泡沫輕質土在路基抬高工程設計中的應用
——以石家莊市西三環跨線橋工程為例

狄兆華，熊志欣，陳 磊

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0　引言

為保證路基工作區處于干燥狀態，并綜合考慮道路排水、路基凍深、防止外界入侵、道路兩側聯系通道凈空限制等因素，平原地區公路工程（特別是高等級公路工程）的路基結構常采取填方路堤的斷面形式，且路堤填筑高度通常較高，如石家莊市西三環路（按照一級公路標準建設），主線路基高約5～9 m（見圖1）。但高路堤在滿足其結構、交通性能的同時，也存在取土量大、占地大（特別是采用邊坡放坡的路堤）、沉降量大、養護困難、景觀性差等缺陷[1]，特別對于一些改擴建公路項目來說，控制沉降與占地，與工程質量及投資息息相關，更是決定項目能否實施的主要決策依據。

一般來說，路基沉陷受地表處理、路基填料、施工質量控制、荷載及自然環境等多方面因素的影響[2-5]，但路基填料作為路基構成的主體，對路基的質量起著極其重要的作用。在用地受限區域，通過支擋結構替代邊坡放坡，能夠極大范圍內減少占地。因此，路基填料的選取、邊坡支擋與防護措施在路基設計過程中尤為重要。

1　工程概況

石家莊西三環路為河北省一條重要的省級干線公路，主線按照一級公路標準建設，設計車速80 km/h，雙向6車道規模。主線東側設有地面輔路，雙向4車道規模。現狀道路標準段路基寬33 m，路基高約5～9 m，主要采用加筋土擋墻作為支護結構（見圖2）。考慮實際交通發展需要，擬將石家莊市裕華路在西三環位置打通繼續向西延伸。本工程為裕華路穿越西三環節點，擬采用西三環上跨裕華路的跨線橋方式。工程平面布置見圖3。

圖1　石家莊市西三環路

圖2　現狀西三環路主線標準橫斷面（東半幅，單位：cm）

圖3　工程平面布置圖

2　工程關鍵點及方案比選

為滿足裕華路道路凈空高度要求，西三環主線需在現狀標高基礎上最大抬高約2 m左右。路基抬高不僅對既有路基產生影響，如何安全、便捷、經濟地設置支擋結構亦是工程設計需要考慮的關鍵因素。為使工程設計方案達到更優的效果，提出下述三個方案并綜合考量各方案的技術經濟指標，比選出工程推薦方案。

2.1　方案一：現狀加筋土擋墻拆除，新建鋼筋混凝土扶壁式擋墻

鋼筋混凝土扶臂式擋墻由底板及固定在底板上的立壁（面板）和扶臂構成，其結構穩定性機理和懸臂式擋墻類似，都是依靠踵板上的土體重力平衡擋土構筑物側壓力，抵抗傾覆和滑移。但由于當墻背填土較高時，懸臂式擋墻立壁下部的彎矩較大，為保證結構強度需要大量增加鋼筋和混凝土用量，此時采用扶臂式擋墻，通過扶臂將底板及立壁有效連接，能夠改善墻體整體受力條件，提高結構的剛度和整體性，減小立壁的變形。扶壁式擋墻的構造見圖4。

圖4　鋼筋混凝土扶壁式擋墻

鋼筋混凝土扶臂式擋墻施工工藝成熟，結構可靠，施工便捷，節省工期。其面板可直立，節省占地，通過外立面景觀亮化設計，可提高其美觀性。但是對于本工程，若采用鋼筋混凝土扶臂式擋土墻，需拆除原西三環主線既有加筋土擋土墻，且原西三環主線采用建筑垃圾作為路基填料，開挖路基進行擋土墻施工過程中容易發生路基失穩，需要采取施工支擋措施，因此造價較高。

2.2　方案二：保留現狀加筋土擋墻，采用錨桿式擋墻接高加固

錨桿式擋墻技術是在錨桿防護與擋土墻防護基礎上組合發展而來，一般由鋼筋混凝土板和錨桿組成，依靠錨固在巖土層內的錨桿的水平拉力平衡土體側壓力，使整體結構保持穩定。錨桿式擋墻的構造見圖5。

圖5　錨桿式擋墻

采用錨桿式擋墻對工程范圍內現狀加筋土擋墻進行接高加固，對現狀三環影響較小，亦可節省投資。但是錨桿式擋土墻一般應用于巖石路基，填土路基應用的相關案例較少，并且缺乏成熟的質量檢驗和控制標準；此外，錨桿擋墻施工工藝要求較高，需要鉆孔、灌漿等配套的專用機械設備，本工程的西三環主線現狀路基采用建筑垃圾回填，成孔可靠性差，且注漿效果差異性很大，因此質量控制難度大。

2.3　方案三：保留利用加筋土擋墻，采用泡沫輕質土填筑路基

上世紀七、八十年代，日本開始將泡沫輕質土大規模應用于替代填土的工程領域，隨著后期的深入研究及工程推廣，其在工程建設領域的各種優良特性已經越來越得到認可，特別在公路路基拓寬、橋梁臺背換填、管線回填等工程中得到了成功的應用[6-8]。

考慮現狀加筋土擋墻的拆除難度，保留現狀加筋土擋墻，利用泡沫輕質土（輕質混凝土）質輕的特點，采用泡沫輕質土換填部分路基填土（見圖6），達到不增加擋墻荷載的作用，并可有效控制橋頭工后沉降；由于泡沫輕質土固化后具有良好的自立性，因此路基抬高范圍只需要簡單的面板護面，結構簡單、施工迅速，內部通過填筑泡沫輕質土實現路基抬高。此外，泡沫輕質土澆筑，省去了壓實振搗過程，大大縮短工期。現澆泡沫輕質土在施工過程中，濕密度及強度可以實時進行現場稱重、取樣檢測，質量可以充分得到保證。

圖6　輕質混凝土填筑路基標準橫斷面（東半幅）（單位：cm）

相對于土石填料、工業廢渣等常規路基填料，泡沫輕質土的造價相對較高，因此價格仍是限制其大范圍推廣使用的因素之一。

2.4　方案比選

從結構可靠性、工程投資等若干方面對三個方案進行對比，見表1。采用泡沫輕質土填筑路基對現狀三環影響較小，施工速度快，并且能夠有效控制工后沉降，因此，將方案三作為工程推薦方案。

表1　方案比選

3　泡沫輕質土的基本特性

泡沫輕質土，一般是指用物理方法將發泡劑水溶液制備成泡沫，與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經物理化學作用硬化形成的一種輕質材料。其具有以下特性：

3.1　輕質性

表2　幾種常用土建材料的容重比較[10,11]　kN/m3

3.2　容重及強度的可調節性

根據工程上的不同需要，通過適當調整氣泡輕質土各組分的含量，可使其容重在5～12 kN/m3的范圍內、強度在0.3～5 MPa的范圍內調整[12,13]。

3.3　高流動性

類似傳統水泥漿，氣泡輕質土具有良好的流動性，可通過配管泵送施工。泵送距離長，施工便捷。圖7、圖8為輕質混凝土攪拌站及現場澆筑情況。

圖7　輕質混凝土攪拌站

圖8　輕質混凝土澆筑

3.4　固化后的自立性

泡沫輕質土通常在澆筑4 h后開始固化自立，固化后的垂直臨空側壓力約為0，對支擋結構幾乎沒有推擠力，因而只要簡單的面板護面（見圖9），并且可以進行垂直澆筑，節約空間資源。

圖9　輕質混凝土護面墻

3.5　其他特性

根據泡沫輕質土的自身結構特征，其還具有良好的隔熱、隔音、抗凍融、耐久等特性。

4　工程效果

該工程于2016年9月21日開工，于2017年5月15日實現通車，除去霧霾停工的影響，實際工期約4個月，工程受到建設單位及市民廣泛好評。工程采用輕質混凝土作為路基填料，實現西三環主線抬升，路基填料各項檢測指標滿足設計要求。工程的實施，對進一步完善城市骨干路網，改善城市的交通出行條件，促進沿線區域的開發與發展，具有重要的意義。

參考文獻：