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【摘 要】流态粉煤灰材料具有水稳性好、强度和压缩模量高等一系列的优点，在高速公路坑洞回填中能够发挥重要的作用。工程实践表明，用流态粉煤灰技术填筑高速公路的坑洞可以减小路面的沉降。因此，流态粉煤灰技术是控制和提升高速公路坑洞回填质量的一项经济有效的措施。在这种背景下，本文首先探讨了高速公路坑洞流态粉煤灰回填的特性，并对高速公路坑洞流态粉煤灰回填效果进行了分析。
【关键词】高速公路；坑洞；流态粉煤灰回填；应用效果
流态粉煤灰材料一般均能符合道路基底层级配料的要求及一般填方工程的质量需求，因此流态粉煤灰回填应用于高速公路坑洞填方具相当的适用性。由于流态粉煤灰具自流性及自充填性等特点，因此不需捣实，操作过程不需要任何额外夯实设备，便可自动填充，加上石灰材料的凝结特性，足以满足铺面工程基层与底层承载力需求。这种材料在国内的开发与应用，将会是解决各种坑洞回填工程问题的最佳方法。
一、高速公路坑洞流态粉煤灰回填的特性
第一是流动性。具有良好流动性，使得流态粉煤灰成为替代传统回填唯一选择。流态粉煤灰因良好流动性，具自我填充功能，尤其孔隙不需机器震动夯实即可达到良好填充效果。这种性质与传统的回填需以机器夯实相比较，具有较大优势，但在塑性状态时又能具有与混凝土相同性质。
第二是抗析离性。当配比添加额外或过量的拌合水时，能达到相当高的流动性，但会造成析离。只要添加特殊掺料即可达到高流度且不发生析离。为达高流动性且不生析离的流态粉煤灰，可添加适当的细粒料以提供足够的凝聚性。避免析离，一般飞灰经常被视为一种细粒料。若所使用的细粒料具粘土质成分时，应避免使用，将会造成干缩现象。研究结果显示，添加F级飞灰含量高至415kg/m3时，与其他拌合材如沙、泥土拌合，可获得满足流态粉煤灰基本性质的高流动性材料。有些工程中也没有使用沙土，仅使用飞灰为填充材，也可制作出符合需求流态粉煤灰，但依此配比施工时，需较多拌合水量，但不会产生明显的析离现象。
第三，沉陷性。流态粉煤灰沉陷量的发生在于因体积的减少，通过压密作用而产生的水分丧失或空气的排出。超过水化作用所需的用水量，会被表面周围的土壤吸收或变成游离水而形成在表面呈渗水状态，大部分的沉陷现象发生在浇筑时，其沉陷的程度需是被释放出的游离水含量。在高含水量的配比中，其沉陷量约1.04～2.08mm/m。若使用较低含水量来拌合，则发现会有较少的沉陷量或甚至不会发生沉陷。
第四，硬固时间。所谓低控制强度材料硬固时间是指重塑性状态至硬固状态所需时间，能达到足够的抗压强度以支撑车的荷重，这时间常会被释放出的渗水量及速率所影响。一般流态粉煤灰硬固时间约需半天至数天，视配比而定，但若为特殊目的时可缩短至一小时，通常可以用贯入式抵抗试验法量出硬固时间及承载力。一般贯入值需500～1500psi，以确定足够承载力。
第五，渗透性。对大部分具可开挖性低控制强度材料而言，具有与一般回填相同渗透性。一般而言，低控制强度材料的渗透性系数约在10.4～10.5cm/sec，具较高强度或细骨材添加量较高的低控制强度材料，渗透系数将会降低至10.7cm/sec。一般而言，渗透系数会随粘结材料的减少而增加，且会随骨材用量而增加（尤其是骨材用量超过80%时）。若为了降低其渗透性而使用具膨胀性的粘土或硅藻土为回填时，将会影响其他性质。因此，在使用流态粉煤灰进行回填前，需要先经过详细的试验测试才可使用。
第六，再开挖性。流态粉煤灰与传统回填材料最大的差别之一，就是具有再开挖功能。通常抗压强度低于50psi（3.5kg/cm2），仅需以人工方式可完成再开挖；抗压强度介于100～200psi（7～14kg/cm2），可使用小型挖土机完成开挖。对添加高含量的粗骨材的低控制强度材料而言，即使在低抗压强度的情况下，仍无法以人工方式完成开挖，对于添加高量细骨材或仅添加飞灰的流态粉煤灰而言，既使抗压强度至300psi（21kg/c m2），也可使用小型挖土机完成开挖。
二、高速公路坑洞流态粉煤灰回填效果分析
一般常用于分析回填坑洞稳定的方法主要有极限平衡法与数值分析方法，极限平衡法以考虑材料强度为主要因素，并利用破坏面安全系数来定义回填坑洞稳定性。因为其在应用上较为简易，故为坑洞回填所广泛使用。数值方法则考虑材料的应力—应变性质，其分析理论较为繁琐，由于土体材料性质不易掌握，加以分析时不易使用笔算验证，而限制了其在回填坑洞稳定分析上的实用性。以极限平衡法分析所得的最小安全系数，通常假设破坏面为直线型、圆弧型、对数螺线型及复合型。当然，在这些破坏下沉面之外，仍可能存在某个破坏下沉面，且其安全系数较前述假设所得的值较小。除此之外，极限平衡法分析回填坑洞破坏时，为刚体且完全剪力破坏，但实际上仍须考虑土体材料的变形性与张力强度等影响回填坑洞稳定性。
以数值方法分析，需对流态粉煤灰的力学性质加以定量的了解。就应用而言，除了人为的夯实结构体力学性质易于控制外，自然回填坑洞、开挖面等的力学性质难以准确获得的工程，较难加以分析。极限平衡法假设回填坑洞未破坏时土体为刚体且无变形，破坏发生时则为完全剪力破坏，沿破坏面均达塑性，即未考虑材料的弹性变形。以有限元素数值分析程序ANSYS，其分析时可考虑较复杂的流态粉煤灰行为（组合律与强度准则等），可通过计算出流态粉煤灰的应力及应变，但ANSYS 程序却并不能自动输出所分析回填坑洞的安全系数与下沉破坏面位置。因此，在对两种分析方法进行融合的基础上，本文提出了有限元素数值分析方法。运用这种方法进行分析时，若材料特性复杂、结构分析困难，则以完全理想塑性模式分析，从而简化问题分析时的困难度。因此，本文假设流态粉煤灰为弹塑性材料来简化问题利于有限元素分析，以弹塑性理论的材料模式来推导弹塑性矩阵，并采用ANSYS为有限元素分析工具，在对流态粉煤灰与一般土壤进行分析比较后，获得了如下研究结论。
通过对于以ANSYS程序分析流态粉煤灰回填坑洞的稳定性、安全系数的研究制定及临界下沉破坏面位置的判断，可获得下列几点结论。
第一，由于ANSYS并不能自动输出所分析回填坑洞的安全系数及临界坡坏面，本文提出以强度折减方式定义安全系数及以分析时所输出的位移向量图、最大剪应变等值图所判断的临界下沉面位置，所得结果均能符合回填坑洞的行为趋势。
第二，ANSYS程序与STABL程序分析所得的安全系数差异不大，但由于STABL程序未考虑土体的变形性，且假设破坏实为完全剪力破坏，而ANSYS在考虑不同的弹性变量与土壤粘滞系数。由所得结果发现弹性变量、粘滞系数对土壤回填坑洞稳定有一定影响性，故STABL程序分析所得的安全系数一般大于ANSYS分析所得，则STABL应用在回填坑洞稳定分析方面应当进行适时的限制。
第三，分别以一般土壤与流态粉煤灰回填进行分析，再以无加载与有加载两种状况分析。结果显示，有加载状况时安全系数将会降低进而影响回填坑洞的稳定性。当使用流态粉煤灰回填时，无论有无加载状况下，路堤回填坑洞无破坏的现象，其安全系数将可大幅提高至3.339。故以流态粉煤灰对高速公路坑洞加以回填，将可加大回填坑洞的坚实程度。
参考文献：
[1]赵先贵，蒋明宇.某高速公路箱通台背灰土处理效果分析[J].山西建筑，2008年第29期.
[2]杨志坤.试论建筑物地下室的综合防水措施[J].广东科技，2012年第3期.
[3]葛折圣，黄晓明，张肖宁，高俊合.公路桥涵台背回填材料的离心模型试验研究[J].公路交通科技，2006年第6期.
【关键词】高速公路；坑洞；流态粉煤灰回填；应用效果
流态粉煤灰材料一般均能符合道路基底层级配料的要求及一般填方工程的质量需求，因此流态粉煤灰回填应用于高速公路坑洞填方具相当的适用性。由于流态粉煤灰具自流性及自充填性等特点，因此不需捣实，操作过程不需要任何额外夯实设备，便可自动填充，加上石灰材料的凝结特性，足以满足铺面工程基层与底层承载力需求。这种材料在国内的开发与应用，将会是解决各种坑洞回填工程问题的最佳方法。
一、高速公路坑洞流态粉煤灰回填的特性
第一是流动性。具有良好流动性，使得流态粉煤灰成为替代传统回填唯一选择。流态粉煤灰因良好流动性，具自我填充功能，尤其孔隙不需机器震动夯实即可达到良好填充效果。这种性质与传统的回填需以机器夯实相比较，具有较大优势，但在塑性状态时又能具有与混凝土相同性质。
第二是抗析离性。当配比添加额外或过量的拌合水时，能达到相当高的流动性，但会造成析离。只要添加特殊掺料即可达到高流度且不发生析离。为达高流动性且不生析离的流态粉煤灰，可添加适当的细粒料以提供足够的凝聚性。避免析离，一般飞灰经常被视为一种细粒料。若所使用的细粒料具粘土质成分时，应避免使用，将会造成干缩现象。研究结果显示，添加F级飞灰含量高至415kg/m3时，与其他拌合材如沙、泥土拌合，可获得满足流态粉煤灰基本性质的高流动性材料。有些工程中也没有使用沙土，仅使用飞灰为填充材，也可制作出符合需求流态粉煤灰，但依此配比施工时，需较多拌合水量，但不会产生明显的析离现象。
第三，沉陷性。流态粉煤灰沉陷量的发生在于因体积的减少，通过压密作用而产生的水分丧失或空气的排出。超过水化作用所需的用水量，会被表面周围的土壤吸收或变成游离水而形成在表面呈渗水状态，大部分的沉陷现象发生在浇筑时，其沉陷的程度需是被释放出的游离水含量。在高含水量的配比中，其沉陷量约1.04～2.08mm/m。若使用较低含水量来拌合，则发现会有较少的沉陷量或甚至不会发生沉陷。
第四，硬固时间。所谓低控制强度材料硬固时间是指重塑性状态至硬固状态所需时间，能达到足够的抗压强度以支撑车的荷重，这时间常会被释放出的渗水量及速率所影响。一般流态粉煤灰硬固时间约需半天至数天，视配比而定，但若为特殊目的时可缩短至一小时，通常可以用贯入式抵抗试验法量出硬固时间及承载力。一般贯入值需500～1500psi，以确定足够承载力。
第五，渗透性。对大部分具可开挖性低控制强度材料而言，具有与一般回填相同渗透性。一般而言，低控制强度材料的渗透性系数约在10.4～10.5cm/sec，具较高强度或细骨材添加量较高的低控制强度材料，渗透系数将会降低至10.7cm/sec。一般而言，渗透系数会随粘结材料的减少而增加，且会随骨材用量而增加（尤其是骨材用量超过80%时）。若为了降低其渗透性而使用具膨胀性的粘土或硅藻土为回填时，将会影响其他性质。因此，在使用流态粉煤灰进行回填前，需要先经过详细的试验测试才可使用。
第六，再开挖性。流态粉煤灰与传统回填材料最大的差别之一，就是具有再开挖功能。通常抗压强度低于50psi（3.5kg/cm2），仅需以人工方式可完成再开挖；抗压强度介于100～200psi（7～14kg/cm2），可使用小型挖土机完成开挖。对添加高含量的粗骨材的低控制强度材料而言，即使在低抗压强度的情况下，仍无法以人工方式完成开挖，对于添加高量细骨材或仅添加飞灰的流态粉煤灰而言，既使抗压强度至300psi（21kg/c m2），也可使用小型挖土机完成开挖。
二、高速公路坑洞流态粉煤灰回填效果分析
一般常用于分析回填坑洞稳定的方法主要有极限平衡法与数值分析方法，极限平衡法以考虑材料强度为主要因素，并利用破坏面安全系数来定义回填坑洞稳定性。因为其在应用上较为简易，故为坑洞回填所广泛使用。数值方法则考虑材料的应力—应变性质，其分析理论较为繁琐，由于土体材料性质不易掌握，加以分析时不易使用笔算验证，而限制了其在回填坑洞稳定分析上的实用性。以极限平衡法分析所得的最小安全系数，通常假设破坏面为直线型、圆弧型、对数螺线型及复合型。当然，在这些破坏下沉面之外，仍可能存在某个破坏下沉面，且其安全系数较前述假设所得的值较小。除此之外，极限平衡法分析回填坑洞破坏时，为刚体且完全剪力破坏，但实际上仍须考虑土体材料的变形性与张力强度等影响回填坑洞稳定性。
以数值方法分析，需对流态粉煤灰的力学性质加以定量的了解。就应用而言，除了人为的夯实结构体力学性质易于控制外，自然回填坑洞、开挖面等的力学性质难以准确获得的工程，较难加以分析。极限平衡法假设回填坑洞未破坏时土体为刚体且无变形，破坏发生时则为完全剪力破坏，沿破坏面均达塑性，即未考虑材料的弹性变形。以有限元素数值分析程序ANSYS，其分析时可考虑较复杂的流态粉煤灰行为（组合律与强度准则等），可通过计算出流态粉煤灰的应力及应变，但ANSYS 程序却并不能自动输出所分析回填坑洞的安全系数与下沉破坏面位置。因此，在对两种分析方法进行融合的基础上，本文提出了有限元素数值分析方法。运用这种方法进行分析时，若材料特性复杂、结构分析困难，则以完全理想塑性模式分析，从而简化问题分析时的困难度。因此，本文假设流态粉煤灰为弹塑性材料来简化问题利于有限元素分析，以弹塑性理论的材料模式来推导弹塑性矩阵，并采用ANSYS为有限元素分析工具，在对流态粉煤灰与一般土壤进行分析比较后，获得了如下研究结论。
通过对于以ANSYS程序分析流态粉煤灰回填坑洞的稳定性、安全系数的研究制定及临界下沉破坏面位置的判断，可获得下列几点结论。
第一，由于ANSYS并不能自动输出所分析回填坑洞的安全系数及临界坡坏面，本文提出以强度折减方式定义安全系数及以分析时所输出的位移向量图、最大剪应变等值图所判断的临界下沉面位置，所得结果均能符合回填坑洞的行为趋势。
第二，ANSYS程序与STABL程序分析所得的安全系数差异不大，但由于STABL程序未考虑土体的变形性，且假设破坏实为完全剪力破坏，而ANSYS在考虑不同的弹性变量与土壤粘滞系数。由所得结果发现弹性变量、粘滞系数对土壤回填坑洞稳定有一定影响性，故STABL程序分析所得的安全系数一般大于ANSYS分析所得，则STABL应用在回填坑洞稳定分析方面应当进行适时的限制。
第三，分别以一般土壤与流态粉煤灰回填进行分析，再以无加载与有加载两种状况分析。结果显示，有加载状况时安全系数将会降低进而影响回填坑洞的稳定性。当使用流态粉煤灰回填时，无论有无加载状况下，路堤回填坑洞无破坏的现象，其安全系数将可大幅提高至3.339。故以流态粉煤灰对高速公路坑洞加以回填，将可加大回填坑洞的坚实程度。
参考文献：
[1]赵先贵，蒋明宇.某高速公路箱通台背灰土处理效果分析[J].山西建筑，2008年第29期.
[2]杨志坤.试论建筑物地下室的综合防水措施[J].广东科技，2012年第3期.
[3]葛折圣，黄晓明，张肖宁，高俊合.公路桥涵台背回填材料的离心模型试验研究[J].公路交通科技，2006年第6期.