川北重丘區軟基層氣泡混合輕質土的工程技術研究

鄭濤++李海清++蔣瑜陽

摘 要：以四川省川北地區山嶺重丘地帶在建的廣陜、廣巴高速公路連接線為工程依托，在復雜的地質構造與環境條件下，以順層滑坡區軟基地層上修筑路基為工程實例進行分析，通過采用氣泡混合輕質土技術替代衡重式混凝土支擋物的方法，確保路堤整體穩定，減少結構物不均勻沉降，徹底解決了放坡征地難、施工不便、軟基處理等諸多技術難題，可為復雜地質條件下典型山區高速公路軟基地帶修筑路基結構物提供科學的決策依據。

關鍵詞：輕質土；軟弱地基；結構物；擋土墻

中圖分類號：U416.2 文獻標志碼：B

Research on Engineering Technology of Bubble Mixed Light Soil for Soft Foundation in Hilly Area of Northern Sichuan

ZHENG Tao1， LI Hai- qing1， JIANG Yu- yang2

（1. Sichuan Chuangao Engineering Consulting Co. Ltd.， Chengdu 610041， Sichuan， China；

2. Highway Planning， Survey， Design and Research Institute of Sichuan Provincial

Transportation Department， Chengdu 610041， Sichuan， China）

Abstract： Based on the connecting line in construction between Guangyuan- Shaanxi expressway and Guangyuan- Bazhong expressway among the hilly area of northern Sichuan Province， constructing subgrade on soft foundation in bedding landslide area with complex geological structure and environmental conditions was analyzed with practical projects. The weighing type concrete retaining wall was replaced by bubble mixed light soil to keep embankment stable and reduce settlement. Technical problems including soft foundation treatment were solved， which provides scientific basis for the decision making of subgrade construction in soft foundation under complex geological conditions.

Key words： light soil； soft foundation； structure； retaining wall

0 引 言

本文以四川省北部山區地帶典型地貌特征為背景，在山嶺重丘區地形選取了一段長度為60 m的半填半挖的路基工程為試驗段，首次在四川高速公路建設中引入氣泡混合輕質土技術，應用于軟弱地基層上的路基填筑。通過對典型橫斷面填筑體進行路基整體穩定性、抗滑動、抗傾覆驗算，在滿足技術規范的前提下[1]，進一步說明該方法完全取代原設計混凝土擋墻結構物的技術方案在川內實施是合理、可行的，并且值得在四川其他類似地段的高速公路建設中借鑒參考，具有廣闊的應用前景與市場價值，可大力推廣應用。

1 項目概況

廣陜、廣巴高速公路連接線位于四川省北部地區廣元市東北方向利州區境內，是廣元繞城高速公路的重要組成部分之一，路線全長19.45 km。沿線地勢西北高、東南低，地處龍門山與米倉山低洼前緣地帶，形成了狹長狀的山前凹槽，且堆積地形較為發育，具有典型山區高速公路修建特征。廣陜、廣巴高速公路連接線K3+553～K3+613段路基工程原設計左側采用順層清方開挖，右側采用衡重式路肩擋墻進行收坡，與兩側擋墻順接，擋土墻外源是農用魚塘，覆蓋土4～6 m，處于軟塑至可塑狀態，屬于在軟弱地基層上修建擋墻。經施工單位地勘實測，原設計擋土墻地基承載力無法滿足要求。

2 氣泡混合輕質土的功能及作用

2.1 氣泡混合輕質土簡介

氣泡混合輕質土是一種新型輕質的路基填筑材料，它是由水泥、水、細砂或砂性土（也可以不加）、氣泡發泡劑以及外加劑按照一定配合比例混合制成的微孔類輕質材料[2]。最早由日本道路工團在1986年應用于道路工程中，此后引進國內市場。通過多年不斷的技術完善與逐步探索，目前已在國內道路建設中發展成一項較為成熟的技術，并形成了完善的質量管理與評價體系。由于氣泡混合輕質土具有質量輕、承載力高、整體性好、保溫隔熱性能好及施工便捷等顯著特點[3]，在橋臺背回填、道路加寬、陡坡路基、軟土路基減荷、地下結構物減荷、橋梁減跨、隧道空洞注漿和凍土路基保溫隔熱方面發揮了重要作用。

2.2 技術特性

2.2.1 微孔性

氣泡混合輕質土是一種微孔類輕質材料，內部含有無數個微細、獨立的均勻氣泡，氣泡直徑為30～60 μm，氣泡群含有率為20%～90%。

2.2.2 輕質性

由于內部均勻分布著大量氣泡，其容重比一般土建材料小很多（表1），可減少填筑自重[4- 5]。用作路基填筑時，其濕容重一般取4～6 kN·m-3，每換填1 m厚度的氣泡混合輕質土，可減少12～14 kPa荷載，只相當于厚0. 20～0. 30 m的普通填土荷載。

2.2.3 自立性

氣泡混合輕質土屬水泥類材料，與普通混凝土有類似的初凝、終凝等特性，使用水泥作為固化劑，通常在澆筑5 h后就會開始固化，且具有良好的自立性，其垂直臨空面側壓力為0，可進行垂直填筑，對擋墻結構物無側壓力。

2.2.4 強度可調節

根據工程的實際需要，通過調整水泥用量、氣泡群含量或摻入添加材料的比例，使其容重在4～15 kN·m-3內，強度在0.4～3.5 MPa內。一般工程中，濕容重常選用4～6 kN·m-3 ，強度常選用0. 4～1. 5 MPa。圖1定性地說明了填筑材料的容重與無側限抗壓強度之間的關系。

圖1 抗壓強度與容重的關系

2.2.5 高流動性

由于不含骨料，氣泡混合輕質土流動性高，可通過管道進行遠距離泵送，水平泵送距離達500 m以上（增加中集泵可輸送更遠），垂直泵送高度達30 m以上。為防止氣泡混合輕質土在澆筑施工時泄漏，通常采取必要措施砌筑一些簡單的擋塊進行封堵。

2.2.6 施工性能良好

采用管道泵送，使拌和場與澆注點分離，作業面小；澆注后可自流平、自硬化；自密實性好，不需機械攤鋪、振搗和碾壓。施工對附近建筑物無影響，對居民干擾小，適合在長距離、管道或狹小空洞內充填施工。

2.3 工程應用

氣泡混合輕質土技術自引入國內市場以來，主要應用于公路、鐵路、市政、房建及水利等領域的工程，應用范圍包括道路路堤加寬、橋臺臺背填土、結構頂減荷填土、低軟基路堤填土、橋梁改路堤填土（橋梁減跨）、高填方路堤擋墻、市政管道回填、坍塌工程快速搶險、熔巖空洞填充、建筑地基加固、港口護岸擋墻、凍土路基及房建工程的保溫隔熱等。

3 氣泡混合輕質土關鍵控制技術

3.1 設計方案

前述地勘資料表明，本段右側路基基底層在殘破堆積體上，加之外側水塘侵蝕和水的遷移，勢必影響擋墻基底的穩定性和安全性，故在K3+553～K3+613段采用氣泡混合輕質土技術進行填筑，填筑最大高度6.6 m，原設計方案予以變更設計。

3.2 路基穩定性計算

本文選取廣陜、廣巴高速公路連接線K3+597. 6段為最不利橫斷面，進行穩定性計算與分析，氣泡混合輕質土路基尺寸如圖2（a）所示。

圖2 K3+597.6段橫斷面設計計算

3.2.1 地基承載力

根據氣泡混合輕質土路基荷載的組合計算方式，按照荷載最不利因素綜合考慮，通過車輛荷載、填筑體頂層路面結構層荷載、氣泡混合輕質土荷載的共同作用組合計算，荷載總和為69. 23 kN，要求地基承載力不小于80 kPa即可，依據地勘資料可以證明，該處的地基承載力滿足要求。

3.2.2 路基穩定性驗算

氣泡混合輕質土路基荷載按照實際計算荷載加載到邊坡面上，考慮右側魚塘水的影響，根據《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》（CJJ/T 177—2012）對填筑體部位進行整體穩定性計算，選取計算參數為：內聚力c= 10 kPa，φ=30°，填土的容重γ=18 kN·m-3，氣泡輕質土與原路基坡面的水平面夾角α =45°，摩擦系數μ=0. 5，基底水平α0=0°，忽略中部臺階的作用。計算簡圖如圖2（b）所示。

主動土壓力

Ea=12γH2tan245°-φ2-2cHtan45°-φ2+2c2γ=65.58 kN

Ex=Easin α=32.79 kN

Ey=Eacos α=56.79 kN

滑動穩定方程

[1.1G+γQ1（Ey+Extan α0）-γQ2Eptan α0]μ+

（1.1G+γQ1Ey）tan α0-γQ1Ex+γQ2Ep>0

式中：H為填筑高度（m）；Ex為填筑體背面主動土壓力的水平分量（kN）；Ey為填筑體背面主動土壓力的豎向分量（kN）；G為填筑體重力及作用于填筑體頂面的其他豎向荷載的總和（kN）；γQ1、γQ2分別為主動土壓力分項系數、被動土壓力分項系數，建議取γQ1=1. 4，γQ2=0. 5；α0為基底傾斜角（°）。

3.2.3 路基抗滑性驗算

根據《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》（CJJ/T 177—2012）對填筑體部位進行抗滑動穩定性計算（抗滑動穩定性系數Kc不能小于1.3），如圖2（b）所示，計算式如下

Kc=[N+（Ex-E′p）tan α0]μEx-Ntan α0=1. 921>1. 3

式中：N為基底作用力合力的豎向分量（kN）；E′p為填筑體前面被動土壓力的水平分量（kN），為安全起見，E′p=0。

計算可知，按此參數標準計算的抗滑動穩定性能夠滿足規范要求。

3.2.4 路基抗傾覆性驗算

根據《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》（CJJ/T 177—2012）對填筑體部位進行抗傾覆性驗算（抗傾覆穩定性系數K0不能小于1.5），如圖2（b）所示，計算式如下

K0=GZG+EyZx+E′pZpExZy=2.00>1.5

式中：ZG為填筑體重力及作用于填筑體頂面的其他豎向荷載的合力中心至填筑體趾部的距離（m）；Zx為主動土壓力的水平分量至填筑體趾部的距離（m）；Zy為主動土壓力的豎向分量至填筑體趾部的距離（m）；Zp為填筑體前被動土壓力的水平分量至填筑體趾部的距離（m）。

計算可知，按此參數標準計算的抗傾覆性能夠滿足規范要求。

3.3 制備工藝

因澆筑時間長、體積方量大、材料配比嚴格，故按照大體積現場澆筑的施工工藝進行[6]。在施工準備前期要進行詳細的施工組織設計，對組成的材料質量進行嚴格把關，泵站位置選取、漿液輸送、機械與設備人員配備、外擋塊墻預制拼裝、模板安裝搭架等事項都應進行周密的計劃與安排，其施工工藝主要包括底基基礎處理、氣泡輕質土材料制備、模板護壁、整體澆筑施工、養護管理等工序。具體制備工藝如圖3所示。

圖3 氣泡混合輕質土制作工藝流程

3.4 施工控制要點

施工嚴格按照建設部頒發的《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》（CJJ/T 177—2012）的有關規定執行，但根據具體的實際情況進行動態設計，強化施工過程中的質量、進度、安全控制，施工控制要點如下。

（1） 本段路基在斜陡坡軟弱地基層上填筑，為進一步提高填筑體的抗滑穩定性，設計時考慮增設抗滑錨桿，以接觸面每2 m2范圍1根錨桿布置，錨桿采用DN25鍍鋅鋼管，長度為3 m（各嵌入1.5 m），入射角度為15°。

（2） 施工過程中應增設面板與外側水塘的水隔絕，起到臨時支撐模板、防止漏漿的作用，并且能夠長期保護輕質土，以防風化嚴重導致的使用性能降低。設計面板采用C25混凝土，面板標準塊尺寸為90 cm×30 cm×4 cm，面板基礎采用C25混凝土與30 cm厚砂礫石墊層。

（3） 路基填筑時縱橫向與常規路基的交接面設置2級臺階平臺，寬度為2 m；輕質土填筑的頂部和基底1 m范圍內設置2層鍍鋅金屬網，采用3 mm×10 cm×10 cm鐵絲網，布置形式為梅花形。

（4） HDPE防滲采用GH- 1型聚乙烯土工膜，厚度為0.5 mm；變形縫采用2 cm厚的泡沫夾板；氣泡輕質土路基基底設置砂礫石墊層，厚度為0. 3 m。

（5） 路基段變形縫每10 m設置1道，縫寬20 mm，填筑體地面有突變時，應增設沉降縫（可根據實際情況對沉降縫適當調整），沉降縫填縫材料采用20 mm厚的聚苯乙烯板。

4 結 語

綜上所述，氣泡混合輕質土在廣東沿海地區使用較為廣泛，而本次是將該項技術引入四川高速公路建設的首例。在川北山嶺重丘地帶軟弱地基層上成功應用，有重要的指導意義，也為四川其他地區的高速公路特殊路基處理提供借鑒和參考。為此，結合本工點的實際處治情況，總結如下幾點。

（1） 在順層滑坡與軟基地層復雜地質構造相互交織的情況下，首次對路基整體穩定性、抗滑動性能、抗傾覆穩定性進行了驗算分析，由此說明了氣泡混合輕質土技術的使用方法恰當，處治手段合理，計算過程正確。

（2） 結合工地實際情況，對氣泡混合輕質土的制備工藝進行了優化完善，進一步降低工程造價，節省了施工工期。

（3） 根據該工點四周的地形與地貌特征，有針對性地提出了輕質土在設計、施工過程中的技術控制要點，對提高工程質量、保證路基穩定耐久具有重要的指導意義。

（4） 四川地處多山地區，山嶺重丘地帶分布較廣，氣泡混合輕質土的成功應用為其他具有類似特征的公路建設提供科學決策依據，值得下一步推廣應用。

參考文獻：

[1] 賀仲仕.氣泡砼在軟土地區路基擴寬工程中的應用[J].公路與汽運，2012（4）：155- 157.

[2] 戴志敏.氣泡混合輕質土的應用技術研究[D].長沙：中南大學，2008.

[3] 常 浩.氣泡混合輕質土在路基加寬中的應用[J].公路與汽運，2010（4）：133- 136.

[4] 陳忠平.氣泡混合輕質土新技術[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5] 劉龍偉，王 勇，丁文成.氣泡混合輕質土在高速公路軟基段加寬中的應用[J].湖南交通科技，2006，32（4）：41- 42.

[6] 蔡 力，陳忠平，吳立堅.氣泡混合輕質土的主要力學特性及應用綜述[[J].公路交通科技，2005，22（12）：71- 74.

[責任編輯：王玉玲]