泡沫輕質(zhì)土在橋頭地基處理中的應(yīng)用

代茂華，王 博

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300392）

泡沫輕質(zhì)土是指用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制成泡沫，與水泥漿（必要時(shí)可添加外加劑）按照一定比例混合攪拌并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料[1]。相比常規(guī)路基填料，泡沫輕質(zhì)土因具有眾多優(yōu)良的工程特性，逐漸應(yīng)用于公路工程領(lǐng)域，為解決橋梁路基銜接段路基沉陷、橋頭跳車等問題提供了新思路。同時(shí)，泡沫輕質(zhì)土所用原材料較常見，施工簡易、環(huán)保，具有十分廣闊的應(yīng)用前景[2～4]。

1 工程概況

塘承高速公路一期工程，全長66.5 km，為平原微丘區(qū)、全封閉、全立交高速公路。受征地拆遷影響，一標(biāo)段一直未建成，其余標(biāo)段在8 a前已建成通車，兩段分界點(diǎn)為一處通道橋且已建成。

重啟建設(shè)時(shí)，與已建通道橋搭接處的建設(shè)條件發(fā)生了較大變化。橋頭100 m范圍內(nèi)需設(shè)置一座過水涵洞和一座石油管線保護(hù)蓋板涵。過水涵洞采用1-φ2.0 m鋼筋混凝土圓管涵，交角20°；石油管線保護(hù)蓋板涵為1-3.4 m×2.0 m，交角20°且石油管線兩側(cè)各10 m范圍不能攪動(dòng)原狀土。原施工圖設(shè)計(jì)的橋頭采用10%石灰土與高壓懸噴樁常規(guī)處理方案不再適用。

2 工程難點(diǎn)

1）由于路基填土與橋面混凝土二者剛度及模量相差較大，路橋銜接處易產(chǎn)生沉降，出現(xiàn)橋頭跳車現(xiàn)象，嚴(yán)重影響行車舒適及安全。

2）由于該路段內(nèi)存在間距較小的箱涵通道及圓管涵，導(dǎo)致施工作業(yè)面較小，石油管線兩側(cè)各10 m范圍內(nèi)不能采用樁式復(fù)合地基法進(jìn)行軟土地基處理。

3）為確保石油管線保護(hù)涵整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，應(yīng)盡可能減小其上部荷載。

4）采用常規(guī)填土?xí)?duì)8 a前建成的通道橋橋臺(tái)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的縱向擠壓，影響構(gòu)造物的安全。

3 地基方案選擇

3.1 泡沫輕質(zhì)土特性

1）輕質(zhì)性。由于泡沫輕質(zhì)土中充填有封閉泡沫孔，因此其堆積密度比常規(guī)填料小得多，達(dá)到減輕填料自重，減小地基應(yīng)力的效果。

2）重度和強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性。通過控制泡沫輕質(zhì)土中膠凝材料及發(fā)泡劑的含量，可以滿足不同工程項(xiàng)目的要求。一般情況下，泡沫輕質(zhì)土重度可在5～12 kN/m3范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可控制在0.3～5 MPa[5]；同時(shí)，還可針對(duì)工程實(shí)際情況添加其他摻料，如防水劑、粉煤灰等。

3）直立性。泡沫輕質(zhì)土具有良好的固化自立性，土體側(cè)向變形較小；可以大大減小對(duì)公路結(jié)構(gòu)體的側(cè)向壓力，大幅縮減占地面積。

4）施工便捷性。由于泡沫輕質(zhì)土流動(dòng)性良好，澆筑后無需采用大型機(jī)械進(jìn)行碾壓或振搗，可自流平成型，更加高效、便捷。

5）良好的環(huán)保性。泡沫輕質(zhì)土的主要原材料為水泥、水及發(fā)泡劑，不含苯、甲醛等有害污染物。

6）其他特性。除上述提及的特性，泡沫輕質(zhì)土還具有一定的隔熱性、防腐性、耐久性等。

3.2 適用性分析

針對(duì)該路段實(shí)際工程難點(diǎn)及問題，結(jié)合泡沫輕質(zhì)土的特性，考慮采用泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行橋頭路基填筑。

1）剛?cè)徇^渡。相較于軟土路基，泡沫輕質(zhì)土具有一定的剛度，能夠緩解橋梁與路基銜接段的剛性突變。

2）減小附加應(yīng)力，減少橋頭路基段變形沉降。對(duì)于常見的軟土地基沉降，可以采用有效應(yīng)力原理進(jìn)行解釋說明。在路基形成初期，由于軟基中的孔隙水來不及排出，土基所受附加應(yīng)力主要由超孔隙水壓力承擔(dān)；隨著土體中自由水被不斷排出，土體體積不斷壓縮，土顆粒緊密接觸，土基所受外界應(yīng)力主要由土體骨架間有效應(yīng)力承擔(dān)；當(dāng)土體中附加應(yīng)力與有效應(yīng)力相等時(shí)，變形沉降完成?？梢钥闯?，土體所受附加應(yīng)力的大小決定了軟土地基最終沉降量。由于泡沫輕質(zhì)土的輕質(zhì)性，大幅降低了地基中附加應(yīng)力，減小橋頭路基段的工后沉降，有效緩解橋頭跳車現(xiàn)象。

3）填料自重降低，減小路基中埋設(shè)結(jié)構(gòu)物所受荷載。由于本項(xiàng)目橋頭路基中埋設(shè)有石油管線，不宜承受較大的上部荷載，采用泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行路基填筑能夠大幅降低石油管線上部填料自重，改善管體受力狀態(tài)，提高整體穩(wěn)定性。

4）由于泡沫輕質(zhì)土具有良好的固化自立性，土體側(cè)向變形較小，大幅減小了對(duì)已有通道橋的側(cè)向壓力，有利于已有結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定。

3.3 方案確定

橋頭路基采用泡沫輕質(zhì)土填筑，橋梁路基銜接段路基處理見圖1。

圖1 橋頭路基處理斷面

4 施工技術(shù)要求

4.1 材料要求

4.1.1 發(fā)泡劑

發(fā)泡劑是制作泡沫輕質(zhì)土的關(guān)鍵材料，其性能與質(zhì)量的好壞直接影響泡沫輕質(zhì)土的品質(zhì)。發(fā)泡劑質(zhì)量好壞主要參照稀釋倍率、發(fā)泡倍率及標(biāo)準(zhǔn)泡沫沁水率等指標(biāo)。見表1[1]。

表1 發(fā)泡劑性能指標(biāo)

目前市面上常見的發(fā)泡劑包括界面活性類、蛋白類及樹脂肥皂系列等，其中以界面活性類發(fā)泡劑的性能較好[6]。

4.1.2 路基允許密度

考慮到不同路堤部位的強(qiáng)度要求及質(zhì)量均勻性，提出不同的泡沫輕質(zhì)土施工濕密度范圍要求，確保施工單位合理控制濕密度。見表2[1]。

表2 泡沫輕質(zhì)土路基允許密度kg/m3

4.1.3路基抗壓強(qiáng)度

公路現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)采用抗壓強(qiáng)度，路堤的不同部位抗壓強(qiáng)度應(yīng)滿足表3[1]。

表3 泡沫輕質(zhì)土路基強(qiáng)度

4.2 施工工藝

4.2.1 施工設(shè)備

1）在發(fā)泡裝置中將壓縮空氣與發(fā)泡劑水溶液混合生成泡沫，嚴(yán)禁利用攪拌等方式生成泡沫。

2）為在拌和制作泡沫輕質(zhì)土過程中，能夠根據(jù)需要及時(shí)調(diào)節(jié)水泥（砂）漿或泡沫流量，制作設(shè)備應(yīng)具有原材料自動(dòng)化計(jì)量功能。

3）單套發(fā)泡裝置產(chǎn)能≮60 m3/h，單臺(tái)水泥漿輸送泵產(chǎn)能≮30 m3/h，單臺(tái)輕質(zhì)土輸送設(shè)備產(chǎn)能≮90 m3/h。

4.2.2 施工注意事項(xiàng)

泡沫輕質(zhì)土澆筑施工前，應(yīng)進(jìn)行必要的基底處理，保證基底土層壓實(shí)度不低于90%。分層澆筑且單層澆筑厚度按0.6 m控制，沿澆筑區(qū)長軸方向自一端向另一端澆筑，如采用多條澆筑管澆筑，可并排地從一端開始或采用對(duì)角的澆筑方式。需要移動(dòng)澆筑管時(shí)，應(yīng)盡量沿澆筑管放置方向前后移動(dòng)，避免左右移動(dòng)。路床部位每層澆筑完畢后應(yīng)覆蓋塑料薄膜，進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)；最后一層澆覆蓋完畢后，養(yǎng)護(hù)齡期不少于7 d。另外，對(duì)于未固化的泡沫輕質(zhì)土應(yīng)避免雨水浸泡而出現(xiàn)消泡。

5 質(zhì)量檢測與控制

5.1 開工前的原材料檢驗(yàn)

1）對(duì)水泥、粉煤灰、施工用水及發(fā)泡劑進(jìn)行有見證的消泡試驗(yàn)，以確定發(fā)泡劑與其他材料的適應(yīng)性；泡沫輕質(zhì)土濕密度增加率不超過10%。

2）當(dāng)施工配合比強(qiáng)度試驗(yàn)和消泡試驗(yàn)均滿足要求時(shí)，原材料可不做進(jìn)場復(fù)驗(yàn)，但應(yīng)提供水泥出廠合格報(bào)告以備隨時(shí)查詢；監(jiān)理單位認(rèn)為有必要做水泥進(jìn)場復(fù)驗(yàn)時(shí)，施工單位應(yīng)無條件服從。

3）現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基所采用的土工織物、防滲土工膜應(yīng)符合國家相關(guān)規(guī)范的要求，進(jìn)場應(yīng)出具出廠合格證，但可不做進(jìn)場檢驗(yàn)。

5.2 固化后的試驗(yàn)檢測

泡沫輕質(zhì)土固化后的檢測要點(diǎn)：固化后常規(guī)試驗(yàn)檢測指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度；每工作日應(yīng)取強(qiáng)度檢測試件2組，分別做7 d和28 d齡期強(qiáng)度檢測；抗壓強(qiáng)度檢測試件應(yīng)在澆筑點(diǎn)出料口制取，制取時(shí)應(yīng)量測并記錄濕密度；試件為邊長100 mm的立方體，3個(gè)試件為1組；制取后，置于20～25℃的環(huán)境中養(yǎng)生。

抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)應(yīng)滿足

式中：qμn——n組試件抗壓強(qiáng)度平均值，MPa；

qmin——n組試件中抗壓強(qiáng)度最低值，MPa；

qc——抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。

6 結(jié)語

1）泡沫輕質(zhì)土良好的工程特性為解決橋頭跳車、路基沉降等問題提供了新思路。

2）路域范圍內(nèi)存在有限制碾壓的工程構(gòu)筑物的工況時(shí)可推廣使用。

3）泡沫輕質(zhì)土施工過程應(yīng)嚴(yán)格把控具體技術(shù)要求，包括材料要求及施工工藝等。