氣泡輕質混合土在山區(qū)城市道路高填方設計中的應用

汪旻磊

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 研究背景

1.1 山區(qū)城市特點

山區(qū)城市與大多數其他城市相比具有城區(qū)內地勢起伏明顯，可利用有效面積少，土地資源愈顯珍貴，往往出現在狹小的空間中布設有大量城市市政、生活設施與管線的現象。

隨著城市發(fā)展的深入，對既有城區(qū)進行改建提升的呼聲迫切而強烈，但由此也產生了不少山區(qū)城市特有的困難。在實施較大規(guī)模的市政工程時，不可避免的要面臨在起伏劇烈的地形基礎上進行高填深挖和局促狹小用地內保護其他用地和管線設施之間的矛盾。簡而言之，就是高填方所帶來的地基承載力、荷載提高與現有地質條件，地下管線之間的矛盾，和高填方所帶來的放坡用地與現狀緊張的用地條件之間的矛盾。

1.2 氣泡輕質混合土簡介

用物理方法將發(fā)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、外加劑等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。

氣泡輕質混合土具有多種特性

（1）輕質性：常用于施工的濕容重為5.5～6.5 kN/m3；

（2）多孔性：其孔隙率可達到60%～70%；

（3）強度特性：抗壓強度優(yōu)于一般路基填料；

（4）流動性：具有較好的流動性，可自流平；

（5）自立性：固化后垂直臨空面?zhèn)葔毫?。

2 工程設計中的關鍵性控制要素[1，2]

2.1 天然地基承載力和地基承載力特征值fa

地基承載力特征值是指由載荷試驗確定的地基土壓力變形曲線線性變形段內規(guī)定的變形所對應的壓力值，其最大值為比例界限值。通常用于檢驗各類構筑物是否具有放置于現狀地質上的條件并判斷是否需要進行進一步地基處理，在實際設計，施工過程中還需進行進一步修整

式中：fa為修正后的地基承載力特征值；fak為地基承載力特征值；ηb、ηd為基礎寬度和埋深的地基承載力修正系數；γ為基礎底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；b為基礎底面寬度，m；γm為基礎底面以上土的加權平均重度，地下水位以下取浮重度；d為基礎埋置深度，m。

2.2 管線等構筑物現狀荷載條件

在已建城區(qū)多采用現狀管線局部搬遷或增設保護設施等方式減少工程建設對現有地下設施的影響。尤其在山區(qū)城市的高填方工況，更應核對新增填土荷載對地下現有管線造成的影響，評估設施保護方案，增設保護設施或者對高填方路基進行針對性設計，采用先卸載再采用特殊材料進行填筑，確保新舊路基荷載基本一致，減少不利影響。

路基整體穩(wěn)定性：山區(qū)城市其自身特點決定了其地勢起伏較大，加之工程自身填土等工況，確保路基或其邊坡支擋結構整體穩(wěn)定，對于工程建設安全具有重大的意義。在計算整體穩(wěn)定性時，通常采用滑動面系數穩(wěn)定法，對土體進行多點圓心，多種半徑的全局搜索后確定穩(wěn)定系數最小的滑動面作為最不利滑動面。

3 廣西柳州某工程實踐案例

3.1 工程現場場地概況

本文設計案例為廣西柳州某大型路橋項目工程，柳州市為河流階地地貌與巖溶地貌迭加，故工程所在地地勢起伏明顯，工程某路段現場，沿道路前進方向200 m距離內天然地形落差達20 m余，經工程方案設計后，設計標高距天然地坪仍有10 m以上高差，屬高填方路基。在周邊用地條件方面，高填方路段沿線為現狀市政污水廠設施，用地資源十分受限；工程場地下方分別有柳州城北地區(qū)最大的污水暗涵和污水廠新建的箱涵，十字交叉，且埋設達8～10 m，箱涵現狀荷載堆土頂標高與本工程實際需要堆土高度相差約5～6 m。

3.2 方案設計

3.2.1 總體方案設計

（1）總體布置方案

本工程具有工程現場地勢起伏劇烈，地下管線、設施復雜，周邊用地緊張3大難點。其中地下設施走向曲折且兩條管線呈十字上下交叉的狀態(tài)使采用新建外部結構進行保護的方式難以實現。同時現狀管線設計堆土荷載與工程實際需求值之間有著較大的差距，加之用地條件受限，傳統(tǒng)的路基填土放坡的填筑方式也難以契合本工程的需求。故幾經方案比較和專家論證，最終采用氣泡輕質混合土進行超挖卸載后再換填的方式進行高路堤建設并在邊坡處用垂直扶壁式擋土墻進行支護。

氣泡輕質混合土填筑平面范圍：地下涵洞平面位置及其深度擴散角范圍均進行換填。

超挖換填深度：現狀管線實際管頂覆土厚度2.0 m，設計覆土厚度3.0 m。當地現狀素土重度為18 kN/m3，則現狀管頂設計荷載為P源=γ素×H1=48 kPa。換填氣泡輕質混合土選用W6.0型，即重度γ換為6.0 kN/m3，需要換填的高度為 γ換×H2≤P原，則 H2限制高度為8.0 m以內。現狀荷載堆土頂標高與本工程實際需要堆土高度相差約5～6 m，可采用超挖2.0 m+新增填髙6.0 m，總計8.0 m正好與當前管頂荷載基本相當，見圖1。

圖1 氣泡輕質混合土填筑示意圖

（2）設計要求

a.氣泡混合輕質土地面需鋪設20 cm的級配碎石作為防水隔離層兼做調平層，墊層頂部設置一層防滲土工布。

b.為保護氣泡混合輕質土，減少吸水后自重增加，換填開挖基坑側壁應設置防滲土工布。

c.氣泡混合輕質土應分層澆筑，每次澆筑高度0.5 m。氣泡混合輕質土澆筑體底部應設置兩層鋼絲網，設置在距底部上方40～60 cm范圍之內。澆筑體頂面也設置兩層鋼絲網，鋼絲網設置在距頂部下方40～60 cm位置。頂部與底部鋼絲網間每隔5 m高度水平鋪設兩層鋼絲網；焊接鋼絲網的鋼絲直徑 ?3.0～?6.0mm，邊長50mm×50mm或100mm×100 mm。相鄰兩層鋼絲網間距宜為30～50 cm。鋼絲網搭接時，相鄰兩塊鋼絲網間的重疊寬度應為20～30 cm，并用鍍鋅鋼絲綁扎連接。

3.2.2 荷載相關驗算

（1）地基承載力檢驗

按照工程相關材料及工藝要求，施工后氣泡輕質混合土的承載力應不小于120 kPa。扶壁式擋墻埋置深度不小于1.5 m。按照地基承載力修正公式

扶壁式擋土墻地板寬度長度8.0～12.0 m，墻高8.0～10.0 m，擋墻本身支擋高度較高，但墻背填料也均采用輕質填料，自立性較好，對擋墻的側向壓力較小，經計算驗證墻底地基承載力不應小于100 kPa。則修正后的氣泡輕質混合土所提供的承載滿足設計要求。

（2）整體穩(wěn)定性驗算

整體穩(wěn)定性驗算采用常用的圓弧滑動法進行分析，抗滑力矩MR和滑動力矩MS之比，即為擋墻所在的穩(wěn)定安全系數FS。在工程計算中采用簡化BISHOP法，使用理正巖土計算程序進行驗證計算，地震工況下安全系數計算為6.931，滿足設計要求。

4 結語

通過工程實踐，氣泡輕質混合土作為對荷載條件、用地條件較為苛刻的山區(qū)城市地區(qū)的路基填筑是一種較能滿足各項設計需求的材料，在材料強度，重量和自立性等方面均具有良好的表現，且山區(qū)地區(qū)普遍地下水位較低，材料抗浮穩(wěn)定性上也具有一定的保障。考慮到氣泡輕質混合土的綜合單價較高，如大范圍普通路段內采用則工程整體造價過高，經濟性上有所欠缺，但對于有特定環(huán)境和特殊需求性的局部山區(qū)城市市政建設，仍具有極其可觀的實用價值，值得在更大的范圍內推廣應用。