氣泡混合輕質土在高速公路中的應用

文 / 廣東省長大公路工程有限公司　王佳

我國高速公路總里程數已居世界前列，但是由此帶來的公路養護和改擴建任務也十分繁重。氣泡混合輕質土自21世紀初被引入我國公路建設以來，已經應用于橋臺臺背路基填筑、特殊地帶路堤填筑等多個方面。為了更好地指導氣泡混合輕質土的設計與施工，本文就其組分、物理特性和工程應用三方面進行介紹。

氣泡混合輕質土及其組分

氣泡混合輕質土是一種容重可自由調節的新型輕質填土材料，其基本原理是將一定的泡沫顆粒摻入到工程土（黏土或砂土等）中，從而大大減輕地基上部或橋背填土的自重作用。與傳統路基填筑和處置方法相比，具有自身質量較輕、施工工法簡單、所需作業面小、且強度較高的特點，能夠顯著降低工程費用和維修成本，同時也具有一定的環境效益。其主要的組成成分可分為以下幾類：

發泡劑，通過物理手段在發泡劑稀釋液中引入空氣，從而產生大量的泡沫顆粒，其評價指標主要考慮發泡能力和泡沫的穩定性，這也是影響固化后材料的容重和強度的重要因素。

固化劑，用于增強土體骨架自身的固結能力和強度，一般多采用水泥類材料，通過混合攪拌將其水化作用產物與黏土或砂土顆粒形成水泥漿。

其他可選組分，如外摻劑和細集料等，用于降低材料成本，或提高混合輕質土的某些性能。

氣泡混合輕質土的物理性質

氣泡混合輕質土內部具有一定比例的氣泡，可以節約土方的使用，且具有與普通土建材料相似的一般力學特性。為了更好地將其應用于工程實踐，了解其基本的物理力學性能是十分必要的，結合現有研究資料，總結出其主要的物理特性如下：

容重特性。輕質土的容重可以根據實際工程要求，通過改變材料配比（泡沫顆粒比例、水泥摻量、含水率等）來自由調控，其容重的調控范圍在5kN/m3～16kN/m3之間。同時，在工程應用中，輕質土單次澆筑的高度也對容重有一定影響，在土自重作用下材料沿高度方向的容重呈不均勻分布，若澆筑高度過高，則上下容重差異明顯，因此在施工過程中需要嚴格控制輕質土每次澆筑的高度。

滲透特性。本項目組通過室內測定氣泡輕質土的滲透系數發現，試驗采用的三種不同配比的輕質土滲透系數在0.15cm/s～9.3×10-5cm/s之間，且隨著容重的減小，材料的滲透系數增大。試驗結果說明水在氣泡輕質土中的擴散速度與泡沫顆粒的比例有關，氣泡占有率越大，試件內連通的孔隙，材料的抗滲透能力越差。因此，若實際工程對防水要求較高或長期浸水條件下，在控制容重的同時還需采取一定的抗滲措施。

干縮特性。干縮是水泥基材料不可避免的一種體積減縮現象，容易引起土體的早期開裂，在氣泡輕質土中摻入一定量的細集料（細砂）能夠緩解由于干縮造成的體積減小的問題，因此，在施工過程中可以考慮采用一定量的細沙來規避土基的龜裂，從而提高路基的使用性能。

熱學特性。由于在氣泡混合輕質土中封閉了大量氣泡，大幅度阻礙了熱量在空氣中的對流交換，從而使得土體具有較佳的保溫隔熱性能。當氣泡含有率為體積的40%～70%時，其導熱系數在0.11W/(m·K)～0.23W/(m·K)之間，且隨著泡沫顆粒含量的增加其導熱系數減小。因此，在實際工程中，氣泡混合輕質土的這一優勢可在特殊氣候環境（凍土地區）下路基土體的凍脹翻漿處置中得到應用。

氣泡混合輕質土在公路工程領域的應用發展

氣泡混合輕質土具有優異的物理特性，由于其輕質可調、易于施工及隔熱等特點，已經被廣泛應用于我國的高速公路路基填筑與處置等方面的實體工程中，并取得了一系列研究成果。

氣泡輕質混合土

橋臺臺背路基填筑

上世紀八十年代，氣泡混合輕質土在日本和荷蘭被作為填土的替代物而研發出來。基于其具有輕質的特點，能夠極大地減輕路堤的自重，1988年在東京首次將其應用于橋臺臺背的填筑施工，結果證明該工藝降低了施工后的不均勻沉降，實現了橋頭的柔性過渡；其后被引進回國內，輕質土技術被用于北京、廣州和上海等多項道路工程標段的橋頭臺背設計的優化和施工；本項目組在廣佛肇第C標段采用氣泡輕質土技術，優化橋臺為樁柱式橋臺，進行現場施工應用，通過工后檢測結果可知，輕質土處置后路基強度符合規范要求，且與另一相對優化施工方案的造價相比，經濟效益顯著。

特殊地帶路堤填筑

我國山區地質條件復雜，特別是西南地區，公路建設需要在滑坡、陡峭等特殊地帶填筑路堤，采用輕質土技術能夠大大減輕荷重，減少路基自身的滑動力矩，提高界面摩擦性能，從而增強路基的抗滑穩定性，避免了高填方帶來的穩定性問題及因大量占用土地資源造成的環境破壞問題。已有研究對四川某公路改建中氣泡輕質土施工的工程量和經濟性進行分析，結果顯示隨著填筑高度的增加，輕質土的單價優勢越來越明顯且與其他方法相比能極大縮短工期。該項目組在廣佛肇試驗段檢測發現，輕質土與砂土接觸面黏聚力為2kPa～13kPa，內摩擦角為36.7。～37.6。，相對土體而言具備更好的抗滑性，另外輔以開挖平臺、在坡面打設短錨桿等措施，進一步提高了陡坡路堤安全程度。

改擴建新路堤填筑

目前，在改擴建過程中，由于路基的不均勻沉降引起的道路破壞是一個重要的工程問題。與以往的路基填筑加寬方式相比較，氣泡輕質土路堤利用該材料的輕質高強、保溫隔熱和抗震性等特點，可以有效降低地基應力并減少不均勻沉降，同時能很好地解決用地限制和工程造價偏高的問題。氣泡輕質土技術在我國的湖南（蓮株高速公路）和廣東（京珠高速公路）等地區的改擴建工程中得到了應用，采用該技術對路基進行收坡處理后，不需占用企業用地，節約了施工和征地成本，取得了較好的工程應用和經濟效益。

實體工程應用效益評價

本節主要針對廣東省廣佛肇高速公路實體工程的應用經濟性開展研究。廣佛肇高速公路是一條典型的山丘地區高速公路，C標段（K80+373.000～K121+140.550），線路全長40.757km，共有橋梁33座，隧道1座。現以某一具體路段為例，說明氣泡輕質土處理地基的應用效益。

試驗段輕質土填筑高度平均約9m，屬于高填筑，填筑平均底寬6.5m，橫向平均頂寬15.8m，臺階平均高度4m，整體性良好。該段輕質土路堤于2015年10月開始澆筑，過程順利，高峰期每日可澆筑200m3左右，2015年11月全部澆筑完畢。采用輕質土作為路堤填筑材料，在主線范圍內垂直立起，未額外增加用地；施工過程中，由于其輕質性和整體性，未發生地基沉降及土體失穩現象；流動性強，直接泵送澆筑，施工快捷方便，效率高；施工過程的檢查及澆筑完畢驗收，其強度100%合格且外觀良好。施工期間，安全措施到位，做到了文明施工，未對當地環境造成污染及破壞。從質量、外觀、施工效率及現場文明施工等方面，廣受監理單位、設計院、業主及其他相關單位的好評。

結語

本文依托廣東省廣佛肇高速公路工程，分析了氣泡混合輕質土的容重、滲透、干縮、熱學等物理特性，并結合相關應用案例介紹了其應用成果，結果表明，氣泡混合輕質土可大幅度提高路堤填筑的施工質量和環境保護水平，而且避免或減少了道路營運期的過大沉降和不均勻沉降，延長道路的使用壽命，在高速公路建設中推廣前景廣闊。