泡沫輕質土在某高速公路路基拼寬工程中的應用

■謝子明

（三明廈沙高速公路有限責任公司，三明 365000）

1 引言

隨著我國社會和經濟的迅速發展，道路交通量與日俱增，現有的公路網絡已無法滿足其增長需求，故實施道路改擴建工程以提高交通服務能力已成為必然趨勢，其中既有道路拼寬方式作為改擴建工程的主要方式之一，尤其在用地范圍有限、車流量較大、地質條件較差的工點凸顯其優勢。

泡沫輕質土是19世紀80年代后期由日本、荷蘭等國研制出的用發泡劑水溶液制備成泡沫，與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻合料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，形成的一種輕質材料[1]。本文介紹了泡沫輕質土在某高速公路路基拼寬工程中的應用，總結了設計、施工要點，對類似工點的建設具有一定的參考意義。

2 工程概況

2.1 地形地貌

本文依托工點所在場區沿線山嶺綿延，山脈主體多呈北東～近南北向延伸，與區內主要構造線相一致，局部由北西向分布。總體地勢為東高西低。該路段為剝蝕丘陵地貌，植被較發育。線路橫向地形起伏大，山坡自然坡度約 10～45°。

2.2 地層巖性

該高速公路場區地表上覆第四系坡積土（Qdl）、粉質粘土及砂土狀地層，厚度約1.4～4.2m，下伏碎塊狀強風化花崗巖及中風化花崗巖，其中碎塊狀地層風化裂隙發育，巖芯以碎塊狀為主，部分呈短柱狀；工程所在范圍內未見滑坡等不良地質跡象；鉆孔揭示地下水位較高，路線位于丘陵斜坡地帶，地表徑流條件相對較好。

2.3 方案比選及變更過程簡介

該段落高速公路原路面寬度為24m，左線路基外側設計為兩級邊坡（見圖1），第一階坡率為1∶0.2，坡高為約12m，采用漿砌片石擋墻支擋；第二階坡率為1∶1.5，坡高約7m。第一階擋墻外側為約42m寬斜坡地形，平均坡度約為 15°。

為滿足擴建需求，在線路兩側進行拼寬：右側往里開挖拓寬，左側采取填方進行拼寬，拼寬寬度1～3m，接入交匯高速匝道。

圖1 原線路橫斷面示意圖

針對左幅路基拼寬，共提出三種方案以供比選。

方案一：如圖1，在左線路基外側約42m斜坡范圍進行征地，對原路基邊坡實施填土反壓，填土覆蓋原二級邊坡。自用地界至拼寬后路肩外側填筑三級邊坡，第一至第三階坡率分別為 1∶2.0、1∶1.75、1∶1.5， 一階坡腳設護腳擋墻，段落填土近27000m3。該方案雖通過提供反壓力學支撐實現拼寬，使整個路基穩定性增加，但涉及征地范圍較大，且需大量填土供應，經濟合理性欠缺。同時，該方案施工需修筑大量便道，工期較長，不能盡早實現線路通車，因此提出方案二如下。

方案二：通過現澆C20混凝土及小導管注漿實現拼寬（見圖2），在原路肩外側邊緣以臺階方式向下開挖至第一階擋墻墻頂標高，臺階寬度為2.5m，高度為1m，開挖后立即施打小導管注漿，間距為1.0×1.0m，并采取噴混凝土臨時支護。臺階外小導管預留一定長度埋置于現澆混凝土內，開挖完畢后現澆C20混凝土至路面標高。

因新增澆筑混凝土自重較大，對下部擋墻產生一定的水平向附加應力，即其在上部自重的作用下，加之漿砌片石擋墻墻身近直立，較高陡，傾覆破壞的可能性增加，針對上述不利因素，提出在既有擋墻上澆筑錨索地梁，每道地梁設置3排4束預應力錨索，每根錨索提供400kN錨固力，在一定程度上可改善擋墻的抗傾覆能力及整個路基邊坡穩定性。由此可見，方案二相對于方案一更具經濟性及實現快通車的優勢，但因拼寬后填土體量增加且混凝土相對于原路基填土重度較大，即必須考慮其豎向附加應力對擋墻下部地基承載力提出的要求，同時還需考慮拼寬后整幅路基的不均勻沉降問題[2]。即針對現澆C20混凝土重度較大，對既有支擋結構及路基安全性存在一定威脅問題，提出采用能夠替代現澆混凝土，重度較小且同樣滿足強度要求的輕質填料：泡沫輕質土路基方案（方案三）由此推出。

圖2 方案二橫斷面示意圖

為保證路基加寬后路堤漿砌片石擋墻的穩定，泡沫輕質土路基方案中保留對原路堤漿砌片石擋墻需采取錨索地梁加強的思路。為最大限度減少填方路基加寬對線路通車的影響，最終確定同意采取泡沫輕質土進行加寬的方案。下文將對泡沫輕質土方案進行詳述。

3 設計方案及技術要點

3.1 設計方案簡介

根據前文所述，對三種方案進行詳細論證，主要對現澆C20混凝土加小導管注漿（方案二）和泡沫輕質土路基方案（方案三）進行比選，得出采用后者不僅能實現減載及強度安全性要求，亦可加快施工工期，同時泡沫輕質土施工工序簡單，且經濟上合理可行，現對泡沫輕質土路基方案進行詳述，方案示意見圖3。

（1）現澆泡沫輕質土澆筑路基體高約5～6m；選用泡沫輕質土主要性能參數為：重度6kN/m3，立方體試塊抗壓強度為1.0MPa；填筑體上部及外側坡面及底板均澆筑20cm厚C25鋼筋混凝土板。

（2）為減小拼寬填筑后對既有路基外側一階擋墻穩定性的影響，在擋墻原位設置錨索地梁，通過張拉3排4束錨索進行加固，要求錨索錨固段進入砂土狀強風化層以上巖層不小于12m，改善擋墻抗傾覆性的同時提高路基邊坡整體穩定性。

圖3 輕質泡沫土路基方案橫斷面示意圖

（3）交通管制后，先對原有路基邊坡坡面進行清表，清表厚度為50cm；橫向沿線路中心線9m位置以臺階形式分級開挖，每級臺階寬2.5m，高1m，縱向開挖坡率及臺階尺寸參照橫向開挖要求執行。

（4）因開挖路基臺階階數較多，為保證開挖臺階面的自穩性，要求開挖一級臺階立即施打小導管注漿，并初次噴射5cm厚C20混凝土作為臨時支護，方可繼續開挖下一級臺階，重復以上步驟直至到開挖設計標高[3]。開挖完畢后，沿臺階坡面鋪設Φ8@10cm×10cm鋼筋網，并第二次噴射5cm厚C20混凝土進行封閉。小導管為Φ50mm無縫鋼管，壁厚 4mm，間距 1.5m×1.5m，L=8m，進入土體7m，外露段1m留置于泡沫輕質土填料內，外露端頭部制成直角彎鉤狀，見圖4所示。

圖4 小導管布設示意圖

（5）為保證泡沫輕質土保有足夠的長期強度，必須對其進行防、隔水處理，并對周邊地下水進行疏排，故在泡沫輕質土底板下鋪設50cm厚級配碎石墊層（圖5），墊層頂面控制出外傾4%坡度，于墊層中部打設Φ10cmPVC管，要求打入至泡沫輕質土填筑內側壁以內。同時，在泡沫輕質土內側及底板上方鋪設一層防水土工膜以防入滲。為防止墊層碎石中細集料受水流沖刷流失，且提高輕質體的穩定性，在填料坡腳設置一道C25護腳墻，如圖5所示。

圖5 泡沫輕質土路基方案細部結構圖

（6）為提高泡沫輕質土的整體性及抗裂能力，在基底以及外側墻面設置20cm厚C25鋼筋混凝土板 （側壁），底板及外側壁板內加設Φ8@10cmx10cm鋼筋網 （圖5）；泡沫輕質土頂面以下50cm及中部處設置一道Φ8@10cmx10cm鋼筋網；外側壁板施工時，應做好拉結鋼筋埋設，拉結筋為Φ12鋼筋，長度L=1.5m，間距 1.0m×1.5m（豎直方向1.0m，沿路基方向1.5m），使其與泡沫輕質土拉結。以上工作完畢后，泡沫輕質混凝土應分層分段澆筑。

（7）如圖6所示，為保證拼寬后路面與泡沫輕質土填料間排水的通暢，輕質體C25面板在路面范圍加高10cm，再鋪設級配碎石墊層，輕質土頂面設4%外傾坡度，墊層底部打折排水平孔，墊層外側澆筑150cm高片砼護肩作護欄基礎，同時為控制不均勻沉降及提高整體性，在護肩與路面層內設置連接鋼筋。

圖6 泡沫輕質土路基頂部細部結構示意圖

3.2 設計及施工要點

泡沫輕質土之所以在實現減載，緩解附加應力的應用背景下備受青睞，主要因其自身密度較一般填土小而自身穩定性及強度卻較高，因此如何更具針對性地選擇泡沫輕質土的性能指標，充分發揮其材料特性優勢，優化設計顯得尤為重要。參照現有的泡沫輕質土制作技術，其抗壓輕度一般在0.4～7.5MPa范圍內[4]，已可滿足路基強度方面要求，但其表觀密度卻在250～1650kg/m3范圍內，即對于其密度的選擇則應因地制宜，綜合考慮工點所在的周邊環境及工程地質條件。在本案例中，由于泡沫輕質土充當高速公路拼寬部分路基，其強度不應過低，以滿足后期在行車振動荷載及地震等不利工況下的強度要求，即本工程取強度指標為1.0MPa。在可達到1.0MPa強度的前提下，綜合考慮汛期地下水位過高時浮力對路基的影響，又盡可能實現其減載的設計初衷，工程選用表觀密度為600kg/m3，即重度6kN/m3的泡沫輕質土。

（1）泡沫輕質土通過發泡劑實現填料內充滿空隙，其吸水性要遠大于一般填土，其泡水后重度大幅增加，失去“輕質”的意義，且強度損失，從而產生安全隱患。本工點中，設置鋼筋混凝土面板及底板并鋪設防水土工膜以實現對輕質填料體的隔、防水保護。同時，設置排水平孔結合路基坡面排水系統對拼寬填料周邊地下水進行疏導。此外，泡沫輕質土在拌合制作過程中對含水量的要求較嚴格，施工遇雨期時，應對材料及澆筑后未固化的泡沫輕質土進行遮擋[5]。

（2）前已述，為保證泡沫輕質土自身以及其與既有路基的整體性，在泡沫輕質土面板與輕質土間設拉結鋼筋，小導管預留部分長度澆筑于填料內，施工中應嚴格根據設計說明施工。

（3）泡沫輕質土雖制備簡單，澆筑時間短，但其內部水化熱較大，澆筑后溫度比普通混凝土要高，因此制作過程及施工工藝應嚴格控制環境溫度、濕度等因素[5]。施工應加強管理，控制澆筑速度，在0.3～0.8m范圍，需等上一層澆筑終凝后方可澆筑下一層。

（4）泡沫輕質土路基沿線路縱向應設置沉降縫，本工程中設置沉降縫間距為15m，沉降縫填縫材料采用聚苯乙烯板或10～20mm厚夾板，并應采用止水帶進行止水，防止水滲入。

4 結論

本文對某高速公路左幅路基拼寬工程方案比選及變更過程進行說明，對最終所選泡沫輕質土路基方案進行詳細說明，同時對泡沫輕質土路基方案的設計、施工控制要點進行總結，為類似工點建設提供一定參考。

（1）現澆泡沫輕質土在類似路基拼寬工程中，充分體現其重度輕，強度高且性能可調等優點[6]；同時，其施工工藝簡單快速，有效緩解了通車任務緊急的問題；并在諸如施工場地有限、施工難度大、環境條件差等不利條件下往往作為工程方案首選；

（2）泡沫輕質土設計應考慮其形態要求，確保其整體穩定性，并應做好防水設施；制作過程應加強管理，合理安排工序，嚴格按設計及規范要求施工；

（3）泡沫輕質土路基在本工程中已投入使用，節省了大量造價，結果印證了其可行性及經濟性。

[1]CECS249-2008，現澆泡沫輕質土技術規程[s].

[2]楊春風，莊燦，李洪亮，李寶，高恒楠.泡沫輕質土用于軟基路基拓寬時應力應變分析[J].廣西大學學報（自然科學版），2016，41（01）：234-245.

[3]GB5008-2001，錨桿噴射混凝土支護技術規范[s].

[4]李一帆，.現澆式泡沫輕質土在南平水東大橋改造工程路基拼寬中的應用[J].福建交通科技，2016（1）.

[5]CJJ/T 177-2012，氣泡混合輕質土填筑工程技術規程[S].

[6]陳忠平，孫仲均，錢爭暉.泡沫輕質土充填技術及應用[J].施工技術，2011，40（10）：74-76.

[7]JTG D30-2015，公路路基設計規范[S].