泡沫輕質土在高速公路施工中的應用

盧春莎

泡沫輕質土具有輕質、高強等優良特性，對于高速公路的路基沉降具有一定的減緩作用。文章介紹了泡沫輕質土的制備工藝流程，分析了其技術特性，并通過試驗對泡沫輕質土的密度與抗壓度指標進行了綜合論證。試驗結果表明，泡沫輕質土對于高速公路的路基沉降具有一定的抑制作用，工程應用價值顯著。

泡沫輕質土;高速公路;施工

U416.211-A-07-021-3

0?引言

軟土地質構造一般具有低強度和低滲透性等特點，隨著高速公路車輛載荷的不斷增加，對于高速公路車輛日常通行的安全性帶來一定隱患。為此，應充分重視高速公路施工中軟土路基的工后沉降情況。目前，在高速公路施工中較為常見的做法是通過對地基改良和優化的方式來減少工后沉降，但對于軟土較深的區域而言，其工程量大、造價高、施工周期長，且最終的處理效果不是十分理想。而泡沫輕質土是通過物理方式將發泡劑的水溶液制備成泡沫，并與水泥基膠凝原料、水、拌和料以及外加劑按一定配比進行混合攪拌，最終形成一種工程性能較為優良的輕質施工材料。本文將泡沫輕質土應用到高速公路的路基填筑施工中，為有效控制軟土區域高速公路路基的沉降開辟了新的研究思路[1]。

1?泡沫輕質土工藝流程和技術特性

1.1?工藝流程

泡沫輕質土是一種新型的輕質施工材料，由特定生產設備將發泡劑溶液制成泡沫，并與水泥基膠凝材料、可選集料、拌和料、添加劑等按一定比例混合組成，澆筑硬化后的強度能夠滿足施工需求。其制作的工藝流程如圖1所示。

1.2?技術特性

泡沫輕質土主要由氣體、液體以及固體等多相介質組成，屬于多孔的介質材料，其硬化后含有大量、致密、微小的密閉氣泡群，且這類微小孔隙彼此不聯通，受力骨架為膠凝材料以及拌和料硬化后形成，多孔性是其主要結構特性。由于泡沫輕質土屬于水泥類材料的一種，因此，在制備和使用的過程中具有水泥類材料的工程特性，即凝結性，包括初凝和終凝時間。泡沫輕質土屬水硬性材料，增重系數隨著齡期的增長而增長[2]。泡沫輕質土內部分布大量閉合的膠質氣泡使得其比重相對于常規施工材料較小，由于各類工程的特殊需要，可通過調整材料中氣泡、固化劑以及土的比例來達到工程應用的目的。泡沫輕質土容重一般介于5～12 kN/m3。常見施工材料的容重對比分析如表1所示。

2?泡沫輕質土密度與抗壓度性能分析

泡沫輕質土澆筑在地下水位之上時，其濕密度可由膠凝原料、水以及泡沫量多少而進行調整和優化。但在地下水位之下進行澆筑并伴有水浸泡的情況時，應首先考慮水分對其密度和抗壓度的影響。

2.1?試驗過程

為研究泡沫輕質土密度和抗壓度與浸水天數之間的關系，擬配置3種級別的濕密度，分別在水中浸泡1周、4周、8周和12周，監測其浸水后密度的變化情況，并對其進行極限抗壓度試驗。本次試驗過程中，水灰比為0.5，選取水泥漿液質量的0.5%來作為減水劑用量，而發泡劑濃度選為2%，但穩泡劑應控制在發泡劑水溶液的0.1%以內。另外，為獲得各種密度的泡沫輕質土試驗樣本，應變化泡沫與漿液之間的質量比，且為有效屏蔽試驗過程中的離散特性，應分別制備5組試驗塊，各組分配3個平行試驗塊，使用其中1組試驗塊來分析浸水天數與增重情況的關系，另外4組試驗塊用來測量浸水1周、4周、8周和12周的極限抗壓度，最終取3個平行試驗塊的均值作為試驗結果[3]。

2.2?試驗結果

不同試驗塊在浸水1周、4周、8周和12周后的濕密度變化情況如表2所示。

由表2中的試驗數據可知，泡沫輕質土在浸水后由于吸水使得其容重增加，且泡沫輕質土的增重系數隨時間的增加而減小，增重系數所增加的幅度也隨著時間的增加而變小，反映了泡沫輕質土在浸水后的變化特性，最終逐漸接近飽和的穩定狀態。試驗結果說明：濕密度為541.2 kg/m3的泡沫輕質土經過1～12周的浸水后，增重系數為14.67%～25.06%;濕密度為642.3 kg/m3的泡沫輕質土經過1～12周的浸水后，增重系數為12.19%～20.69%;濕密度為761.9 kg/m3的泡沫輕質土經過1～12周的浸水后，增重系數為9.61%～18.77%[4]。

3?有限元模型分析

3.1?有限元模型搭建

泡沫輕質土具有密度低、強度高等優良工程特性。基于泡沫輕質土的輕質、高強特性，通過ABAQUS有限元分析軟件來搭建填土堆載模型，對高速公路軟土路基進行數值模擬計算，分析泡沫輕質土填料在高速公路軟土路基施工后的沉降程度，進而驗證采用泡沫輕質土填料在軟土路基施工中的優勢[5]。

3.2?模型基本假定

通常情況下，軟土地基的沉降問題中包括形變和滲流等三維空間問題，但在路基堆載情況下，軟土地基沉降問題則轉化為平面應變的滲流問題。為此，在進行數值模擬計算時應做以下基本假定：

（1）土體是均勻、同性并且飽和的。

（2）沉降過程中土體滲透系數和壓縮系數均為常數。

（3）土顆粒以及孔隙水不可壓縮，而孔隙體積的減小決定了土體的壓縮程度。

（4）忽略其他部分的沉降，僅考慮軟土地基的沉降。

（5）孔隙水滲透流動滿足達西定律。

3.3?計算步驟

由同類工程施工現場實測數據及相關文獻可知，在有限元模型計算過程中，所選取的材料力學參照指標如下頁表3所示。通過對比該參照指標列表，能夠分析出有限元模擬過程中的計算偏差，進一步進行數據糾正后得出較為精確的試驗數據。

3.4?填土堆載分析

在對高速公路路基填筑過程進行模擬分析時，應考慮其實際加載過程的連續性，對有限元分析模型使用分階段加載方式，利用ABAQUS軟件自帶的判據單元特性，將填土作為新增單元，由具體的模擬時長來完成計算過程。計算過程中采用五級式方案施加路基填土，計劃在第58 d完成路基填土，第71 d開始進行高速公路載荷能力試驗，以第70 d為起點分析高速公路路基的工后沉降。填土時間、填土高度以及累計填土高度數據如表4所示。路基填筑過程的高度變化如圖2所示。

由圖2可知，路基的填筑高度在各個時間段中較為均勻，經過70 d的填筑工序，使路基最終填筑高度為4.6 m。

4?高速公路泡沫輕質土路基沉降分析

圖3為泡沫輕質土路基最終的縱向應力云圖。由圖3可知，泡沫輕質土路基縱向應力主要分布在車輛下方載荷位置的兩側，一般情況下為均勻分布。這一方面說明泡沫輕質土路基在高速公路車輛載荷作用下的受力較為均勻，且由載荷中心位置向兩側延伸;另一方面說明了泡沫輕質土對于高速公路路基的進一步沉降具有一定的抑制作用，工程應用效果較為明顯。

圖3?泡沫輕質土路基最終縱向應力云圖

圖4為泡沫輕質土路基頂部最終縱向應力的橫向曲線圖。由圖4可知，路基最大的縱向應力出現在中心下方路基頂部，其值約為36.2 kPa，相對于泡沫輕質土抗壓強度較低。這表明在采用泡沫輕質土實現路基的填筑方案中，路基所受的應力滿足泡沫輕質土強度的要求[6]。

圖4?泡沫輕質土路基頂部最終縱向應力的橫向曲線圖

5?結語

高速公路的路基沉降對于車輛的通行帶來一定的安全隱患，是近年來高速公路交通事故的主要原因，尤其是對于軟土地區的高速公路而言，這種安全隱患尤為突出。為此，提高高速公路路基的穩定性具有重要意義。本文詳細研究了泡沫輕質土的工程特

性，論證了其應用于減緩高速公路路基沉降中的可行性，認為泡沫輕質土可廣泛應用于高速公路路基沉降的控制方案中，在軟土地區的施工中應用效果更為明顯。

[1]閆華文，項小偉.泡沫輕質土的環境耐久性試驗[J].長沙理工大學學報（自然科學版），2019，16（3）：34-40，89.

[2]尹富秋.泡沫輕質土頂部底基層施工工藝研究[J].城市道橋與防洪，2019（8）：185-187.

[3]張星全.泡沫輕質填土路基變形特點及施工技術分析[J].山西建筑，2019，45（13）：114-115.

[4]顧京偉.泡沫輕質土施工質量控制要點[J/OL].居舍，2019（13）.

[5]姜啟珍，陳忠平，汪建斌，等.軟基路堤換填輕質土厚度確定方法[J].公路，2019，64（4）：84-88.

[6]閆振甲. 泡沫混凝土發展狀況與發展趨勢[J]. 墻材革新與建筑節能，2011（6）：19-23.