泡沫水泥輕質土在軟土路基處理中的應用

銀彥鵬

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

軟弱路基一般由軟弱淤泥、淤泥質土等軟土組成，它具有高含水量、高壓縮性、低強度和低透水性等特點。軟弱路基對公路工程的危害主要體現在造成路基的失穩和大范圍的不均勻沉降[1]，過大的沉降將引起路面的開裂，影響道路的使用性能和壽命。通常的軟弱路基的處理方法包括置換法、砂墊層法、加固土樁法、預壓法、反壓護道法、強夯法等。這些方法能夠在一定程度上減少軟弱路基對道路的影響，但是這些處治方法存在諸多不足。如利用粉煤灰置換軟弱土可以達到減少路基永久荷載的目的，但是該種方法具有粉煤灰使用量大、開挖量大、對環境有污染和造價高等特點。又如使用高壓旋噴樁的處治方法，雖然無需開挖路基，但是該種方法質量難以控制，并且造價高。

泡沫水泥輕質土，是利用氣泡機的發泡系統將發泡劑充分發泡，并將泡沫與水泥漿充分均勻混合，然后經過發泡機的泵送系統進行現澆施工，經自然養護所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質保溫材料。它具有輕質性、高流動性、易于施工等特點。泡沫水泥輕質土工程性質的優越性得到了一些學者的重視，泡沫水泥輕質土也在工程實際中得到了應用。王新岐[2]對泡沫輕質土填筑、粉煤灰填筑、水泥攪拌樁等處理方法進行了對比研究，研究表明：同樣填筑高度路基，由于泡沫水泥輕質土較好的整體性及輕質性，對其上荷載有很好的分擔作用，泡沫輕質土填筑路基基底壓應力很小，而采用灰土或粉煤灰填筑的路基其基底壓應力較大，說明泡沫輕質土具有很好的分擔荷載的能力。盛斌[3]基于廣東某高速公路泡沫輕質土路基回填工程，研究了泡沫輕質土的設計方案，研究表明針對高速公路的加寬和特殊路基的處理，可根據實際情況進行泡沫水泥輕質土配合比調整，容重可以控制在5～6.5 kN/m3，7 d抗壓強度可控制在0.6～0.8 MPa，強度后期還會增長，28 d抗壓強度可達到0.7～1.6 MPa，滿足路基填筑要求。本文基于前人對泡沫水泥輕質土理論研究的基礎上，結合某高速公路軟基處理工程實際，比較了泡沫水泥輕質土、粉煤灰、水泥攪拌樁和預應力樁4種軟基處理方案，為以后類似工程利用泡沫水泥輕質土提供了實踐經驗。

1 基本性質

泡沫水泥輕質土主要由膠凝材料、發泡劑、水、泥土、砂等構成。在實際工程應用中，為改變泡沫水泥輕質土的性狀，經常在泡沫水泥輕質土中加入爐渣灰、石粉、粉煤灰等黏性土或微粒狀固體材料。

a）輕質性。由于發泡劑的存在，使得泡沫水泥輕質土的容重較其他材料較輕（如表1），相當于普通水泥混凝土的1/5～1/8左右，可以大大減少路基的永久荷載。有時為了實現泡沫水泥輕質土的容重，可以適當增加泡沫量，也可以通過調整濕密度達到目的。用在路基中的泡沫水泥輕質土，容重一般控制在5～6.5 kg/m3。

表1 常見土建材料容重 kg/m3

b）流動性。泡沫水泥輕質土具有較高的流動性，若通過泵送的方式運送，其最大運送距離可達1 500 m。流動性通常用擴展度來表征，影響流動性的主要因素是含水量和含氣量。工程中，含水量主要是通過水灰比來控制。隨著水灰比的增加，流變性逐漸增大，而強度也與水灰比有關，因此工程中在達到流變性要求的同時，要考慮水灰比對于強度的影響。一般將施工時的泡沫水泥輕質土擴展度控制在180±20 mm左右。另一方面，減小泡沫水泥輕質土的含氣量會導致擴展度的增大，但是也會使其表觀密度增大。因此在施工中，應通過試驗確定泡沫量。

c）自立性。泡沫水泥輕質土具有自硬能力，固化劑在初凝后可固化自立，對擋土結構物側壓力很小。

d）透水特性。由于含有大量泡沫，所以泡沫水泥輕質土是一種不飽和土,一般其透水系數為10-6cm/s。并且，隨著泡沫水泥輕質土養護齡期的增大，其透水系數逐漸降低。同時，氣泡混水泥輕質土吸水性較小，相對獨立的封閉氣泡及良好的整體性，使其具有良好防水性能。

e）強度和變形。泡沫水泥輕質土的單軸抗壓強度[4-5]可在1 MPa左右自由制作，其單軸抗壓強度與泡沫混合比、膠凝材料、含水量等有關。試驗數據表明[6]：泡沫水泥輕質土的抗剪強度及抗拉強度和抗壓強度的比值分別為 0.173、0.197，比混凝土的0.1大。

2 施工工藝

2.1 泡沫水泥輕質土的生產流程（如圖1）

圖1 泡沫水泥輕質土生產流程圖

泡沫水泥輕質土的制備流程主要包括4個部分：a）泡沫生成；b）水泥漿（砂漿）制備；c）泡沫與水泥（砂）漿的混合；d）澆筑施工。

2.2 泡沫水泥輕質土施工流程（如圖2所示）

2.3 泡沫水泥輕質土的施工質量控制

圖2 泡沫水泥輕質土施工流程圖

a）材料。含水量對泡沫水泥輕質土影響較大。尤其是攪拌砂性土時，很難做到含水率和砂性土成分達到同一標準。因此需要每天檢驗一次砂性土的含水量，及時調整配合比。同時，發泡液、空氣的動態流量和壓力應保證連續穩定。氣泡群密度應控制在48～52 kg/m3范圍內。標準氣泡柱靜置1 h的沉降距應不大于5 mm、泌水量應不大于25 mL。

b）攪拌。和水泥混凝土一樣，泡沫水泥輕質土應該攪拌均勻、無沉積。拌合所有的水不應含有影響泡沫穩定性、泡沫水泥輕質土的強度和耐久性的雜質。泡沫水泥輕質土在攪拌時，應按照配合比控制其濕表觀密度、含氣量、擴散度等，以保證拌合質量。

c）澆筑。由于泡沫水泥輕質土中有大量的氣泡，因此澆筑時不宜過度振動。澆筑時，應該避免雨天施工，因為遇水會使得氣泡消解，從而影響其性能。同時，澆筑厚度應控制在0.25～1 m范圍內，因為過高的澆筑厚度會加強泡沫水泥輕質土自身重量對其性能的影響，使得氣泡壓縮和消泡。

3 工程應用及效果評價

3.1 工程概況

某高速公路某一標段，需對軟弱路基進行處理。該標段土層分布情況為：3 m厚亞黏土硬殼層，其下為厚約22.5 m的淤泥質亞黏土軟弱層，軟弱層下為亞黏土。由于工期緊迫，采用超載預壓的方法，無法達到工期要求。而采用路基超高填筑的方法，也難以從根本上解決問題。因此提出了使用泡沫水泥輕質土、粉煤灰、水泥攪拌樁、預應力管樁4種方法處理軟土路基。

3.2 方案比選

3.2.1 造價

根據現場實際情況，各種處治方案的預算如表2所示。其中，預應力管樁的綜合單價為1 709元/m2，水泥攪拌樁的綜合單價為1 540元/m2,泡沫水泥輕質土的綜合單價為582元/m2,粉煤灰的綜合單價為980 元 /m2。

表2 各種方案造價 萬元

由表2可知，使用粉煤灰的造價最高，其次是預應力管樁，使用泡沫水泥輕質土的造價最節約，約為粉煤灰的59%，預應力管樁的80%。從造價的角度出發，可以考慮使用泡沫水泥輕質土的方法。

3.2.2 工期

各種處治方案的預計工期如表3所示。

表3 各種方案工期 月

由表3可知，各種處治方案中，采用粉煤灰和預應力管樁的工期相近，采用泡沫水泥輕質土和水泥攪拌樁的方法工期相近且最少。從達到工期要求的角度出發，應該優先選擇泡沫水泥輕質土和水泥攪拌樁的方法。

3.2.3 優點

若采用粉煤灰的方法，可以有效減小永久荷載，減小路基的附加應力，達到處治軟弱路基的目的。

若采用預應力管樁的方法，通過增加地基的方式也可以達到處治軟弱路基的目的。

若采用水泥攪拌樁可以通過固化劑和軟土間所產生的一系列物理和化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的水泥加固土，從而提高地基強度和增大變形模量，達到處治軟弱路基的目的。

若采用泡沫水泥輕質土的方法，通過減小永久荷載的方式達到處治目的。并且使用泡沫水泥輕質土開挖量少，取材方便。

3.2.4 缺點

使用粉煤灰，開挖量大，用量大，短期內難以保證持續供給，影響工期且易污染環境。

使用預應力管樁，土石方量巨大，且工程質量難以控制，處理效果難以保證。

使用水泥攪拌樁，質量難以控制，處治效果難以保證。

從處理效果上來說，采用泡沫水泥輕質土、粉煤灰、水泥攪拌樁、預應力管樁4種方法均可以達到處治軟弱路基的目的。但是工程造價、工期、施工難易程度、對環境污染程度、材料供給等方面綜合考慮，建議采用使用泡沫水泥輕質土，本工程采用的泡沫水泥輕質土的具體技術指標見表4。

由于工程所在地雨季時間長，采用泡沫水泥輕質土的處治方法時，澆筑泡沫水泥輕質土之前，要做好防、排水等施工準備，未固化的泡沫水泥輕質土表面應采取避雨措施，防止雨水消泡，影響其質量。

表4 泡沫水泥輕質土技術指標

3.3 效果評價

實際工程中，在路基面中心及兩側路肩處各設路基面沉降觀測樁，觀測樁縱向間距不大于100 m，并保證每個工點至少有1個觀測斷面。在施工中，應至少每日觀測1次。暫停施工時，至少2 d觀測1次。完成施工前15 d，每2 d觀測1次，若沉降趨于穩定，以后可1周觀測1次。

根據實測資料，原設計方案中路段超載高度為1.12 m，實測累計沉降量為2 740 mm，已經超出設計預期理論沉降量269 mm。沉降速率與月數的關系曲線如圖3所示。觀測從2010年1月開始，5月份開始改用泡沫水泥輕質土換填，兩個月后換填完成。由圖3可知，從7月開始，沉降曲線趨于平穩，且沉降量接近零，處理效果良好。

圖3 沉降速率與月數關系曲線

4 結語

泡沫水泥輕質土具有輕質、自立、流動性好、施工方便等優點，正是因為具備這些特點，使得它能夠通過減小永久荷載和附加應力的方式來控制沉降。在施工中，要把握好泡沫水泥輕質土材料選擇、攪拌、澆筑等過程，全方位控制泡沫水泥輕質土的質量。結合某高速公路軟弱路基處理的工程實例，分析比較了采用泡沫水泥輕質土、粉煤灰、水泥攪拌樁和預應力樁4種方案，泡沫水泥輕質土在工程性質、造價、工期等方面均具有顯著優勢，但是在實際施工中，要注意雨水對泡沫水泥輕質土的影響，做好防排水工程。實體工程觀測表明，采用泡沫水泥輕質土換填后路基沉降曲線趨于平穩，且沉降量接近零。