泡沫輕質土處治新舊路基差異沉降性能的研究

甄俊杰

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隨著我國經濟快速發展，一些原有道路的通行能力已不能滿足需求，對舊路的改擴建是一種經濟、快速、實用的解決方法[1]。舊路的改擴建是在原有道路基礎上對路基進行加寬和拼接以增加道路的通行能力。其加寬過程中必然會涉及到新老路基的差異沉降問題。新舊路基的差異沉降會引起路基的分離、路面開裂，對道路的施工及養護造成重大的影響[2]。

目前，新舊路基差異沉降通常可采用拋石擠淤、基底處理、基底換填、堆載預壓、舊路削坡處理和加鋪土工格柵等方法[3-4]。其中，泡沫輕質土是一種新型的路基填料，在進行擴幅填土時可大幅度地降低填土荷重減少新老路基的差異沉降。本文將在前人的研究成果上對泡沫輕質土的物理性質及無側向壓縮特性做深入研究，并分析了泡沫輕質土用于控制新舊路基的差異沉降的機理。

1 泡沫輕質土的物理特性

1.1 輕質性

1.2 流動性

為研究泡沫輕質土的流動性，可通過流動性實驗確定擴展度的值。將用鍍鋅薄鐵皮做成的內徑0.08 m、高0.08 m的圓筒裝滿試料并放在光滑平面上，其中氣泡水泥漿液體積比為40%。實驗開始后，迅速向上提起圓筒，1 min后，對攤開試料的兩邊直徑進行測量并取平均值作為泡沫輕質土的擴展度。試驗結果如圖1所示。

圖1 泡沫輕質土水灰比與擴展度關系圖

由圖1試驗結果可知，泡沫輕質土的流動性與擴展度大致呈線性關系。影響流動性的另一個因素是氣泡含有量，氣泡在泡沫輕質土中起到增加黏滯性的作用，因此擴展度將隨著含氣量的增加逐漸減小。泡沫輕質土的流動性好，施工時，便于泵送。

1.3 吸水性

用泡沫輕質土對內徑0.08 m、高0.08 m的鍍鋅薄鐵皮做成的圓筒進行澆筑，標準養護過后，對不同初始容重的試塊進行浸水試驗，觀察其密度變化，得到圖2試驗結果。

圖2 浸水天數與密度變化

由圖2可知，初始容重在8～11 kN/m3之間，浸水后，容重都會發生相應的變化，且變化不超過26%。泡沫輕質土在浸水情況下，其容重會隨浸水深度的增大而升高，但不會一直升高。因此，工程應用中，在可能產生浸水的環境中，應該考慮采取防水措施。

2 泡沫輕質土的無側限壓縮特性

無側限抗壓強度是泡沫輕質土力學性能的最基本評價指標。泡沫輕質土用于處治新舊路基差異沉降的工程中，其力學性能直接關系到新舊路基拼接后路基承載能力的好壞。研究泡沫輕質土的力學特性的影響因素，對制定泡沫輕質土的最佳配合比及提高路基承載力有重大的意義。

2.1 氣泡含有率、原料土對無側限抗壓強度的影響

為研究泡沫輕質土無側限抗壓強度受砂與水泥質量比、氣泡含有率的影響。擬定如下試驗，水泥標號取32.5 R，固定原料土中的砂與水泥的質量比，取6 組質量比分別為 F1、F2、F3、F4、F5、F6。只改變氣泡含有率，對標準養護后的試塊進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果如圖3所示。

由試驗結果可知，在氣泡含有率一定時，砂與水泥的質量比越大，泡沫輕質土的無側限抗壓強度越低；當原料土中的配合比一定時，泡沫輕質土的無側限抗壓強度會隨著氣泡含有率的增大而逐漸減少，當氣泡含有率達到70%時，無側限抗壓強度在0.5 MPa以下，已無工程意義。

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圖3 泡沫輕質土無側限抗壓強度與氣泡含有率的關系

為進一步研究配合比對泡沫輕質土無側限抗壓強度的影響，取定3組不同的配合比H1、H2、H3，其中H1配合比中砂子與水泥的質量比為5，H2為3，H3為0，即純水泥泡沫輕質土。采用相同的氣泡含有率進行實驗，得到如圖4結果。

圖4 無側限壓縮破壞試驗應力應變曲線

由圖4可知，H1、H2、H3三種曲線表現為3種不同特性的破壞，含砂量較多的H1表現為脆性破壞、H2介于脆性破壞與塑性破壞之間、H3表現為塑性破壞。因此，不同配合比下，泡沫輕質土的破壞特性也會不同，隨著含砂量的增加，泡沫輕質土破壞特性由塑性破壞向脆性破壞轉變，在工程應用中，應選擇最佳配合比。

2.2 固化材料對無側限抗壓強度的影響

為研究不同類型固化材料對無側限抗壓強度的影響，在配合比及其他原料相同的情況下，取固化材料分別為普通硅酸鹽水泥、高爐礦渣水泥進行試驗，可得試驗結果如圖5所示。

圖5 泡沫輕質土無側限抗壓強度與固化材料種類的關系

分析圖5試驗結果可知，固化材料為高爐礦渣水泥的無側限抗壓強度要明顯高于普通硅酸鹽水泥，因此可選用合適的固化材料，增加泡沫輕質土的無側限抗壓強度。

2.3 水泥標號對泡沫輕質土無側限抗壓強度的影響

取標號分別為52.5 R、42.5 R、32.5 R的普通硅酸鹽水泥進行試驗，其他原料均相同的情況下，固定3組配合比均為P。對標準養護后的試塊進行無側限抗壓強度的試驗，可得圖6結果。

圖6 不同標號水泥對無側限抗壓強度的影響

由圖6可知，配合比相同的情況下，水泥標號越大，泡沫輕質土的無側限抗壓強度越大。且標號在32.5～42.5 R之間時，強度增長的幅度比42.5～52.5 R時明顯要大。因此，泡沫輕質土的無側限抗壓強度可通過水泥標號來改變，但應注意隨著水泥標號的增大，泡沫輕質土的無側限抗壓強度增長幅度逐漸減小，應綜合考慮經濟效益，選用合適的水泥標號。

2.4 含水量對無側限抗壓強度的影響

如表1，令泡沫輕質土的水泥摻入量、氣泡含量、養護時間不變，改變含水量。對標準養護后的泡沫輕質土試塊進行無側限抗壓強度試驗，可得圖7結果。

表1 不同含水量的泡沫輕質土試塊

圖7 含水量對抗壓強度的影響

由圖7可知，隨著含水率的增加，泡沫輕質土的無側限抗壓強度逐漸減少，且降低幅度很大。

2.5 養護時間對泡沫輕質土無側限抗壓強度的影響

如表2，控制泡沫輕質土含水量、氣泡含有量、水泥摻入量不變，以養護時間為變量。養護完成后，對試塊進行無側限抗壓強度試驗，可得圖8結果。

表2 不同養護時間的泡沫輕質土試塊

圖8 養護時間對抗壓強度的影響

由圖8可知，泡沫輕質土的無側限抗壓強度呈線性增長。在實際工程應用中，應確保養護時間達到28 d。

3 泡沫輕質土處治新舊路基差異沉降的原理及優點

在對舊路的改擴建工程中，因為受拓寬路堤所產生的影響，舊路堤會朝著新路堤產生沉降，造成舊路堤路表面不平整，路面出現開裂。因此，控制新舊路基差異沉降問題是舊路改擴建工程中所要面對的首要問題。日本京葉公路和東名高速公路是采用泡沫輕質土進行道路的擴寬的典范。經研究，泡沫輕質土具有如下特點，可有效處治新舊路基的差異沉降。

a）不可壓縮及高強特性 由于不可壓縮及高強的特性，泡沫輕質土可有效控制工后沉降。特別是對新建路基的填土進行置換后，基底應力明顯減少，工后沉降得到有效控制。

b）輕質性與固化后自立性 泡沫輕質土的表觀密度低但強度高，同時，初凝后就會開始固化自立，可進行垂直填土。又由于泡沫輕質土施工簡便并且可在場地狹窄的情況下施工。

c）高流動性 泡沫輕質土不含粗骨料，流動性比混凝土要高的多，可與舊路基完好銜接。

d）耐久性 泡沫輕質土的固化材料為水泥類材料，耐熱、耐久性強。

4 結語

本文通過對泡沫輕質土物理特性和無側限抗壓特性的研究，分析泡沫輕質土處治新舊路基的差異沉降的原理，得到以下結論：

a）泡沫輕質土的流動性隨水灰比的增大而增大，隨氣泡含量的增大而增大；泡沫輕質土的容重隨浸水深度的增大而增大但不會一直增大。

b）配合比一定時，泡沫輕質土的無側限抗壓強度會隨著氣泡含有率的增大而逐漸減少；可選用合適的固化材料、水泥標號增加泡沫輕質土的無側限抗壓強度；泡沫輕質土的無側限抗壓強度隨含水量增加而減少。

c）泡沫輕質土可有效控制新舊路基的差異沉降，具有經濟意義和工程意義。