EPS滬寧高速公路拓寬工程實(shí)例

滬寧高速公路主線全長(zhǎng)284.21km，穿越廣闊的水網(wǎng)地區(qū)，沿線軟土地基長(zhǎng)92.29km。滬寧高速公路擴(kuò)建以路基兩側(cè)拼接加寬為主，由雙向四車(chē)道對(duì)稱拓寬為8車(chē)道，兩側(cè)各加寬8.25m。在軟土地基上進(jìn)行路堤拼接后，拼接荷載所引起的沉降增量，對(duì)老路基而言，呈反盆形分布，在路中心最小，兩側(cè)拓寬形成的斷面形心垂線處最大。這將會(huì)引起新、老路肩與老路堤中心間差異沉降的產(chǎn)生，極易導(dǎo)致老路基、路面的拉裂。為減少差異沉降，江蘇段拓寬工程試驗(yàn)段在K0+000~K0+300、K0+800~K1+440、K1+600~K1+770(其中包括橋頭、箱頭和一般路段)范圍內(nèi)采用EPS作為一種比選方案進(jìn)行路堤填筑試驗(yàn)研究。

3.1 路堤的斷面結(jié)構(gòu)型式

試驗(yàn)段EPS路堤填筑高度3~5m，當(dāng)采用斜坡式時(shí)平均地基壓力為40.15~55.02kN/m(包括EPS外側(cè)1.5m厚包邊土)，采用直立式邊坡時(shí)平均地基壓力為26.23~28.24kN/m。該試驗(yàn)段EPS路堤的設(shè)計(jì)，為充分發(fā)揮EPS密度小、自重輕，路堤沉降少，自立性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用了直立式邊坡和新型肋板式擋墻結(jié)構(gòu)如圖1所示。這樣既減少了EPS用量，又不必進(jìn)行地基處理，還減少了公路擴(kuò)建的二次征地面積，節(jié)約了寶貴的土地資源。

為了提高板整體性能，便于吊運(yùn)，在預(yù)制板的中間設(shè)置加勁肋。肋板的板厚10cm，肋寬40cm，高15cm，預(yù)制板總寬1.8~1.9m。預(yù)制肋板立放于專設(shè)的立板基礎(chǔ)上，預(yù)制板之間采用現(xiàn)澆連接，結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)度取10m，結(jié)構(gòu)縫處寬度5cm，用瀝青封閉。

為防止EPS在重負(fù)荷作用下側(cè)向變形對(duì)預(yù)制板產(chǎn)生較大的側(cè)向壓力，在EPS與預(yù)制板之間預(yù)留5cm的間隙，使肋板處于不受或少受側(cè)壓力狀態(tài)。間隙處鋪設(shè)一層垂直向土工布。

在EPS頂面與路面結(jié)構(gòu)層之間現(xiàn)澆一層厚20cm的鋼筋混凝土蓋板，使EPS均勻承受上部荷載。預(yù)制板與現(xiàn)澆蓋板之間的二期混凝土，應(yīng)盡量安排在路面結(jié)構(gòu)層施工后期澆筑，這樣可使EPS的垂向、側(cè)向變形充分發(fā)揮，減小現(xiàn)澆蓋板以及上部結(jié)構(gòu)分配至預(yù)制板里的垂向作用力。

3.2 防撞護(hù)欄的設(shè)計(jì)

對(duì)于邊坡為1:1.5的路堤，可以采用一般高速公路上使用的波形護(hù)欄來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而對(duì)于擋墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生交通事故時(shí)，存在更大的安全隱患，為了防止車(chē)輛沖出路面，應(yīng)采用安全性更高的橋式護(hù)欄或加強(qiáng)型的波形護(hù)欄。

橋式護(hù)欄可以預(yù)先在預(yù)制板內(nèi)伸出鋼筋，同預(yù)制板、蓋板的二期混凝土同時(shí)澆筑連接。由于汽車(chē)在撞擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，有將EPS頂部的混凝土結(jié)構(gòu)段拉出路面結(jié)構(gòu)層的危險(xiǎn)，因此必須對(duì)混凝土蓋板進(jìn)行抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。根據(jù)試驗(yàn)表明，橋式護(hù)欄是安全的。

3.3 縱橫向的連接

在EPS路堤的填筑過(guò)程中，必須重視EPS同一般填土路段的連接問(wèn)題。EPS同土路堤的縱向連接段應(yīng)設(shè)置一過(guò)渡段，即將EPS塊體以臺(tái)階的方式與土路堤過(guò)渡相連，橫向亦如此，同時(shí)在鋪砌時(shí)應(yīng)采用EPS塊體縱橫向交錯(cuò)鋪砌，以利于EPS塊體的受力和變形連續(xù)。

對(duì)于縱橫坡的調(diào)整，有兩種方法可供選擇:一是采用底層調(diào)坡，根據(jù)實(shí)際路面的縱橫坡，通過(guò)EPS底部的整平砂層來(lái)放坡。采用這種方式，上部的豎向荷載將傾斜作用于EPS塊體，EPS塊體將受到一水平分力的作用，不利于EPS的受力，但損耗小。為了改善EPS塊體的受力特性，可采用底層水平鋪筑，頂部的EPS塊體切割成小的異形塊，通過(guò)小臺(tái)階的方式來(lái)調(diào)整橫坡，該法EPS受力條件好，同時(shí)施工方便，是較好的調(diào)坡方案，但損耗較大。

3.4 排水問(wèn)題

由于EPS屬超輕質(zhì)材料，若浸在水中，將受浮力的影響，EPS的上部結(jié)構(gòu)將受到垂直向上的荷載，使新老路基連接處結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)產(chǎn)生縱向裂縫、錯(cuò)臺(tái)。因此EPS的施工基準(zhǔn)面必須高于最高地下水位最小安全距離S，同時(shí)在施工基面上填筑一層石灰穩(wěn)定土，徹底隔離地下水的影響。然后進(jìn)行排水砂層的施工，砂層同時(shí)起整平作用，以利于EPS塊體的鋪設(shè)。

對(duì)于施工期的排水，主要是避免雨水對(duì)EPS塊體的浸泡和雨水在新老路基的交接處滲入老路基，對(duì)老路基造成損害。為此必須在坡腳處設(shè)置臨時(shí)排水溝，防止路基積水，施工后必須用土工布將EPS塊體和老路的開(kāi)挖臺(tái)階覆蓋，防止雨水的浸入。為了防止雨水對(duì)老路基的侵入，并防止砂層被雨水沖蝕，EPS與臺(tái)階之間的孔隙應(yīng)采用素混凝土填實(shí)。

營(yíng)運(yùn)期的排水是影響其使用質(zhì)量的主要因素，因此必須特別重視。為了防止雨水通過(guò)路面結(jié)構(gòu)層滲入路堤內(nèi)部，EPS長(zhǎng)期吸水而造成自重增大，因此在現(xiàn)澆鋼筋混凝土板和頂層EPS之間加鋪一層防滲土工布。路基排水可通過(guò)在施工基面上設(shè)置20~30cm的砂墊層來(lái)排水，同時(shí)需與原路的排水砂層和臺(tái)階處的砂層接通。對(duì)于直立式結(jié)構(gòu)，由于砂層無(wú)法與外界接通，可通過(guò)預(yù)埋PVC管或塑料盲溝來(lái)排水，其底部高程應(yīng)在排水溝底面以上10~20cm，防止排水溝的雨水倒灌。

為了充分發(fā)揮EPS的超輕特性，最大限度的降低地基應(yīng)力，有時(shí)需要對(duì)地基進(jìn)行開(kāi)挖置換，此時(shí)應(yīng)設(shè)置橫向排水通道，為了避免邊溝過(guò)深，可考慮在邊溝以下設(shè)置縱向排水盲溝，將路基下的雨水排出。

3.5 EPS鋪設(shè)

由于EPS很輕，采用人工鋪筑，關(guān)鍵是平整度控制與聯(lián)結(jié)牢固。EPS塊體鋪設(shè)在施工基面上，施工基面必須保持干燥狀態(tài)。塊體鋪設(shè)時(shí)，不準(zhǔn)拖拉機(jī)和其他重型機(jī)械直接在EPS塊體上行駛。EPS塊體自下而上逐層錯(cuò)縫鋪設(shè)，整體鋪筑質(zhì)量很大程度取決于施工基面和最下層的鋪設(shè)精度。

EPS塊體之間的縫隙和錯(cuò)臺(tái)應(yīng)盡可能的小。最下層由墊層來(lái)調(diào)整，中間各層則采用無(wú)收縮水泥砂漿調(diào)平。為防止EPS塊體互相錯(cuò)位，塊體各層之間采用雙面爪型聯(lián)結(jié)件，在頂面及側(cè)面采用單面爪型聯(lián)結(jié)件，在最下層EPS塊體與施工基面和土基之間采用銷(xiāo)釘聯(lián)結(jié)。

在最上面一層EPS塊體的頂面，要澆筑一層鋼筋混凝土板。它不僅可以改善EPS的受力特性，使行車(chē)荷載和上部路面結(jié)構(gòu)荷載均勻擴(kuò)散，防止由于應(yīng)力集中而造成EPS的破壞,還使EPS塊體形成一個(gè)良好的整體，防止有害物質(zhì)侵入EPS塊體。

4.結(jié)語(yǔ)

EPS作為一種超輕質(zhì)的路基填料，在國(guó)外有較為廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，EPS有著隔熱性好、自重輕、自立性強(qiáng)等優(yōu)良性能，對(duì)解決路基凍害、橋頭跳車(chē)、路基失穩(wěn)、新老路基拼接等問(wèn)題有良好的處理效果。但由于國(guó)內(nèi)使用EPS修建路堤的時(shí)間不長(zhǎng),對(duì)EPS本身的性能也缺乏深入全面的研究,在使用過(guò)程中尚有許多需要解決的問(wèn)題,概括起來(lái)主要有以下幾點(diǎn):

(1) 目前國(guó)內(nèi)EPS主要應(yīng)用于包裝行業(yè)和建筑行業(yè)，在公路中應(yīng)用還較少。EPS較高的價(jià)格限制了其大規(guī)模的使用，有待研究生產(chǎn)性能更好、價(jià)格較便宜的EPS產(chǎn)品。

(2) 對(duì)EPS在長(zhǎng)期荷載作用下的性能缺乏深入的了解,長(zhǎng)期使用后的殘余變形和使用壽命還有待觀察。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)重復(fù)荷載、沖擊荷載作用下EPS性能的長(zhǎng)期變化情況的研究,同時(shí)應(yīng)研究多種荷載形式共同作用下EPS性能的變化發(fā)展。

(3) 應(yīng)及時(shí)制訂參照標(biāo)準(zhǔn)，便于工程施工中進(jìn)行質(zhì)量管理。

EPS作為一種新型輕質(zhì)工程材料正日益受到工程界重視。

1.1 密度

EPS的密度由成形階段聚苯乙烯顆粒的膨脹倍數(shù)決定，一般介于10~45㎏/m3之間，作為工程中使用的EPS表觀密度一般在15~30㎏/m3。目前在道路工程中用作輕質(zhì)填料的EPS密度為20㎏/m3，為普通道路填料的1%~2%。密度是EPS的一個(gè)重要指標(biāo)，其各項(xiàng)力學(xué)性能幾乎都與它的密度成正比關(guān)系。

1.2 變形特性

根據(jù)試驗(yàn)，EPS在三向應(yīng)力狀態(tài)下和單向應(yīng)力狀態(tài)下的受壓過(guò)程基本類似，當(dāng)軸向應(yīng)變?chǔ)臿=5%時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，EPS開(kāi)始表現(xiàn)出彈塑性。當(dāng)圍壓很小時(shí)，對(duì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和屈服強(qiáng)度的影響是有限的。當(dāng)圍壓超過(guò)60KPa時(shí)，屈服強(qiáng)度明顯下降，顯然與土的變化規(guī)律不同。當(dāng)軸向應(yīng)變?chǔ)臿≤5%時(shí)，無(wú)論圍壓是多大，體積應(yīng)變?chǔ)舦接近于軸向應(yīng)變?chǔ)臿，即EPS側(cè)向變形小，也即泊松比小。

容重γ=0.2~0.4kN/m3的EPS的彈性模量Es在2.5~11.5MPa之間。廣東省淡澳河大橋引道工程EPS填筑高度超過(guò)4m，使用的EPS容重為0.2kN/m3。為最大限度地減少工后沉降,鋪筑完EPS材料層后，在其上填土1.2m進(jìn)行預(yù)壓。其中EPS材料層的壓縮沉降平均為32mm，可以算得EPS的彈性模量為2.4MPa，且EPS材料仍處于彈性變形階段。該路段于2000年10月試行通車(chē)，6個(gè)月后EPS材料層的實(shí)際壓縮變平均值為8mm，說(shuō)明就EPS材料的使用實(shí)際效果看,用作為路堤填料是成功的。

1.3 自立性

EPS自立性強(qiáng),對(duì)高邊坡的穩(wěn)定十分有利。瑞典橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，主動(dòng)、靜止側(cè)壓力系數(shù)分別為0和0.4，不必計(jì)算被動(dòng)側(cè)壓力。由于EPS豎向受壓后產(chǎn)生側(cè)向壓力小，將EPS用于橋頭段路基填料，可大大減少橋臺(tái)的臺(tái)背土壓力，對(duì)橋臺(tái)穩(wěn)定十分有利。

EPS塊與砂的摩擦系數(shù)f，對(duì)于干燥砂f為0.58(密)~0.46(松)，對(duì)濕砂f為0.52(密)~0.25(松);EPS塊與塊之間f在0.6~0.7范圍內(nèi)。

1.4 水、溫特性

EPS的封閉空腔結(jié)構(gòu)決定了其具有良好的隔熱性，它用于保溫材料最大的特點(diǎn)是其熱傳導(dǎo)率極低，各種規(guī)格EPS板體其熱傳導(dǎo)率為0.024W/m.K~0.041W/m.K。

EPS為熱可塑性樹(shù)脂，應(yīng)在70℃以下使用，以免受熱變形和強(qiáng)度降低。同時(shí)利用這一特性可采用電熱絲加工。生產(chǎn)中可添加阻燃劑，形成阻燃型EPS。阻燃型EPS離開(kāi)火源3s內(nèi)自行熄滅。

EPS的空腔結(jié)構(gòu)使水的滲入極其緩慢。根據(jù)挪威與日本實(shí)測(cè)資料，EPS吸水率(吸入的水量相當(dāng)于它的容重的百分?jǐn)?shù))不浸泡在水中時(shí)為1%以下;地下水位附近的為4%以下;長(zhǎng)期浸泡在水中的為10%左右。由于EPS的容重比土體的容重低得多，吸水引起的1%~10%的容重增量對(duì)工程影響可忽略不計(jì)。

1.5 耐久性

EPS在水中和土壤中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不能被微生物分解;EPS的空腔結(jié)構(gòu)也使水的滲入極其緩慢;長(zhǎng)時(shí)間受紫外線照射，EPS表面會(huì)由白色變?yōu)辄S色，且材料在某種程度上呈現(xiàn)脆性;在大多數(shù)溶劑中EPS性質(zhì)穩(wěn)定，但可溶解于汽油、柴油、煤油、甲苯、丙酮等有機(jī)溶劑。這說(shuō)明EPS填料需要良好的保護(hù)層。

其加工方法按發(fā)泡方式的不同可分為模式法與擠出法。這種均勻封閉的空腔結(jié)構(gòu)使EPS具有吸水性小，保溫性好，質(zhì)量輕及較高的機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)。北歐在20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始將EPS用于土木工程。1971年挪威國(guó)家道路研究實(shí)驗(yàn)室(NRRL)首次在FLOM大橋引道改造工程中用EPS代替1m厚普通填料，成功控制了橋頭段的不均勻沉降。因總體經(jīng)濟(jì)和質(zhì)量效果好，20世紀(jì)80年代用量迅速上升，瑞典、日本、荷蘭等國(guó)家已在公路項(xiàng)目中使用EPS。我國(guó)1995年在杭甬高速公路望童跨線橋橋頭路堤首次使用EPS。