輕質泡沫土在路堤工程中的應用研究

作者簡介：

陳金北（1985—），工程師，主要從事高速公路路基橋梁施工技術管理工作。

文章采用室內試驗研究了輕質泡沫土材料的抗壓強度、抗折強度參數。試驗結果表明，輕質泡沫土的抗壓強度、抗折強度隨著材料水固比的減小而增大，這主要與材料的水泥用量有關。同時，為了處理原設計方案遇強降雨垮塌的問題，提出使用輕質泡沫土換填的方案。經過數值模擬分析可知，采用輕質泡沫土材料可有效控制路堤沉降量，路面完成后的沉降量為普通填土材料的31.8%。

輕質泡沫土;抗壓強度;抗折強度;數值模擬

U416.1+2A030093

0 引言

輕質泡沫土是一種較為常用的工程材料，其主要特點是強度大、質量輕[1-2]。工程材料的抗壓強度、抗折強度是極為重要的力學參數，目前，為了獲取這兩種參數，通常采用室內力學試驗的方法，通過試驗結果計算獲取參數[3-4]。在山區公路修建過程中，挖填方路堤是一種極為常見的路堤形式，由于山區地質條件復雜，軟土分布范圍廣、厚度大，承載力低，易發生沉降，且在強降雨工況下極易出現垮塌破壞[5-6]。目前，研究路基沉降的方法主要為數值模擬法，通過建立數值模擬模型，可分析不同施工階段的沉降結果[7-8]。結合某公路路堤工程，對輕質泡沫土的力學性質進行測試分析，采用數值模擬方法分析路堤沉降結果。

1 工程概況

工程位置在擬建道路樁號K0+000～K0+114之間。道路邊坡最大高度超過40 m，其中最大填筑高度超過35 m。結合場地周邊地質環境條件，邊坡采用分層填筑，共分為4階，結合工程經驗，從上至下坡率依次為1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0、1∶2.0，在坡面設置拱形骨架以保證邊坡工程安全。目前，路堤已經完成下部兩臺階的填筑工作，即將進行上部填筑。受工程所在地連續強降雨的影響，填筑土含水率較高，巖土體力學性質劣化。

2 輕質泡沫土基本力學性能

2.1 抗壓強度

抗壓強度是材料的重要強度參數，對路堤的變形具有較大的影響。根據規范要求，輕質泡沫土抗壓強度試樣尺寸采用邊長為10 cm的正方體試塊。無側限抗壓強度試驗

主要步驟如下：

（1）檢查試塊完整性，有明顯缺口、裂縫的試塊不可用于試驗。

（2）測量試塊的尺寸，將試塊置于壓力機中心區域。

（3）開啟壓力機，按照2 kN/s（50 mm/min）的速度增大荷載直至試塊破壞，記錄試塊破壞荷載P。

（4）采用式（1）計算無側限抗壓強度：

qu=PA（1）

式中：

qu——試件的抗壓強度（MPa）;

P——破壞荷載（N）;

A——承壓面積（mm2）。

多次試驗后的試驗結果統計如表1所示。

根據表1數據，繪制水固比與無側限抗壓強度關系曲線，如圖1所示，隨著水固比的減小，輕質泡沫土的無側限抗壓強度呈現增大的趨勢。水固比對該材料的無側限抗壓強度具有較大的影響。主要原因如下：隨著水固比的減小，輕質泡沫土材料的水泥用量正在不斷提高，水的用量在減少，造成材料孔隙率減少;在實際工程中，輕質泡沫土強度參數主要受到水泥膠結的影響。因此，輕質泡沫土的抗壓強度與水固比成反比例關系。

2.2 抗折強度

抗折強度是輕質泡沫土材料抗彎能力的反應，亦可稱為斷裂模量。該參數也是材料韌性的直接反應，表明了單位面積受彎矩作用時的極限折斷應力。為了測試輕質泡沫土的抗折強度，試塊尺寸設置為15 cm×15 cm×60 cm。主要試驗步驟如下：

（1）檢查試塊完整性，有明顯缺口、裂縫的試塊不可用于試驗。

（2）測量試塊的尺寸，將試塊置于壓力機中心區域。

（3）開啟壓力機，按照50±10 N/s的抗折速率增大荷載直至試塊破壞，保存并記錄數據。

（4）采用式（2）計算抗折強度：

ff=PLbh2（2）

式中：

ff——抗折強度（MPa）;

P——極限荷載（N）;

L——支座距離（mm）;

b 、h——試件寬度、高度（mm）。

試驗結果統計如表2所示。

根據表2數據，繪制無側限抗壓強度與抗折強度的關系曲線，如圖2所示，輕質泡沫土的無抗折強度與無側限抗壓強度參數呈正比關系，隨著無側限抗壓強度的增大，抗折強度也有所提升，兩者之間滿足如下關系：ff=0.228 9qu+0.191 9（R2=0.98）。由于抗折強度與無側限抗壓強度之間呈現出較為顯著的正相關關系，因此，抗折強度與水固比的關系同無側限抗壓強度與水固比的關系。

2.3 彈性模量和CBR特性

材料的彈性模量和CBR特性在工程中是一種十分重要的參數，受實驗條件限制，本次未進行室內試驗。根據《現澆泡沫輕質土技術規程》可知，輕質泡沫土的彈性模量Ec和無側限抗壓強度成線性相關關系，兩者滿足式（3）：

Ec=（200～250）qu（3）

根據《公路路基設計規范》可知CBR特性與無側限抗壓強度參數滿足式（4）：

CBR=25.4qu-0.762（4）

式中：CBR單位為%，

抗壓強度單位為 MPa。

3 輕質泡沫土路堤治理工程設計

在實施輕質泡沫土方案之前，首先需要對工程所在區域的軟土地基沉降數據進行觀測，只有當軟土沉降結果滿足相關規范、技術要求后，方可實施輕質泡沫土換填路堤的方案。結合原設計方案，輕質泡沫土路堤方案設計典型斷面如圖3所示。

由于按照原設計方案填筑路堤過程中遭受了連續的強降雨天氣，導致填筑的路堤出現了一定的滑動破壞跡象，滑動面見圖3中的虛線。為了采用輕質泡沫土方案，對現狀開挖的斷面采用EVA+巖土封閉處理，防止雨水下滲，造成巖土體進一步劣化。之后清除斷面表層軟弱土體后，根據設計斷面填筑輕質泡沫土。坡體下部間隔5 m設置一處排水孔。

結合場地地質情況建立數值模擬模型（見圖4），分析普通填土路基與輕質泡沫土路基的變形情況。采用分層填筑的方法，研究填筑至不同層的沉降情況。完成第1層填筑作業后，普通填土路堤的沉降量為1.85 cm，采用輕質泡沫土填筑的路堤沉降量為1.31 cm;完成第3層填筑作業時，普通填土路堤的沉降量為4.12 cm，采用輕質泡沫土填筑的路堤沉降量為1.95 cm;完成第5層填筑作業時，普通填土路堤的沉降量為6.57 cm，采用輕質泡沫土填筑的路堤沉降量為2.70 cm;完成第10層填筑作業時，普通填土路堤的沉降量為13.65 cm，采用輕質泡沫土填筑的路堤沉降量為3.98 cm;完成第13層填筑作業時，普通填土路堤的沉降量為18.79 cm，采用輕質泡沫土填筑的路堤沉降量為4.96 cm;完成第15層填筑作業時，普通填土路堤的沉降量為23.66 cm，采用輕質泡沫土填筑的路堤沉降量為7.54 cm。根據圖4沉降變形模擬結果可知，普通填土路堤隨著填筑層數的增大，變形沉降量增大速率遠大于輕質泡沫土路堤。采用輕質泡沫土材料填筑的路堤沉降量僅為普通填土路堤沉降量的31.8%，采用輕質泡沫土材料有助于控制軟土路基沉降量較大的缺陷，有助于保證道路沉降滿足要求。

4 結語

（1）根據室內試驗結果可以得知，輕質泡沫土的抗壓強度、抗折強度與水固比成反比。隨著水固比增大，抗壓強度、抗折強度均有所減少。出現這一現象的主要原因是水固比增大意味著輕質泡沫土水泥用量減少，從而降低了輕質泡沫土的韌性和強度。

（2）采用原設計方案現場路堤出現了滑塌現象，因此，提出采用輕質泡沫土換填路堤的方案加以處

理。根據有限元數值模擬結果可知，換填輕質泡沫土后，路堤的沉降量得到了有效的控制。

[1]楊 偉.泡沫輕質土在軟土地基道路改擴建中的應用[J].合成材料老化與應用，2020，49（5）：94-96，130.

[2]熊洪建.泡沫輕質土在公路軟土地基中的應用效果分析[J].福建交通科技，2020（5）：36-38，77.

[3]王 坤.聚丙烯纖維對再生混凝土力學及收縮性能影響研究[J].福建交通科技，2020（6）：38-41.

[4]張 璐，李海洲，任皎龍.100%再生黏土磚骨料混凝土抗壓強度的試驗研究[J].混凝土，2020（11）：79-82，88.

[5]邵 迪.斜坡軟土路堤穩定性研究及地基處理分析[D].大連：大連交通大學，2018.

[6]龍 森，劉 品，單 浩.山區典型軟土路基穩定性影響因素敏感性分析[J].科學技術與工程，2018，18（14）：60-66.

[7]李 偉，孫肇坤，趙 鑫，等.袋裝土平鋪層數對路基沉降影響的數值模擬研究[J].水利與建筑工程學報，2020，18（5）：54-59.