泡沫混凝土在深厚填土邊坡治理工程中的實例應用

黃 東

(湖南省勘測設計院,湖南 長沙 410004)

泡沫混凝土是通過發泡機的發泡系統將發泡劑用機械方式充分發泡并將泡沫加入到由水泥、骨料、摻合料、外加劑和水制成的漿料中,混合攪拌后經過泵送系統進行現澆施工或模具成型,經養護形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質高強材料。是一種利廢、環保、節能、低廉且具有不燃性的新型建筑節能材料[1]。泡沫混凝土具有輕質、保溫隔熱性能好、吸聲隔音性能好、耐火性能好、減震性能好、耐久性能好等優點,已經越來越廣泛地應用于房屋建筑、橋臺填筑、道路加寬等工程中[2]。同時,由于泡沫混凝土具有其自身的結構特征,導致其存在強度偏低、易開裂、吸水率大、收縮率大等問題[3]。基于泡沫混凝土的各項優缺點,發揮其優良特性,采用相關的設計與施工措施避免其存在的不足,將泡沫混凝土應用于深厚填土邊坡支護治理中,通過成功的邊坡治理工程案例,驗證其可靠性,對以后的工程設計和施工具有較好的指導與借鑒意義。

1 工程概況及地層巖性

1.1 工程概況

邊坡場地位于圭塘河西側,為南北走向,坡長約70 m,坡高約9.5 m,坡頂標高南高(42.30 m)北低(41.75 m),坡底標高平圭塘河河床,河床標高為32.80 m。該段河道邊坡上部原為重力式磚砌擋墻支擋,高約2～6 m,現狀磚墻及墻后土體已多處發生滑坡,僅部分殘余;中部坡面裸露,植被稀疏發育,多為雜草,偶見小樹;下部則為圭塘河;邊坡頂部現為空地及萬家麗路,距離萬家麗路人行道約12～16 m。該邊坡南、北端均為重力式漿砌麻石擋墻,其中南端擋墻高約8 m,北端擋墻高約5 m,現狀穩定性較好,未見變形失穩跡象[4]。邊坡治理前照片如圖1所示。

圖1 邊坡治理前照片Fig.1 Photo before slope treatment

1.2 地層巖性

根據現場踏勘情況,場地地層的分布及特征自上而下依次為:人工填土,圓礫層,粉細砂,強風化礫巖,中風化礫巖。

(8) 全風化礫巖⑧(K):紫紅、褐黃,碎屑結構,厚層狀構造,膠結極差,多風化呈散體狀,礫石成分多為板巖、砂巖、石英質,亞圓形,一般粒徑2～30 mm。巖石質量指標(RQD=10～20)為極差,巖體基本質量等級為Ⅴ級。

(9) 強風化礫巖⑨(K):褐紅色,碎屑結構,厚層狀構造,泥質膠結,膠結較差,巖芯破碎,極軟巖,巖芯呈短柱狀、塊狀,易斷、易分散,局部含少量礫石,成分為砂巖、板巖等,一般粒徑為0.1～0.5 cm,最大為5～7 cm。巖體破碎,巖石質量指標(RQD=40～50)為差,巖體基本質量等級為Ⅴ級。

(10) 中風化礫巖⑩(K):褐紅色,碎屑結構,厚層狀構造,泥質膠結,局部鈣質膠結,膠結較好,巖芯較完整,極軟巖,局部含少量礫石,一般粒徑為0.3～1 cm,最大為4～6 cm,成分為石英、砂巖、板巖等,巖芯呈長、短柱狀。巖體較完整,巖石質量指標(RQD=65～75)為較差,巖體基本質量等級為Ⅴ級。

各巖土層物理力學參數見表1所示。

2 邊坡治理方案

2.1 邊坡工程特點

表1 巖土層物理力學參數表Table 1 Physical and mechanical parameter table of rock and soil layer

根據工程地質條件與周邊環境的不同,將支護段分為DE段與EF段。具體支護平面圖如圖2所示。該段邊坡西側緊鄰圭塘河,東側緊鄰市政主干道,道路下方分布有電力、燃氣、污水等管線。其中EF段垂直坡面埋置有直徑1.5 m的混凝土排水管一根。邊坡治理工程周邊環境復雜,對沉降與位移的敏感度較高,施工空間狹窄。

圖2 支護平面圖Fig.2 Support plan

2.2 DE段支護方案設計

在掌握和研究已有工程地質和水文地質資料的基礎上,從經濟、安全且便于施工的角度考慮,對此邊坡工程DE段采用雙排樁+鋼花管注漿的支護型式。

雙排樁支護結構充分利用了空間效應,具有較大的側向剛度,可以有效地限制支護結構側向位移,而不需要設置錨桿或內支撐結構[5]。DE段采用雙排樁支護,樁徑1.2 m,樁間距2.5 m,樁排距3.5 m,樁體嵌固段深度9.8 m,樁間設置150 mm厚C30砼面板。樁間土及樁后填土采用花管注漿,增強土體抗剪強度。樁前臨水處設置4 m寬雷諾護墊。DE段支護剖面如圖3所示。

2.3 EF段支護方案對比與優化設計

EF段為原排口處,垂直邊坡支護面的有現狀混凝土排水管,管徑1.8 m,管壁厚150 mm,埋深約7.9 m。如果施工雙排樁,則灌注樁施工時可能會破壞原有混凝土排水管。

綜合地質條件與周邊環境,針對該段邊坡設計了“八字墻排口方案”與“泡沫混凝土擋墻方案”進行對比分析。

八字墻排口方案:邊坡上部采用錨桿格構梁支護,下部設置鋼筋混凝土八字墻排口,八字墻基礎型式為樁基礎,共設4根機械旋挖孔灌注樁,樁徑1.0 m,以強風化或全風化礫巖為樁端持力層。支護剖面圖如圖4所示。

圖3 DE段支護剖面圖Fig.3 DE section support profile

泡沫混凝土擋墻方案:采用泡沫混凝土替換原邊坡坡體填土,泡沫混凝土臺階狀布置,臺階寬度2 m,支護高度約6.4 m。DE段雙排樁樁頂冠梁延伸至F點,嵌入泡沫混凝土擋墻頂部,形成一個支護整體。采用密度等級A10(天然密度為1.0 g/cm3)的泡沫混凝土,置換該區域的雜填土,不會增加D1500排水管上部的附加應力,同時當圭塘河河水上漲時,泡沫混凝土不至于上浮。支護剖面圖如圖5所示。

采用吸水率等級為MW10、強度等級為FC4的泡沫混凝土,吸水率<10%,抗壓強度標準值≥4.0 MPa。施工過程中,在擋土墻的基槽中采用掛網噴砼,噴砼C20厚100,φ6.5@200×200單層雙向配筋,坡面設置C30現澆砼面板,厚150 mm,φ8@200×200雙層雙向配筋,將泡沫混凝土擋墻的四周及頂、底面進行有效封閉,防止河水及地下水滲入。

若采用“八字墻排口方案”,需要到圭塘河河床處施工旋挖鉆孔灌注樁,施工存在較大難度,同時八字墻排口存在工程量較大、影響河道景觀等缺點。

若采用“泡沫混凝土擋墻方案”,取消混凝土結構的八字墻排口和河床處的旋挖鉆孔灌注樁,采用臺階狀泡沫混凝土擋墻替換原有雜填土,在控制泡沫混凝土密度與做好泡沫混凝土四周防水封閉的情況下,能夠較大程度地縮短支護工期與造價,同時保證良好的河道景觀效果。對泡沫混凝土擋墻進行抗滑移與抗傾覆穩定性計算,其安全系數達到規范要求。

3 施工技術要求及邊坡監測

3.1 泡沫混凝土施工技術要求

泡沫混凝土強度等級FC4,抗壓強度標準值≥4.0 MPa;泡沫混凝土密度等級A10,吸水率等級MW10,吸水率<10%。泡沫混凝土采用普通硅酸鹽水泥,其強度等級應為42.5級及以上。泡沫混凝土澆筑宜分層澆筑,單層澆筑設計厚度宜為0.5 m。泡沫混凝土擋墻施工時照片如圖6所示。

發泡劑宜采用合成類高分子表面活性劑。發泡劑外觀應均勻透明,常溫條件下無異物析出或沉淀,無異味或刺激性氣味,對環境無不良影響。發泡劑發泡產生的泡沫大小均勻且細密,直徑應<1.0 mm。發泡劑應有出廠合格證及質量檢驗證明書。

圖4 EF段支護剖面圖(八字墻排口方案)Fig.4 EF section support section

圖5 EF段支護剖面圖(泡沫混凝土擋墻方案)Fig.5 EF section supporting section plan

3.2 邊坡工程監測

共設置沉降與位移監測點9個,其中2個位于DE段支護結構頂部,3個位于EF段支護結構頂部,2個位于坡頂處市政道路處,2個位于支護結構南側與北側的已有毛石擋墻墻頂。根據施工期間與工程竣工后的監測情況,EF段監測點最大累計沉降為6.5 mm,最大累計位移為5.8 mm。監測結果表明,邊坡工程穩定性良好。為確保該邊坡治理工程在運行過程中的安全穩定,工程竣工后應繼續對該邊坡工程進行沉降與位移監測,監測時間不少于2年[6]。泡沫混凝土擋墻澆筑后照片如圖7所示。

4 結論

結合工程監測結果,將泡沫混凝土擋墻用于深厚填土區域邊坡治理工程中,具有經濟、方便施工、穩定性良好等優點,滿足邊坡治理的要求。

(1) 泡沫混凝土的密度較小,而且能夠在一定范圍內對其密度進行調節。在深厚填土邊坡支護工程中,采用臺階狀泡沫混凝土擋墻進行有效支護,替換原有土體,能夠較大程度地減小擋墻底部的基底壓力,同時在涉水工況下,可以控制泡沫混凝土不產生向上的浮力。

圖6 泡沫混凝土擋墻施工時照片Fig.6 Photo of foam concrete retaining wall in construction

圖7 泡沫混凝土擋墻澆筑后照片Fig.7 Photo of foam concrete retaining wall after pouring

(2) 泡沫混凝土存在吸水率大、易開裂等缺點,若將泡沫混凝土用于支護施工中,應采用合理的施工工藝控制其吸水率與強度等級達到設計要求,同時做好泡沫混凝土四周的防水封閉工作。

(3) 泡沫混凝土擋墻對周邊環境影響較小,能夠適用于狹窄的施工場地,并且施工方便、快捷,能夠有效地縮短工期,節約工程造價。

(4) 該邊坡治理工程已經竣工,并進行了沉降與位移監測,施工期間與工程竣工后的監測數據表明,臺階狀泡沫混凝土擋土墻支護體系是穩定的,治理后的邊坡是穩定安全的。

(5) 為確保臺階狀泡沫混凝土擋墻支護體系在使用過程中的穩定,工程竣工后應繼續對該支護體系進行工程監測,一旦發現異常,及時采取“沙袋反壓坡腳”等應急措施。