氣泡混合輕質土在路基臺背回填中的應用效果分析

■梁偉峰

（廣東晶通公路工程建設集團有限公司，廣州 510635）

近年來， 隨著我國高速公路事業大規模向山區、丘陵地帶擴展，公路建設逐漸延伸到了地質條件復雜、地基薄弱地區[1]，不僅增大了工程建設難度，更出現了橋頭跳車、地基沉降過大及高填方路基穩定性不足等質量通病，嚴重影響了道路運營的舒適性和安全性[2]，因此，如何解決地形復雜地區橋頭跳車問題，以及提升臺背回填質量已成為當下學者亟需研究的熱門課題[3-4]。

目前，國內外學者在臺背回填方面展開了大量研究，如苗學云等[5]采用液壓夯實工藝對涵洞臺背兩側進行夯實，研究在不同攤鋪厚度、夯實遍數情況下的壓實效果情況，分析了不同工藝參數下的作業效率情況。 延倫[6]全面闡述了泡沫輕質土的施工工藝原理、施工前準備工作、泡沫生成和水泥漿制備、泡沫輕質土的生成及現場澆筑等施工工藝和流程，并提出了能夠保證泡沫輕質土在公路橋梁臺背回填中應用效果的質量控制措施。 羅吉慶[7]將氣泡輕質土應用在臺背回填、擋土墻及路基填筑在項目中，解決了通行凈寬不足、施工空間受限、地基承載力不足、路基失穩等問題。 氣泡混合輕質土因具有輕質量高強度、 施工性好及優良的耐久性等特點，已在我國公路工程中得到廣泛應用，但在淤泥質地基中應用效果還有待進步不深入。 基于此，本研究針對氣泡混合輕質土的性能進行了研究，并針對氣泡混合輕質土在淤泥地基的應用情況進行了監測分析，最終證明氣泡混合輕質土在路基臺背回填中的優良效果。

1 工程概括

1.1 工程簡介

本研究以某高速公路連接線項目為工程背景，該線路全長2.32 km，路面總寬度為24.5 m，車道設計為雙向四車道，最高行駛速度為80 km/h。 項目包含一座現澆整體板式橋，橋梁全長35 m，總寬度為25.5 m，橋面包含2 m×0.75 m 防撞護欄+1.5 m 中央隔離帶+2 m×11.25 m 行車道，橋面橫坡為2%。該地區地勢相對平坦，經考察發現地質層主要表現為淤泥土層和軟土層，保障路基穩定的淤泥質粉質粘土層在地下1.8～2.4 m，厚度在2.5～4.0 m，采用靜力觸探測得臺背地基最大承載力為100 kPa， 由此可確定該項目屬于高填方軟基臺背回填工程。 通過綜合分析地質分布情況、土層特性、地基承載力以及路基填筑高度等因素的影響，計劃采用氣泡混合輕質土對路基臺背進行回填。

1.2 氣泡混合輕質土特點及優勢

氣泡混合輕質土主要由水泥、水、發泡劑以及外摻材料按照一定比例，經機械充分混合、攪拌后形成的填充材料，相對于傳統填充材料，氣泡混合輕質土具有以下優勢：（1）輕質量高強度，可有效降低對地基的荷載，避免差異沉降病害的出現。 （2）流動性強，增強了泵送距離，可不受地形、場地限制，施工速度塊、機動性強。 （3）直立性好，可減少土石方數量，節約施工成本，縮短工期。 （4）經濟性好，相對于傳統填土施工更為簡便，成本低，工期短，具有良好的經濟效益。

1.3 氣泡混合輕質土臺背回填設計

根據CJJ/T 177-2012《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》規范要求，氣泡混合輕質土填筑路基濕容重取值為600 kg/m3， 強度取值為1.0 MPa，流動度取值為180 mm（±20 mm）。 由于該路段地基地下水位不高，為防止氣泡混合輕質土過量吸水而導致其性能下降，需對提前對氣泡混合輕質土做好防滲設計， 可采用防水土工布包裹， 搭接寬度為35 cm，同時對接縫處進行密封。 路基與氣泡混合輕質土的搭接處設計高度為1.2 m， 寬度為1.5 m 的臺階， 路基兩側邊緣設計高度為1.2 m， 寬度為0.75 m 的臺階，以確保氣泡混合輕質土與路基銜接良好。 臺背回填斷面設計見圖1。

圖1 臺背回填斷面設計

2 氣泡混合輕質土性能分析

2.1 配合比設計

試驗所用原材料主要包括水、PO42.5R 型水泥、TYFPJ-25 型發泡劑和TYWJJ-35 型外加劑，按照一定比例進行混合制備滿足設計要求的氣泡混合輕質土試件，并對試件進行性能檢測，測得其流動度為190 mm， 濕容重為608 kg/m3，28 d 抗壓強度為1.2 MPa，性能指標均滿足規范要求。氣泡混合輕質土配合比設計為水泥350 kg、發泡劑42 kg、外加劑4 kg、混合水189 kg。

2.2 性能分析

2.2.1 力學性能

為檢測氣泡混合輕質土的力學性能，在施工過程中需隨機留樣檢測， 測試試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，針對氣泡混合輕質土試件7～180 d周期的無側抗壓強度進行分析，結果見圖2。

圖2 不同周期-抗壓強度變化曲線

由圖2 可知，隨著檢測周期由7 d 增至180 d，氣泡混合輕質土的無側限抗壓強度呈不斷增大趨勢變化， 其中氣泡混合輕質土周期7～28 d 的無側限抗壓強度增幅比較顯著，增幅達64.8%，而氣泡混合輕質土周期28～180 d 的無側限抗壓強度增幅相對較小，增幅為20.5%，原因是氣泡混合輕質土內部水泥在28 d 周期內水作用較大，強度增幅明顯，超過28 d 周期后水泥水化作用逐漸下降，強度增幅隨之減小， 但最終氣泡混合輕質土的無側限抗壓強度達到了1.41 MPa，滿足該工程所需的規范設計要求。

2.2.2 水穩定性能

為檢測氣泡混合輕質土的水穩定性能，分別計算氣泡混合輕質土試件7～180 d 周期的水穩定系數，結果見圖3。

圖3 不同周期-水穩定系數變化曲線

由圖3 可知，隨著檢測周期由7 d 增至180 d，氣泡混合輕質土的水穩定系數呈逐漸增大趨勢變化， 其中氣泡混合輕質土周期7～60 d 的水穩定系數增幅較小，可忽略不計，而氣泡混合輕質土周期60～180 d 的水穩定系數增幅相對明顯， 增幅約10%，說明氣泡混合輕質土泡水周期越長，其水穩定系數就越高，但考慮到氣泡混合輕質土自身濕容重較大，泡水后會降低其無側限抗壓強度，因此在施工階段還需做好防水設計。

3 監測方案設計與分析

3.1 方案設計

為研究氣泡混合輕質土在路基臺背回填中的實際效果，在施工過程中提前預埋土壓力盒和沉降管，針對臺背地基土壓力（1～2 號土壓力盒）、臺背側壓力（3～6 號土壓力盒）以及臺背地基與路基的沉降量（A、B 沉降管）進行長期監測，預埋位置見圖4。

圖4 土力盒及沉降管埋設位置

3.2 結果與分析

3.2.1 臺背地基土壓力

路基施工完成后，針對1、2 號土壓力盒數據進行監測，定期采集土壓力盒實時數據，周期為每月1 次，匯總后得到臺背地基土壓力變化曲線見圖5。

圖5 臺背地基土壓力變化曲線

由圖5 可知，臺背地基1 號位置的土壓力要大于2 號位置，原因是1 土力盒的埋設位置靠近地基邊緣，而2 號土力盒靠近地基中心位置。 臺背地基1、2 號位置的土壓力隨著時間的推移均呈先增后減，最后逐漸趨于穩定的趨勢變化，原因是路基澆筑過程中荷載會不斷增大，澆筑完成后氣泡混合輕質土中的水泥由于水化作用自重下降，其壓力值也會隨之減小。 臺背地基1、2 號位置的最大土壓力值分別為41.8 kPa 和56.3 kPa，遠遠小于原地基測得的最大承載力100 kPa， 由此說明該地基的實際承載力足以支撐路基所需荷載，證明采用氣泡混合輕質土進行臺背回填的設計方案具有可行性。

3.2.2 臺背側壓力

路基施工完成后，針對3～6 號土壓力盒數據進行監測，定期采集土壓力盒實時數據，周期為每月1 次，匯總后得到臺背側壓力變化曲線見圖6。

圖6 臺背側壓力變化曲線

根據圖6 可知，臺背側3、5 號位置的壓力值要大于4、6 號位置，原因是3、5 號土力盒的埋設位置靠近地基頂部，而4、6 號土力盒靠近地基底部。 臺背側3～6 號位置的土壓力隨著時間的推移均不斷減小，最后逐漸趨于穩定的趨勢變化，原因為氣泡混合輕質土產生水化作用后， 內部結構完成固化，不再對路基側部產生壓力。 臺背側3～6 號位置的最大土壓力值分別為2.89、3.14、2.79 和3.14 kPa，4 個位置的最大臺背側壓力均較小，基本不會對臺背側產生較大影響，由此說明該地基采用氣泡混合輕質土進行臺背回填可以滿足臺背側壓力的設計要求。

3.2.3 路基及地基沉降量

路基施工完成后，針對A、B 號管沉降情況進行監測，并每月定期記錄1 次沉降值，匯總后得到沉降值變化曲線見圖7。

由圖7 可知，路基、地基沉降管的沉降值均隨著時間在0.01～0.22 mm 范圍內波動， 路基A 沉降管最大值和最小值分別為0.01 mm 和0.22 mm，地基B 沉降管最大值和最小值分別為0.02 mm 和0.22 mm，說明路基與地基的沉降變化基本一致。 路基A 沉降管的最終沉降值為-0.12 mm，地基B 沉降管的最終沉降值為0.21 mm， 且在監測時間內路基和地基達到的最大沉降值均為0.22 mm， 說明在監測時間內路基與地基均未發生較大沉降差異。 綜合來看，采用氣泡混合輕質土進行路基臺背回填不會產生路基變形以及地基沉降過大的問題，可以保障路基的安全穩定性。

圖7 路基、地基沉降變化曲線

4 結論

本研究通過配合比設計以及監測方案設計，針對氣泡混合輕質土的力學性能、水穩定性能、臺背地基土壓力、 臺背側壓力以及沉降情況進行分析，得到以下主要結論：（1）氣泡混合輕質土的無側限抗壓強度與水穩定系數均會隨著時間推移不斷增大，但氣泡混合輕質土自身濕容重較大，泡水后會降低其無側限抗壓強度，因此在施工階段還需做好防水設計。 （2）臺背地基的最大土壓力值為56.3 kPa，遠遠小于原地基測得的最大承載力100 kPa， 由此說明該地基的實際承載力足以支撐路基所需荷載要求。 （3）臺背側最大土壓力值為3.14 kPa，4 個位置的最大臺背側壓力均不會對臺背側產生較大影響，說明該地基采用氣泡混合輕質土進行臺背回填可以滿足臺背側壓力的設計要求。 （4）路基、地基沉降管的最終沉降值為分別為-0.12、-0.21 mm，且在監測時間內路基與地基均未發生較大沉降差異，說明氣泡混合輕質土進行路基臺背回填不會出現路基變形以及地基沉降過大的問題。