泡沫輕質土高路堤在軟土地區的應用研究

□文/肖桂清 高宏偉

我國東南沿海分布比較廣泛的軟土，比如廣州、珠海、天津、上海、杭州等地區[1]，軟土是含水率高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性高的細粒土，包括淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土[2]。天津濱海新區道路地基是典型的濱海軟土地基[3]，承載力低，沉降、變形大，同時存在不均勻沉降，沉降固結時間長，容易發生失穩問題。在軟土地基上修筑道路，控制沉降、保持穩定是技術上的兩大難題，其成功與否決定了道路工程的安全、工期、質量、造價等；所以軟土地基路堤的穩定性分析是路堤方案設計最主要的工作之一[4]。

軟土地基處理方法多種多樣，按加固原理分為：置換、排水固結、振密、擠密、灌入固化物、加筋、冷熱處理[5]。在高填深挖段，可能會采取多種地基處理方案相結合，滿足沉降和穩定要求；也可能采用橋梁方案更適合，所以需要進行方案比選。

1 工程概況

天津濱海新區的一條一級公路，設計速度60 km/h，紅線寬度34 m，雙向四車道，外側設置1.5 m 設施帶，路基寬20 m，其余為邊坡放坡范圍，見圖1。

圖1 工程道路段標準橫斷面

2 工程重難點

道路沿線用地現狀為坑塘水面、河流水面、灘涂。路基邊坡采用六棱塊植草護坡，在水面以下采用漿砌片石護坡。其中樁號K0+680～K1+020 段線位南側為魚塘，北側為魚塘土埂，平均填高13 m，總長約340 m，是工程設計難點。

根據巖土工程勘察報告，道路分布有淤泥質土層及其夾層，流塑為主，局部軟塑，高壓縮性，承載力較低，工程性質較差，是影響路基沉降的主要土層，路基設計應進行沉降計算。路段填方較高且位于軟土地區，沉降控制和穩定性問題，是工程設計中需重點關注的，一級公路一般路段容許工后沉降≯30 cm，采用有效固結應力法時的穩定安全系數＞1.1（不考慮固結）或1.2（考慮固結）[2，6]。

3 路橋方案比選

本路段填方較高，如果采用道路路基方案，受沉降與穩定因素的制約，需采用輕質填料作為路堤填料，以減小附加荷載和工后沉降，增強路基穩定性。從軟土地區路橋設計角度和經驗考慮，采用橋梁方案較為合理，故本文對路基方案和橋梁方案進行比選。

路基方案由于南側地形較低，施工時先打壩抽水，清淤，分層填筑路基填料，整平場地標高至0，然后填筑泡沫輕質土至路床頂標高；北側靠近現狀土埂，地形較高，挖臺階進行搭接。路基一級邊坡在紅線34 m 內，一級邊坡以外用地屬于整平場地用地。橋梁方案采用預制小箱梁，斷面布置與道路段一致。見圖2和圖3。

圖2 道路路基方案

圖3 橋梁方案

從兩方案建安費來看，相差不大，橋梁方案略高，但占地少，征地費用低，見表1。

表1 路橋方案比較

路基方案有利于遠期地塊開發，池塘填平后，沿線地塊可以直接在路段設置開口，便于路網接入，可以滿足過路管線的鋪設，雖然占地較多，但屬于填平深坑，整平場地，減少以后整平場地工程量，可以解決現狀附近大量廢棄土方；橋梁方案建安費略高，占地少，但不利于遠期地塊開發，如有地塊接入需要拆除橋梁，重建道路，存在重復投資且施工期間需斷交的問題，影響車輛通行。

綜上分析，考慮道路使用功能的長遠性及經濟性，選擇采用路基填筑方案。

4 路基方案的設計

4.1 路堤填筑

考慮到遠期地塊開發，需整平地塊高至道路設計標高，本工程采用路堤填筑方案。受沉降與穩定因素的制約，為減小附加荷載和工后沉降，不能采用常規填土材料，需采用輕質填料作為路堤填料，增強道路路基穩定性。

泡沫輕質土具有輕質性、整體性、低彈減震性、抗壓性、耐水性、耐久性、施工速度快、環保性、經濟性的特點。作為路用填筑材料，泡沫輕質土的CBR 強度、壓縮性及耐疲勞性滿足要求；與其他路用材料如瀝青材料、混凝土材料之間的黏結力較好。故本工程選用泡沫輕質土作為路堤填筑材料。

路堤填筑方式：施工時先打壩抽水，清淤，填筑0.6 m 山皮土作為承托層，再分層填筑6%灰土，厚度為H1，然后填筑泡沫輕質土H2，0.6+H1+H2為路堤填筑總高度，通過試算得出H2。為增加路堤穩定性，路堤填筑高度設置兩級反壓護道，分為三級邊坡，邊坡坡率為1∶1.5、1∶1，采用六棱塊植草護坡，水面以下采用漿砌片石護坡。

作為填方較高段，路堤的穩定性和工后沉降需滿足路基設計規范要求，同時由于泡沫輕質土重度較小，填筑高度較大，需對路堤整體抗浮性進行驗算，在減小附加荷載的同時，也要滿足抗浮要求。

4.2 沉降與穩定分析

工后沉降根據文獻[2]計算，最終沉降采用經驗系數法

式中：S∞——最終沉降，mm；

ms——沉降系數，可根據現場沉降觀測資料確定，也可采用經驗公式確定；

Sc——主固結沉降，由e-p 曲線法，經分層總和計算，mm。

e-p曲線法公式

式中：n——壓縮土層內土層分層的數目；

e0i——地基中各分層在自重應力作用下的穩定孔隙比；

e1i——地基中各分層在自重應力和附加應力共同作用下的穩定孔隙比；

△hi——地基中各分層的初始厚度，m。

任一時刻地基的沉降St，應考慮主固結隨時間的變化

式中：Sd——瞬時沉降，mm；

Ss——次固結沉降，mm；

U——地基平均固結度，可采用太沙基一維固結理論計算。

工后沉降Sp=S0-Scp

式中：S0——路面設計使用年限內地基發生的總沉降，mm；

Scp——路基路面施工（預壓）期沉降，mm。

經過試算，泡沫輕質土需填筑6 m，附加荷載造成的工后沉降為29 cm，控制在要求范圍內。

穩定驗算采用圓弧滑動法中的有效固結應立法式中：cqi——地基土或路堤填料的黏聚力，kPa；

φqi——地基土或路堤填料的內摩擦角，（°）；

φcqi——地基土的內摩擦角，（°）；

Ui——地基平均固結度，%；

ai——土條底面與水平面交角，（°）；

Li——土條底面弧長，m；

WⅠi——土條地基部分重力，kN；

WⅡi——土條路堤部分重力，kN。

經計算，穩定安全系數為1.64，當泡沫輕質土填筑6 m時，滿足沉降要求的同時，穩定性驗算可以滿足要求，本軟土地基路堤設計方案是可行的。

4.3 抗浮驗算

泡沫輕質土由于重度較小，作為路堤填料時，附加荷載較小，對沉降和穩定性均有利，但由于造價較高，不能無限制使用，同時由于其重度比水小，當遇到水位較高時有上浮風險，所以需對其進行抗浮驗算。本工程南側為水塘，常水位約為-4.5 m。抗浮驗算[6]

式中：Ff——抗浮穩定系數；

γi——各層材料的重度，kN/m3；

hi——各層材料的厚度，m；

γw——水的重度，kN/m3；

hjw——路堤浸水的深度，m。

分兩種工況計算抗浮穩定系數：工況一是從整體路堤考慮水的浮力作用；工況二是僅考慮浮力對泡沫輕質土的作用，忽略泡沫輕質土以下6 m 的6%灰土，計算結果見表2。

表2 抗浮計算結果

工況一和工況二的抗浮穩定系數分別為1.52、1.12，反算抗浮臨界水位分別為6.8、2.3 m，采取保守計算結果，水位在2.3 m 以下時，抗浮穩定系數均能滿足要求。故要求工程竣工后養護管理時需注意，如遇到特大暴雨，本段水位上漲較快時，需實時觀測水位，水位超過2 m 后，需采取有效措施，降低水位，保證道路使用安全。

4.4 路堤施工預壓與監測

路堤填方較高，施工期間，除對填土按要求壓實外，還要預壓，盡量減小工后沉降。采用等載預壓，泡沫輕質土施工完后填筑106 cm素土進入預壓期，預壓期不少于6月。預壓素土卸載后用作路面結構的二灰土或素土回填。

施工過程變形監控是實現動態路基設計的基礎，可確保施工、運營期間路基安全穩定。變形監控分為填土路堤的地表沉降和路側水平位移，地表沉降采用沉降板觀測，路側水平位移通過邊樁來觀測。施工期間應選取典型斷面實時監測路側水平位移，保證高路堤填筑過程中的穩定；觀測沉降，保證路堤頂標高滿足設計要求。

5 結語

軟土地基處理方法多種多樣，實際工程現狀條件也各不相同，需綜合分析選用。本文對具體工程實例中填方較高路段進行了路橋方案比選，從遠期地塊開發的角度采用路堤方案。為滿足軟土地基沉降和穩定性的要求，結合輕質材料路堤的特殊性，進行了沉降、穩定性和抗浮性驗算，證明方案是合理可行的。□■