角及粘聚 力、渗透性及毛细作用、击实性能、强度和CBR值: 对粉煤灰的路用性能进行了论述和分析,提出了松铺 系数、含水量控制、压实厚度等参数;特别就粉煤灰 维普资讯 http://www.cqvip.com

·540· 岩石力学与工程学报 2001芷 粘结材料或台缝钉将EPS块体结合在一起,以防路 堤填筑过程中EPS块体的相互错动与移位,若EPS 块体间产生缝隙或高低差。必须用无收缩水泥砂浆调 整;在最上层EPS块体的项面上铺设l2~l5 cm厚 的钢筋混凝土,在这层钢筋混凝土上面再铺设的路面 基底普通压实填料厚度不宜小于30 cm。以便使路面 基底能够得到充分压实_l 。EPS用作路堤超轻质填 料的不利因素在于EPS的抗风化性、耐冲击性和化 重要的意义。国内外岩土工作者对EPS的研究可分 为:对其物理化学性质的研究和对其力学性质的研 究。物理化学性质方面,主要研究了EPS本身的物 理化学性质特点和EPS块体所适应的周围水土介质 环境。指出了在EPS的土工应用过程中,所应做的 适当的防护措施。力学性质方面。主要研究了EPS 的应力.应变关系、压缩变形特性、抗弯性能和摩擦 性能。在EPS的应力.应变关系31I压缩变形特性的研 究中,主要做了单轴压缩试验和三轴压缩试验,得 出了单轴压缩条件F及三轴压缩条件下的EPS应力一 应变试验关系曲线。文[121指出,EPS为弹塑性体, 单轴压缩条件下。当轴向压缩应变小于或等于2% 时,EPS为弹性体;当轴向压缩应变大于2%时。EPS 为弹塑性体 文[181通过对体积重度P=0.18 kN/ 的EPS的三轴压缩试验研究,得出了围压 =10,20, 学药剂性能差,但它作为路堤填料时被埋于土中。 所受紫外线的影响小。老化缓慢,因此强度劣化很小, 也就克服了这些不利因素。另外,EPS不适用于在 地表洪水泛滥地区用作路堤超轻质填料,以免地表 洪水浮力将EPS路堤抬起.从而导致路堤破坏。EPS 作为路堤超轻质填料的结构示意如图2所示。 3O,4O。50 kPa条件下,EPS的应力.应变关系及轴 向应变与体积应变的试验关系曲线。但没有对这些关 系曲线进行全面分析和进一步研究。 文[6I对EPS的力学性能进行了一些试验研究, 主要包括:压缩性能试验、蠕变性能试验和加荷.卸 图2 EPS路堤结构示意囤 Fig.2 Structure ofEPS road embankment 荷试验;此外.还就EPS作为减压材料的应用进行 了模型试验。该研究结果中根据轴向应变s值的大 小,将EPS的压缩全过程划分为:弹性( <5*/0)、屈 服 :5%~5O%)和硬化(s>50%)3个阶段。但没有 考虑围压对EPS的强度、变形及应力.应变关系的影 响。 EPS首次作轻质填土材料.于1972年用于奥 斯陆郊外的Flom大桥改造工程中.该桥建在年沉 降量达100mm的厚泥碳层上 未用EPS之前.年 年都需要维修;采用EPS块体进行施工处理后,儿 上面所述国内外岩土工作者对EPS应力-6变关 系所傲的不同研究结果表明 如何正确描述EPS的 乎再没有发生沉降。此后。挪威对EPS作了广泛的 研究。到1990年底止.共完成120处EPS填方施 工24 ̄lO4m ;瑞典、法国和德国也瞄准了EPS。瑞 典1980年就开始采用EPS修复年沉降量达50 ̄70 mill的桥梁引桥 1985年6月.在挪威召开了路堤 应力.应变关系特征的研究工作仍处在发展之中。只 有通过试验。正确地确定EPS的应力.应变关系,才 能适应当前EPS在土工应用中的计算要求。笔者通 过三轴试验pJ,对重度 0|2 kN,m 的EPS的应力. 应变关系作了进一步深入的研究,得出EPS内在的 力学性质规律性。所得EPS应力.应变关系曲线表明, 在围压 3从0增大到100 kPa的过程中。近似为取 工程填土中应用EPS的国际会议。日本不久就引进 了这项技术,对EPS材料进行了广泛的研究。1986 年成立了EPS轻质填料开发机构,集中力量进行了 EPS的研究开发和普及利用。并对筑造的EPS大规 模填土工程进行了反复实车运行,研究了EPS的应 力一应变关系和其他力学性质,证明了EPS能充分 作为填土材料应用,并将这种材料广泛地推向了路 堤填土工程的应用 EPS的力学性质不同于土的力学性质。正确地 认识EPS的力学性质对正确地计算与分析EPS路堤 曲线。EPS试样结构达到破坏时所需的偏应力( I一 3)减小(取 为15%时的偏应力来分析),亦即结构 强度减小。这一点与土的三轴试验结果恰恰相反;而 在 3从100增至300 kPa的过程中,试样达到破坏 时所需的偏应力 l一 3)增大,这时情况又与土的 三轴试验结果一致。围压 3从0增大到100 kPa的 过程可视为EPS本身的结构破坏过程,因而强度降 低;围压o-3从100 kPa继续增大的过程可视为试样 的沉降变形.为路堤设计提供可靠的参数具有十分 本身结构破坏已完成而致密.又进入了再压缩密实阶 维普资讯 http://www.cqvip.com

第20卷第4期 张忠坤等.粉煤灰与EPS路堤研究综述 ·541· 段,因而表现出强度增大。 目前国lJ』还很少有EPS路堤工程实例.笔者对 宁—通一级公路K1o2+990断面处的路段.进行有 限元数值模拟研究分析[t91,将采用EPS作为路堤重 量减轻填料、用粉煤灰作为路堤重量减轻填料和用 普通土作为路堤填料时所产生的路基沉降.与该路 段软土地基已经采用的二灰土桩复合地基加固之后 荐进行路堤填土所产生的沉降进行数值模拟分析对 比,研究结论表明,采用轻质填料能够明显减小路 堤沉降量,EPS超轻质填料比相同厚度的粉煤灰填 料对路堤沉降的减小程度大得多。 3 EPS的土工应用综合分析 EPS自身重度小的超轻质特性和其特有的力学 性质,决定了EPS能够有效地减轻路堤重量,保证 路堤强度和稳定性,从而有效地控制路堤沉降.保证 路面的使用质量,从而也决定了E,PS在路堤工程中 特有的应用价值。EPS不仅可以用作路堤填料,在 其他类似的低围压环境土工领域中,也可发挥出其 特有的作用 桥台背面回填土的沉降往往产生引道 部分和桥台的垂直错位,使用EPS代替填土就能有 效防止基础下沉而避免垂直错位;EPS回填还可以 减小桥台等构筑物侧向土压.减小构筑物的移动变 位。在滑坡地区填土,由于填士的荷重,往往更容易 导致坡地的滑动,若用EPS代替填土,则荷重将大 大减小,可有效地防止滑坡的产生。高填土下的涵洞, 由于填土厚,土压大,涵洞壁的断面厚度要很大才能 承受上面的土压力,若在涵洞上面回填EPS,则土压 大大减小,而且涵洞壁的断面厚度也可相应减小 在山地由于斜面崩塌及滑坡等原因造成的道路破坏, 可考虑用EPs代替填土应急修复道路,搪工容易且 迅速.可根据现场情况灵活应用 在软弱地基中埋设 多种管道,可以用EPS作为基础.以减小不均匀沉 降的产生,肪止基础差异沉降造成的管道破坏。军事 工程中的I临时铺路也可应用EPS作为主要铺垫层, 其施工要求也比公路的施工要求简单得多,因公路 的路堤EPS填料可认为是永久设施,而军事临时铺 路中的EPS铺垫层是临时设施,且EPS临时铺垫层 被拆除后,其中的EPS块体可以反复使用,这必然 会节省大量的军事铺路工程费用。在城市地区的某 些地段进行路堤施工时,为保护地下市政设施与I临 近建(构)筑物的安全.不允许对地基进行扰动类加固 处理,但又要控伟b路堤沉降,EPS作为路堤填料,减 轻路堤重量.便可达到控制路堤沉降的目的 总之. EPS具有独特的土工应用价值,EPS的土工应用可节 省相当体积的回填土,尤其是在人口众多、土地资源 贫乏的我国.更应珍惜土地资源.重视EPS的土工 应用;土地是生命之源.是人类乃至地球上所有动植 物永久的财富.在实现我国现代化宏伟蓝图的建设过 程中,也要将宝贵的土地资源留给我们的子孙万代。 因此.EPS的土工应用也具有长远的社会意义。 4结语 在减小软土地基土方工程造成的沉降问题上,换 土垫层法、预压法和排水法等在以前都有许多学 者与工程师作过充分的研究;但在对如何成功地将 EPs应用于软土地基的处理问题上的研究仅是初步阶 段 本文通过综合分析EPS与粉煤灰用作路堤轻质填 料的研究发展现状,旨在更好地将这种技术应用于对 路堤工后沉降量的有效控制.确保公路建设的工程质 量。随着石油化工业科学技术的发展.EPs成品的造 价与市场价格也会降低,故EPS在我国土工领域的工 程应用.将会象西方国家一样,具有很大的发展潜力。 参考文献 I 陆永青,李月光软基路堤沉降计算方法的讨论 】华东公路, 1997,c6l}50 ̄54 2 棣奔耪煤灰在公路工程中的应用与前景[J1上湃建砝科技, I992·{2):33 ̄34 3 沈毕脊l ̄#l-耪煤灰在罩钰堤工程中的应用Ⅳ】国外公路,1993.(5l- 45~48 唐作华.唐韭请 1见:羹晓南编第 三届全国地基处理学术讨论会论文集lc】杭州 :浙江大学出版牡. l992.484 ̄485 5 王善存超轻量填土材料—一靛泡苯乙烯U1公路.1989 r【9l}3 4l 6 白冰.陆士强聚苯乙烯泡津塑料的测试盈其在土工中的应用 【J1岩土工程学报.1994.15(2】.104~108 7 张忠坤.殷宗泽,曹正康等聚苯己烯泡津塑料路堤填料三轴试验 的研究『J1河海大学学报,1997·25(5):106 ̄108 8 杨军,韩 谨.邓学钧孥粉爆莸轻质路堤的静力模型试噎研究 【Jl中国让路学报,1994,7【4】{26 ̄32 9 王静对粉膜灰填筑路堤的看法和建议fJj中商盛路工程.1992 r 2){】~7 10 刘华,张延毕.张启亮粉攥灰在 开洛”高速公非路堤中的应 用与研究 】中南公路工程.1993.9(3):28 ̄34 】] Norv,x ̄gtan Read Research Laboratuey Expanded polystyret ̄e used in 维普资讯 http://www.cqvip.com

岩石力学与工程学报 州髑 姐hrI∞E【Rl Neo-.vay:N0n aTlRoadResearchLaboratory· isI】:【s nl,I981 16 Lcif Erlksson.Roland Trank Properties of∞ 2001芷 I992 ed I ̄lyslylene 12 FoⅨhⅢ 0eselIschaf【furSwain·LandV Code ofpmmtic ̄ labomo,r experiment[R]Is】l:SGI,1988 lIslllg pmded ystymnef,m-the co1 IIclm ofr ̄d ̄rnbankn ̄nts[S] 【S1】:Is n】·1995 17 王辅一.王乃北欧公路建设中的新技术新材料[J】华东公 路.I994.(2):35 ̄36 13 Ttuan ̄A Coleman polystyrene F0aTT- Is 0玎npc“nvc Li gILt 18 EPS constructionmethoddcvclopmmt organization[Rl 1 hn啪Ifq)o ̄ of con 1 on Method Usmg D arIded P0 啊K,Tokyo=EPS Fill[MI NewYofk z Civil En ̄neeifng·ASCE·1974 I4 SodieA Use ofExp ̄ided PolystyreneinRoadCongresstM]Vienna: B rt1,】979 15 RyggNO Polystyrenefoamfo ̄1l曲 i卧road embankn ̄nt[A]In: Proc 10th h他r Con ̄Soil M。c m and Foundation Engineering[C] Cons ̄ctionMethodDc ̄x.1opmcmOrganization.I991 伸 张密坤高等级公路路堤减轻与复音地基加固的研究【博士学位论 文】【D1南京:河海大学·1998 REⅥEW oN CoAL ASH AND EPS USED AS FlLLER oF RoAD EM[BANKMENT Zhang Zhongkun I,Hou Xueyuan 2Cao Zhengkeng 3"/in Zongze (’China Road and Bridge Corporation,Beijing 10001 1 Chia)n (2Department ofUndergroundConstruction.Ton ̄i University,Shanghai 200092 Chia)n (’Institute ofMunicipalDesignofShanghai,Shanghai 200092 Chia)n Institute ofGeotechnicalEngineering,HohaiUniversiy,Nanting 210f098 Chia)n Abstract The current study on both coal ash and expanded polystyrene(EPs)used as the filler of road embankment to reduce settlement of road embankment is reviewed.The extensive geotechnic ̄meaning of EPS application is pointed out. Key words road embankment·settlement,coal sh,expanded apolystyrene(EP Calendar of Academic Events 15th International Conference on Soil Mechanics&Gentechnical Engineering 27~3 1 August 2001,lstanbul,Turkey Contact:Ergun Togrol,Faculty ofCivil Enginecfing,lstanbul Technical University, 80626 Ayaxaga,lstanbul;Tel:90 212 285 3747,Fax:90 212 285 3582;e.mail:15icsmqe ̄,itu.edu.tr 1st Asian Pacific Congress on Computational Mechanics,APCOM’01 20 ̄23 November 20o 1,Sydney,Australia Contact:Dr.N.Khalili.School of Civil&Environmental Engineering Universiy of tNew South Wales,Sydney NSW 2052,Australia;Fax:61 2 9385 6139;e-mail:n.khalili@unsw.edu.au 3rd International Conference of Soft Soil Engineering 6~8 December 2001.Hong Kong Contact:Miss May Ho,Conference Secretariat Section,The Hong KOng Institution of Engineers,9fF Islnd aBeverley,1 Great George Street,Causeway Bay,Hong Kong;e-mail:conf@hkie.org.hk (go to P559) 

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