泡沫土處理高速公路軟土地基的設(shè)計(jì)研究

楊世春

（湖北交投荊潛高速公路有限公司，湖北荊州 434000）

0 引言

泡沫土（foamed light weight soil）是固化劑（水泥）、水、發(fā)泡劑、外摻料（原料土、火山灰、粉煤灰等）通過(guò)機(jī)械設(shè)備充分混合攪拌后凝固成型的新型多氣泡輕質(zhì)材料，常用的容重范圍在4.0～8.0kN/m3，強(qiáng)度范圍為0.4～2.5MPa，具有質(zhì)量輕、抗壓強(qiáng)度高、整體性好、凝結(jié)自立性以及保溫隔熱等特點(diǎn)。發(fā)泡劑是制作泡沫土的關(guān)鍵材料，主要有表面活性系列、蛋白質(zhì)系列及樹(shù)脂肥皂系列三種，其中表面活性劑類發(fā)泡劑的效果較好。水泥是制作泡沫土的主要原材料，水泥宜采用42.5 級(jí)及以上的通用硅酸鹽水泥。當(dāng)有快硬要求和其他用途時(shí)，可選用快硬水泥或特殊水泥在現(xiàn)場(chǎng)制作而成。

泡沫土具有高流動(dòng)性、易固化、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高及良好自立穩(wěn)定性等特點(diǎn)，且耐久性好，施工簡(jiǎn)便快捷，無(wú)須進(jìn)行特別的養(yǎng)護(hù)處理，可較大限度地消除填料質(zhì)量引起的沉降量，因此，經(jīng)常作為路基填料處理橋頭跳車較明顯段落、軟土地基高速公路拓寬工程、軟基路段縱向裂縫以及邊坡失穩(wěn)的路基處理等，通過(guò)減輕軟土地基的荷載，達(dá)到減少路基的總沉降量及工后沉降量的目的。

泡沫土是多種材料攪拌后凝固而成的輕質(zhì)材料，由于材料本身由多種物質(zhì)混合而成，實(shí)踐表明其具有較大的收縮性，合理的配合比在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)可以減少材料本身的收縮性能，以免出現(xiàn)橫向裂縫或縱向裂縫，減少路基的病害。在與相鄰?fù)练教钪范蔚拇罱犹幚砩希斜匾芯科浯罱臃椒ǎ跐M足施工便利性的基礎(chǔ)上，減少因搭接施工而造成的沉降等。

1 泡沫土的設(shè)計(jì)研究

1.1 配合比的研究

泡沫土一般用于路基填高較大且軟土較為深厚的段落，泡沫土的容重大小決定了地基的最終沉降量及工后沉降量，所以泡沫土的容重是采用該填筑方法最重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。在決定采用泡沫土填筑路基的段落，應(yīng)先根據(jù)地質(zhì)資料及容許的工后沉降量確定泡沫土的允許容重，并根據(jù)該容重確定該段落的泡沫土配合比，研究其強(qiáng)度及收縮率，使之滿足規(guī)范要求。

一般在試驗(yàn)室制作400mm×400mm×280mm 的長(zhǎng)方體試件用作泡沫土的壓縮試驗(yàn)及收縮試驗(yàn)。

首先，依據(jù)計(jì)算好的泡沫土配合比，按1∶30 的比例把發(fā)泡劑制成水溶液后，使用高速剪切乳化機(jī)預(yù)制發(fā)泡，將乳化機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸提升到7000r/min 并保持5～10min，泡沫穩(wěn)定、細(xì)小、均勻時(shí)停止乳化剪切。

其次，把普通硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥均勻混合，然后把混合水泥、水、減水劑及其摻合料共同攪拌成料漿體。

最后，將制好的泡沫與料漿體混合，繼續(xù)攪拌形成新泡沫混凝土。

研究表明，無(wú)論摻加哪種摻合料，都不能完全阻止泡沫混凝土收縮，收縮變形一定存在。但聚丙烯纖維、減水劑及膨脹珍珠巖的摻入，均能在不同程度上抵制泡沫混凝土收縮，且隨摻入量增大，抑制收縮的能力越明顯，而發(fā)泡劑則可加大泡沫混凝土收縮，且隨摻入量增大，收縮越嚴(yán)重，也就是泡沫土的設(shè)計(jì)容重越小，其收縮特性也越大[1]。

工程實(shí)踐也表明，發(fā)泡劑是造成泡沫土容重減少最主要的材料，也是引起泡沫土收縮的最主要因素，發(fā)泡劑摻入越多其收縮率也越大，所以不能單方面追求過(guò)小的容重，而應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件及路基填高，計(jì)算工后沉降量及總沉降量，選擇合理的容重。設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的容重，進(jìn)行室內(nèi)配合比試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出其收縮率。某高速公路由于較大的收縮率，造成通車后橋頭路基與橋臺(tái)連接處的明顯裂縫，裂縫的寬度在2cm 左右，說(shuō)明不當(dāng)?shù)呐浜媳仍斐陕坊『Φ陌l(fā)生（見(jiàn)圖1）。

圖1 某高速公路由于泡沫土收縮而引起的收縮裂縫

1.2 應(yīng)對(duì)泡沫土材料收縮的措施

如前所述，由于泡沫土具有一定的收縮性能，過(guò)大的收縮量會(huì)造成泡沫土本身的縱橫向裂縫，如果泡沫土表面的裂縫反射到路面，則會(huì)造成路面的裂縫產(chǎn)生，從而影響路面的使用壽命。雖然采用合適的配合比，能減少泡沫土裂縫，但材料的特性決定了仍然會(huì)有一定的收縮變形。

為解決泡沫土收縮造成路面的沉降、與橋臺(tái)或路基連接處的裂縫等病害，一是在施工前應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的配合比試驗(yàn)，摻入各種合適比例的材料，使其收縮率在允許的范圍內(nèi)；二是在施工過(guò)程中，采取相應(yīng)的工程措施，減少其收縮變形。試驗(yàn)表明，單塊泡沫土的體積越大，則其收縮變形量也越大，所以可以通過(guò)減少單塊泡沫土的澆筑體積來(lái)減少收縮量。

工程實(shí)踐還表明，在泡沫土完成的3d 內(nèi)收縮率最大，3d 后收縮變形則明顯減小。所以，可以利用泡沫土收縮變形的特點(diǎn)來(lái)減少施工后的收縮變形，也就是在實(shí)際工程中采用分層澆筑的施工方案，并控制層與層的施工時(shí)間。在工程實(shí)踐中，一般每層的泡沫土的厚度控制在1m 以內(nèi)，層與層之間的時(shí)間間隔應(yīng)在3d以上，也就是先進(jìn)行一層厚度不超過(guò)1m 的泡沫土施工，3d 后，將其表面打毛，便于上下兩層的黏合，而后再進(jìn)行下一層施工。這種施工方法可以有效減少泡沫土收縮變形的影響，減少裂縫產(chǎn)生。

1.3 與土路基連接處的不同搭接方法路基沉降差異研究

由于泡沫土路基的造價(jià)較高，一般用于處理軟土厚度較大、軟土物理力學(xué)較差且路基填高較高的段落，或者用于處理邊坡失穩(wěn)的局部路基，所以需要與土方填筑的土路基需要進(jìn)行搭接。在常見(jiàn)的工程實(shí)際中，泡沫土與土路基的交界處，常采用的兩種搭接方法，一是泡沫土路基搭接在土路基上，二是土路基搭接在泡沫土上。采用第二種搭接方法，由于泡沫土的擴(kuò)散作用，作用在軟土地基上的荷載要小于泡沫土路基搭接在土路基上的荷載，所以其沉降量也較小。為研究?jī)煞N方法沉降量的區(qū)別，選擇江漢平原軟土地基上的某高速公路橋頭路基，采用FLAC 3D 軟件，計(jì)算兩種搭接方法的總沉降量差異[2]。

某高速公路處于江漢平原，區(qū)域內(nèi)廣泛分布著厚度在10～15m 的軟土地基。軟土主要為淤泥、淤泥質(zhì)黏土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等，軟土的含水量在40%～70%，孔隙比在1.1～2.0 之間，壓縮系數(shù)在1.0MPa-1以上，具高壓縮性；軟土的直接快剪指標(biāo)中黏聚力在5kPa 左右，內(nèi)摩擦角在2.3°左右，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的黏聚力在25kPa 左右，內(nèi)摩擦角在5.2°左右；淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)約為3.0×10-6cm/s，淤泥質(zhì)黏土的滲透系數(shù)在4.0×10-7cm/s。軟土以下一般分布著卵石層，該地區(qū)的軟土相對(duì)于長(zhǎng)江下游的軟土地基，具有較快的沉降穩(wěn)定速度。對(duì)于這些段落軟土地基的處理，目前的軟土地基一般先采用攪拌樁等復(fù)合地基的處理方法，然后采用清砂、素土及灰土等填筑路基，而對(duì)于有的段落，軟土厚度深厚，上面又有高壓線等通過(guò)，受到打樁高度的限制，打樁的深度可能不滿足設(shè)計(jì)要求，此時(shí)可采取泡沫土填筑路基，一是避免處理深厚的軟土地基，減少攪拌樁的長(zhǎng)度甚至可以取消攪拌樁，二是減少土方填筑的數(shù)量，減少取土對(duì)農(nóng)田或山體等自然環(huán)境的破壞。

某高速公路的某大橋橋頭及過(guò)渡段采用泡沫土填筑，泡沫土的填筑長(zhǎng)度為50m，在泡沫土縱向相鄰的路段采用常規(guī)土方進(jìn)行填筑。采用FLAC 3D 數(shù)值模擬軟件來(lái)計(jì)算路基變形，力學(xué)計(jì)算模型采用摩爾-庫(kù)倫模型（Mohr-Coulonb Model），模型采用的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。并用比奧固結(jié)理論計(jì)算軟土地基在路基填筑過(guò)程中的固結(jié)變形，考慮了流固耦合作用。在FLAC 3D 具體計(jì)算中，先進(jìn)行初始地應(yīng)力的平衡，然后在計(jì)算時(shí)激活各填土單元，模擬路基的填筑過(guò)程，每層的填筑厚度按1m 考慮，此時(shí)路基在附加壓力作用之下會(huì)發(fā)生沉降變形，并按路基及路面的施工時(shí)間，考慮地基固結(jié)變形。

表1 沉降計(jì)算參數(shù)取值表

兩種搭接方法計(jì)算沉降量沿路基縱向的沉降量如圖2 所示，沉降計(jì)算參數(shù)取值表見(jiàn)表1。計(jì)算表明，兩種搭接方式并沒(méi)有明顯的沉降量差異，計(jì)算的沉降量基本相當(dāng)，兩種搭接方法計(jì)算的總沉降量都在26cm 左右。采用土路基在泡沫土上的搭接方式，由于泡沫土的擴(kuò)散作用，計(jì)算沉降量要小于泡沫土在土路基上的方式（圖中50m 處），但沉降量的差別并不明顯，兩種搭接方式的沉降量差在10mm 左右。兩種搭接方法施工的難易程度明顯不同，采用土路基搭接在泡沫土路基上，由于土方的碾壓需要大量的施工機(jī)械，很可能造成在土路基施工過(guò)程中施工機(jī)械對(duì)已經(jīng)施工完成泡沫土的破壞；而采用泡沫土搭接土路基上的搭接方法，則可以在土路基施工完成后，按照泡沫土的施工厚度，先在已經(jīng)施工完成的土路基上逐級(jí)開(kāi)挖臺(tái)階，再澆筑泡沫土，施工也較為簡(jiǎn)單方便。

圖2 泡沫土與土路基不同搭接方法的路基變形

綜上所述，采用泡沫土搭接在土路基上的方式，雖然其總沉降量要稍大于采用土路基搭接在泡沫土上的方式，但其沉降的差異并不明顯。而采用后一種搭接方式可有效減少土路基施工過(guò)程中對(duì)泡沫土的破壞，所以推薦采用泡沫土搭接于土路基之上，也就是先完成泡沫土路基相鄰段的路基土方填筑，然后再進(jìn)行泡沫土路基的施工。

1.4 泡沫土路基基底及表面的處理

在軟土地基采用泡沫土填筑的路基，路線往往通過(guò)河網(wǎng)密集的地區(qū)，地下水的位置較高，特別在雨季和汛期，地下水的位置更高。泡沫土由于其密度較小，水的浮力容易造成泡沫土路基的破壞，所以應(yīng)重視泡沫土地基的排水工作。對(duì)泡沫土填筑的路基底部，應(yīng)該采用厚度不小于50cm 的碎石墊層或中粗砂墊層，以及時(shí)排出地下水。對(duì)泡沫土處理的段落，還應(yīng)做到路基兩側(cè)邊溝排水通暢，與周圍的水系應(yīng)順暢連通，以利于及時(shí)排出積水等，從而避免地下水對(duì)路基造成的破壞。

1.5 泡沫土路基上面板的設(shè)計(jì)

由于泡沫土本身的抗剪強(qiáng)度較低，不能受集中力作用。施工完成后，應(yīng)嚴(yán)格禁止施工車輛直接在泡沫土上行駛，否則容易造成已施工完成泡沫土路基的破壞，但由于路面的施工，路面施工車輛需要在泡沫土路基上通行。為了解決施工車輛在泡沫土路基上的通行問(wèn)題，一般在泡沫土上施工20cm 的鋼筋混凝土板作為瀝青路面的底基層，在路面施工期間，可以直接通行施工車輛。

2 結(jié)語(yǔ)

在軟土地基上采用泡沫土填筑路基，可以有效減小路基的自重，減少地基的總沉降量及工后沉降量，可用于公路工程的某些特殊段落。在泡沫土設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行配合比試驗(yàn)及合適的施工工藝設(shè)計(jì)，減少由于泡沫土的收縮特性造成連接處路基的橫向裂縫等。泡沫土搭接于土路基上或土路基搭接于泡沫土上，并沒(méi)有明顯的沉降量差。但泡沫土搭接于土路基上易于施工，建議先進(jìn)行相鄰段落土路基施工，然后再進(jìn)行泡沫土施工。