泡沫輕質土在橋臺路基處理中的應用

■游華明

（平潭綜合實驗區管廊投資管理有限公司，平潭 350400）

國家戰略使平潭由縣升級為綜合實驗區，隨著平潭道路建設的高速發展，特殊路基地段處理問題日益突出，特別是橋臺路基沉陷處理問題已成為工程的重點和難點。泡沫輕質土由于其具有輕質性、高流動性、填充自密實、容重和強度可調節性、固化后的自立性、耐久性等特性已被逐步應用于工程領域，并能較好解決橋臺路基沉陷處理問題，產生較大的經濟效益和社會效益。

1 材料簡介及其工程特性

泡沫輕質土是一種具有泡沫形態并較其他土體容重輕的土體，是通過發泡系統將發泡劑水溶液加工成泡沫，與水泥基膠凝材料及可選組分集料、摻合料、添加劑等制備成的水泥漿按一定比例均勻混合，經泵送系統進行現澆施工所形成的輕質微孔材料[8]。在工程中其又被稱為輕質泡沫混凝土、氣泡混合輕質土等。我國于2002年引進并發展泡沫輕質土技術，目前被逐步應用于橋頭跳車現象防治及治理、軟土路基沉降處理、道路改擴建及加寬、市政管線回填等工程，它具有以下特性：

（1）輕質性。泡沫輕質土內均勻分布許多獨立閉合的膠質氣泡，容重范圍在4～13kN/m3，僅為路基土質填料的1/5～1/3，較一般土建材料輕，并可通過調整氣泡率來調整容重，以達到設計要求。

（2）高流動性。由于泡沫輕質土不含粗集料，其流動性遠較普通混凝土高，具有良好的流動性，當水灰比為0.5時，流值為180～200mm，并在施工中可采用軟管泵送，最大輸送距離可達500m。在指定區域澆筑時可實現自流平，不需要攪拌振搗[6]。

（3）填充自密實性。泡沫輕質土在指定區域澆筑時可實現自流平，填充自密實，無須振搗碾壓，施工便捷高效。

（4）容重和強度可調整性。泡沫輕質土的濕密度決定了其強度，通過調整泡沫輕質土內各種成分的比例，容重可在4～13kN/m3之間調節，強度可在0.3～5MPa范圍內調節。

（5）固化后的自立性。泡沫輕質土作為水泥類材料，在水泥初凝（澆筑4h）后形成超固結狀態，具有固化自立的特性，固化后的泡沫混凝土對擋土墻等結構物沒有側壓力，可垂直填筑。

（6）耐久性。泡沫輕質土作為水泥類材料，使用壽命與水泥混凝土相當，具備較好的耐久性。

2 泡沫輕質土橋臺路基處理工程實例

2.1 路堤病害情況

平潭綜合實驗區壇西大道瓦窯大橋于2012年建成通車，瓦窯大橋為預應力混凝土連續箱梁結構，全長2856m，橋頭路基為軟基，采用水泥攪拌樁處理軟基后進行人工填土，高度約5m，路面頂部距離軟基處理頂面約10m高。路堤兩側采用懸臂式路肩擋墻防護，墻頂護欄基礎內預埋有管線，路面為74cm厚瀝青混凝土結構。主要病害為：橋頭路面出現明顯沉降，跳車明顯；橋臺銜接處的擋墻沉降明顯，且向外發生移動（最大位移為6cm），并與路面結構有明顯脫離。病害現場情況如圖1和圖2所示。

2.2 病害治理機理

圖1 橋頭路面出現明顯沉降

圖2 擋墻沉降明顯，且向外發生移動

橋臺與路基的剛柔突變，其垂直變形無法協調一致形成差異沉降，是發生橋頭跳車病害的根本原因。橋臺因其結構承重的特性要求，其垂直變形可忽略不計，橋臺與路基的差異沉降主要來源于橋臺臺背路堤的沉降變形[5]。而臺背路堤從結構組成上看，由三部分組成，即路面結構層、路堤填土層及地基土層。臺背路堤的組成結構均可能產生與橋臺不一致的垂直變形，從而形成差異沉降導致橋頭跳車。但考慮到路面結構層的剛度和強度要求，路面結構層的變形基本可忽略不計。因此，橋臺與路基的差異沉降主要考慮路堤填土層和地基土層的垂直變形對差異沉降的影響[5]。選用泡沫輕質土作為橋臺臺背路基回填填料，能較好解決橋臺路堤沉降等問題，主要原因如下：

（1）由于泡沫輕質土具備一定剛度，能夠緩解橋臺與路基結合部材料的剛性突變，消除填料自身的工后沉降，從而緩解橋頭跳車。

（2）泡沫輕質土可以大幅度降低填土荷載，減小地基的附加應力，從而減小地基的工后沉降，緩解橋頭跳車[2]。

（3）由于泡沫輕質土固化后的自立性，其固化后對周邊構造物無側壓力，一方面可以減小橋臺的土壓力及橋臺樁基所承受的彎矩，抑制橋臺及樁基側移；另一方面可以有效解決本項目擋土墻向外推移的病害情況。

（4）目前常用的地基處理方法有：CFG樁、管樁、旋噴樁和水泥攪拌樁等，與這些施工工藝對比，泡沫輕質土施工技術更為簡捷、施工周期短且造價明顯降低。

（5）與換填粉煤灰等填料對比，泡沫輕質土容重明顯降低，且具有高流動性和固化后的自立性，不需要較大工作面，不必進行機械振動碾壓，對既有線路及周邊管線影響小。

2.3 治理工程方案

為治理瓦窯大橋橋臺路基病害，平潭綜合實驗區開展實施平潭綜合實驗區壇西大道工程（北段）瓦窯大橋橋頭路堤病害治理工程，對壇西大道北段瓦窯大橋兩側橋頭路堤沉陷等病害進行治理，對兩側橋頭段 （K9+965～K9+986.744、K10+267～K10+290段）路堤采用泡沫輕質土對原路基填料進行換填處理，從而減小填料自重，增加路堤穩定性，并對橋頭耳墻銜接段 （K9+969.224～K9+984.544、K10+270.144～K10+285.208 段）擋墻進行拆除重建，上部結構按原設計進行恢復。橋頭段泡沫輕質土換填縱斷面、橫斷面分別如圖3和圖4所示。沿縱斷面設計成階梯型的泡沫輕質土結構形式，剛度從橋臺至普通路面結構路基逐漸減小，緩解橋臺與路基結合部材料的剛性突變，解決跳車問題。

圖3 橋頭段泡沫輕質土換填縱斷面

圖4 橋頭段泡沫輕質土換填橫斷面

2.4 配合比設計

根據設計要求，泡沫輕質土配合比強度應滿足：28d抗壓強度≥1.0MPa，7d抗壓強度≥0.5MPa；7.5kN/m3≤濕容重≤8.0kN/m3;160mm≤流動值≤200mm。為了選取最優配合比，分別設計FC-1、FC-2、FC-3三種不同濕密度的配合比進行試驗，以期選擇出符合設計要求的泡沫輕質土，三組配合比參數和質量檢測結果見表1。由試驗結果可得，FC-1、FC-2、FC-3泡沫輕質土流值、7d抗壓強度均滿足設計要求，但僅FC-3泡沫輕質土28d抗壓強度滿足設計要求，因此本項目選擇的施工配合比為FC-3。

表1 三組泡沫輕質土設計配合比參數和試驗檢測結果

3 泡沫輕質土施工工藝流程

泡沫輕質土的施工工藝流程主要包括：水泥漿或水泥砂漿制備、泡沫制備、漿泡混合成泡沫輕質土、泵送、澆注成型，可用圖5來表示。

圖5 泡沫輕質土工藝流程

4 泡沫輕質土質量控制要點

4.1 施工設備要求及原材料質量控制要點

（1）發泡劑和水的計量應準確，計量偏差控制在1%以內；發泡液、空氣的壓力和動態流量應連續穩定；應按照每5000l一次的頻率對氣泡群的泌水量、密度、沉降距進行檢驗，每批次應至少檢驗一次，要求泌水量≥25mL、密度在40～60kg/m3之間，標準氣泡柱靜置1h的沉降距≤5mm[7]。

（2）水泥一般采用普通硅酸鹽水泥，集料粒徑宜≤4.75mm，材料相關指標應符合JG-T 266-2011《泡沫混凝土》規范要求。

4.2 地基處理質量控制要點

泡沫輕質土遇雨水會引起消泡，嚴重影響其工程質量，因此，施工前應保證澆筑面內無雜物、無積水，在底層澆筑前應先在基地表面鋪設一層道渣墊層或碎石墊層，并在上面鋪設透水土工布，避免基坑積水，確保施工質量。

4.3 澆筑質量控制要點

為了提高泡沫輕質土澆筑質量，保證輕質土路基的強度，澆筑前應根據施工現場地質及邊界條件先進行澆筑區、澆筑層劃分，檢查基底確保無雜物、無積水、基地高層滿足設計要求[4]，且應符合如下要求：

（1）對澆筑場地進行分塊處理，單個澆筑區頂面面積最大不超過400m2，單個澆筑區長軸方向宜為10～20m。

（2）沿縱向每隔10～15m設置一道沉降縫，可使用20mm厚的夾板或20mm厚的聚苯乙烯板（泡沫板）。

（3）單層澆筑高度宜控制在0.5～1.0m，并應結合施工期氣候確定，夏季高溫時不應超過0.6m；上層澆筑層澆筑應在下層澆筑層終凝后方能進行，當氣溫不低于15℃時，同一區段上下層澆筑間隔時間最短可按8h控制，氣溫低于15℃時，同一區段上下層澆筑間隔時間應不低于12h。

（4）每個澆筑層輕質土應沿澆筑區長軸方向自一端向另一端開始澆筑，采用兩條及其以上澆筑管澆筑時，可并排從一端自另一端澆筑或采用對角澆筑方式，一次性澆筑完畢，并控制在2h內。

（5）澆筑中需要移動澆筑管時，應沿澆筑管放置方向前后移動，不宜左右移動，如確需左右移動，應將澆筑管提至已澆筑輕質土表面以上再移動[4]。

（6）澆筑中澆筑管出料口應盡量置于當前澆筑面以下，掃平表面時澆筑管出料口距離當前澆筑面高度不宜高于1.5m。

（7）澆筑過程應避開高溫時段，遇到雨天應及時對未硬化的填筑體表面進行覆蓋，防止雨水消泡。

（8）澆筑完成后應及時進行保濕養生，時間不少于7d，當泡沫輕質土抗壓強度大于0.5MPa時，方能進行上層路面施工。

4.4 質量檢測控制要點

（1）施工現場需對泡沫輕質土相關指標進行檢測，每班檢測濕密度自檢4次、抽檢2次，流值自檢4次、抽檢2次。濕密度采用1000ml量杯進行現場取樣稱量，流值采用流值筒、平板和游標卡尺進行檢測，將流值筒固定在平板中間部位，取試樣導入筒中，并沿筒口刮平，提起筒靜置1min，用游標卡尺沿平板上的圓餅最大直徑和垂直直徑兩個方向進行測量，取其平均值作為流值檢測結果。要求7.5kN/m3≤濕容重≤8.0kN/m3;160mm≤流動值≤200mm。

（2）泡沫輕質土固化后應對其抗壓強度進行檢測，抗壓強度試塊應在澆筑出料口進行取料，應制作2組試塊，每組3個試塊，試塊大小為邊長100mm的立方體。試塊制取后，置于20℃以上的環境中進行養護，分別將兩組試塊養護7d、28d，按《普通混凝土力學性能試驗檢測方法標準》（GB50081-2002）要求進行強度檢測，取平均值。要求7d抗壓強度≥0.5MPa，28d抗壓強度≥1.0MPa。

5 結語

泡沫輕質土作為工程領域的一種新型材料，在橋臺路基填筑中可以減輕路基填筑荷載、減小地基工后沉降和路堤側移，緩解橋臺路堤剛度突變問題，解決橋臺路基跳車問題，并能縮短施工工期，保證工程質量，值得推廣使用。