泡沫輕質土在軟土地基道路改擴建中的應用

楊 偉

（洛陽璟信公路工程科技發展有限公司，河南洛陽471000）

我國高速公路發展初期，受經濟能力和設計思想的限制，道路設計多為雙向四車道方案。但隨著交通量的不斷增長，高速公路擁堵情況日益嚴重，高速公路改擴建成為發展趨勢。道路擴建的關鍵技術是控制新老路基的差異沉降[1]，差異沉降過大會導致拼接處結構性破壞，出現縱向開裂，雨水下滲進而影響路基穩定性[2]。實際工程中若遇到軟土地基，因為其承載能力難以滿足工程需求，需要進行改良處理，常見方式有排水固結、淺層換填、復合地基等[3-4]。對傳統換填材料的沉降特點研究已經取得了豐富的經驗、形成可靠的理論體系，但是由于軟土的復雜性，傳統填料應用到軟土地基的沉降計算精確性較差，因此許多改擴建工程考慮應用泡沫輕質土作為換填材料[5-7]。泡沫輕質土是用起泡劑制備泡沫，與基質土、膠結材料、水、摻合料按一定比例混合而成的高壓縮模量輕質填筑材料，相較傳統填筑材料容重更小，對地基的荷載應力更小[8]。目前對泡沫輕質土的研究主要是材料生產、全路幅施工技術，對于改擴建工程中路基拓寬施工研究并不全面[9]，必要研究如何控制改擴建中泡沫輕質土置換軟土地基施工質量。本文通過實體工程研究泡沫輕質土的生產制備、澆筑工藝、路基拼接技術、防水處理，為同類型工程提供技術依據。

1 工程概況

廣東省珠三角地區某高速公路全長41.6km，于1997年通車。由于受當時經濟能力、規劃思路的影響，路基寬度僅18m。其中有7.36km的軟基路段未經過深層處理，僅換填5m厚碎石，累計沉降量較大，路面破損嚴重。經過技術驗證，決定采用泡沫輕質土對舊路外側10m寬的范圍內進行換填，拓寬后路基寬度為38m，路面結構層具體設計見表1。

表1 路面結構Table 1 Pavement structure

2 軟土地基改擴建中泡沫輕質施工技術

2.1 原材料

（1）基質土

泡沫輕質土常用砂性、粉性、粘性土，通過解泥和篩分處理使土顆粒直徑小于5mm，和膠結材料、氣泡均勻混合時能保證泡沫輕質土的流動性和穩定性。本文所用基質土為當地土建工程廢棄的粘性土，經過預處理后符合顆粒直徑小于5mm的要求

（2）起泡劑

起泡劑由物理作用和化學作用分為兩種，但由于化學起泡劑產生的泡沫穩定性受溫度濕度影響，本工程選用性能較為穩定的物理起泡劑。常見的物理起泡劑又分為界面活性類、動物蛋白類、樹脂類等。動物蛋白類易變質，對存放溫度和時間要求較高，所以在施工中禁止使用[10]。本工程選用起泡效果好的復合型起泡劑，其性能檢測結果和起泡劑技術指標建議值見表2。

表2 起泡劑性能檢測結果和技術指標建議值Table 2 Test results of foaming agent performance and recommended values of technical indexes

（3）膠結材料

水泥是泡沫輕質土主要膠凝材料，起到固結和加固骨架的作用。泡沫輕質土內部的氣泡會降低強度，為保證其強度能夠滿足工程要求，應選用高標號、凝結時間快、密度大的普通硅酸鹽水泥，也可選用高爐礦渣水泥或火山灰硅酸鹽水泥。石膏粉和硅粉作為輔助材料，用來催化、早凝、減少主劑。本工程選用標號42.5的普通硅酸鹽水泥作主要膠結材料，其主要性能指標見表3。

表3 水泥主要性能指標Table 3 Main performance indexes of cement

（4）摻合料

粉煤灰可以起到改善泡沫輕質土強度低、容重大等缺點的作用，能夠替代一部分水泥，從而降低施工成本、節約能源。泡沫輕質土所用的粉煤灰要求所含有的游離CaO含量較低，以保證泡沫輕質土的流動性和內部泡沫的穩定性，應選用以無煙煤和煙煤為原料生產的粉煤灰，禁止選用由次煙煤或褐煤生產的粉煤灰。本工程選用符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）技術要求的粉煤灰，其主要技術指標見表4。

表4 粉煤灰主要技術指標Table 4 Main technical indexes of fly ash

（5）配合比設計

泡沫輕質土的主要性能指標是容重和無側限抗壓強度等，進行配合比設計時要滿足容重、無側限抗壓強渡、濕重比、流值等要求（見表5）。由配合比試驗確定發泡劑、膠結材料、基質土、摻加料、水的用量（見表6）。

表5 泡沫輕質土性能技術指標Table 5 Performance index of foamed lightweight soil

表6 泡沫輕質土配合比Table 6 Mixing ratio of foamed lightweight soil

（6）泡沫輕質土制備

在施工現場制備時，向解泥和篩分處理后的基質土摻加水泥、粉煤灰和水，混合攪拌形成水泥-土漿；將起泡劑按配合比確定稀釋倍率用水稀釋后，泵送到起泡機中與壓縮空氣充分混合，形成大量致密均勻、直徑約為30m～300m左右微小氣泡的泡沫；將泡沫與水泥-土漿混合均勻，進行物理性能檢測合格后，現場通過泵送澆筑。

2.2 施工技術

（1）路基拼接

對老路邊坡進行削坡處理，開挖出適當寬度和高度的臺階，臺階寬度應大于2m。在加寬區泡沫輕質土填筑前應鋪設碎石或砂墊層，拼接面各臺階頂面鋪設土工格柵并用鋼釘錨固，約束拼接處新老路基的相對位移，防止拼接處產生相對位移反射到瀝青面層產生縱向裂縫。

（2）泡沫輕質土的澆筑

澆筑前應在基底鋪設塑料土工膜和金屬網。澆筑時根據施工現場實際情況確定澆筑區和澆筑層的劃分。澆筑區通過砼擋墻劃分，起到模板和加固作用，單層澆筑方量不超過200m3。澆筑層過薄會影響泡沫輕質土的整體性和消泡，過厚會導致消泡及壓縮氣泡導致的濕容重增加的現象，因此單層澆筑厚度應控制在0.3m～1.0m，建議為0.5m，下層泡沫輕質土終凝后再澆筑上一層，間隔時間控制在8h以內。禁止在雨天澆筑，若養護時有降雨天氣應鋪塑料膜遮雨，防止出現消泡現象。澆筑完畢后，表面強度≥0.4MPa、彎沉滿足要求即可進行上層道路結構的施工，通過水穩碎石層調整橫坡。

（3）防水處理

浸水會導致泡沫輕質土的容重增加和抗壓強度降低，若填筑層在地下水位上，應清除基底積水并鋪設碎石或砂墊層；若填筑層在地下水位以下或滲透壓力≤30kpa，應先在基底鋪設排水墊層，再對泡沫輕質土填筑層的上下面和路基拼接處鋪設防水土工布；若填筑層在地下水位3m以下或滲透壓力≥30kpa，常規防水措施效果有限，應針對泡沫輕質土自身性能進行改良，濕密度≥900kg/m3，強度等級≥1.0MPa。

3 施工質量檢測

為了檢驗泡沫輕質土施工質量，本工程設置200m的實驗檢測斷面，在實驗檢測斷面隨機抽取6個橫斷面，在距離路面3m深度依次由拼接位置向新路基邊緣每隔2m埋設多點位移計，即從距離舊路道路中線8m開始，每隔2m設置檢測點。根據《公路路基設計規范》（JTGD30-2015）制定拓寬路基的沉降控制值，并結合《現澆泡沫輕質土路基設計施工技術規程》（TJG F10 01-2011）以及已有改擴建工程的控制標準做綜合考慮，得沉降控制值50mm和橫坡坡度變化量≤0.5%的雙重控制指標[11]。

（1）橫向差異沉降

提取6個橫斷面通車14個月后的累計沉降數據，結果見圖1。

圖1 橫向差異沉降檢測結果Fig.1 Test results of lateral differential settlement

由圖1可知，距離舊路中線14m處的累計沉降量最大，該處水平位置在路基拼接區域以外，是擴建路面新車道范圍，在車輛荷載作用下沉降量較大；8m處沉降量最小，水平位置位于新舊路基拼接處，結合拓寬區域施工高程按漸進式過度處理工藝，能夠有效保證路面橫坡坡度變化量。實際觀測得出，6個截面的橫坡坡度變化量最大為0.36%，遠小于質量控制標準0.5%，新舊路拼接處過渡良好，路面無明顯縱向開裂，拼接施工效果良好。

（2）沉降-時間關系

對沉降量最大的14m處，每隔2個月提取沉降量數據，沉降-時間關系監測結果見圖2。

圖2 沉降-時間關系Fig.2 Relationship between settlement and time

由圖2可知，該實驗檢測路段的沉降量整體看來，在通車6個月后累計沉降的增長緩慢，均控制在35mm以內，明顯低于質量控制標準50mm的要求。這是由于泡沫輕質土容重比常規填筑材料小得多，路面材料對軟土地基的附加荷載明顯減小，說明泡沫輕質土能有效改善軟土地基施工質量。

4 結論

在軟土地基道路改擴建工程中，針對軟土地基改善處理和新舊路基拼接質量最為關鍵，若處置不當，會產生嚴重的工后差異沉降和縱向裂縫。本文對泡沫輕質土在改擴建工程中改良軟土地基的施工技術進行研究，實體工程采取上述質量控制技術，通車后持續監測結果表明：

（1）采用臺階式削坡和鋪設土工格柵的拼接面處置工藝，結合加寬區高程漸進式過度，能夠保證新舊路面工后差異沉降較小，橫坡度變化量最大為0.36%，遠小于質量控制要求0.5%。

（2）泡沫輕質土對軟土地基的荷載應力較小，應用泡沫輕質土后，通車14個月最大累計沉降量為34mm，遠小于質量控制標準50mm，對軟土地基的處置效果良好。