路基臺背回填施工中氣泡混合輕質土的應用研究

邱雨生

(中國公路工程咨詢集團有限公司 北京市 100089)

0 引言

在行車荷載及自然環境影響下，臺背路基與橋臺結構物產生不均勻沉降，車輛在路面與橋面連接處經常發生跳車現象[1-3]，對此，科學預防橋頭跳車現象的發生已成為公路工程建設中不可忽略的重要問題。高速公路設計中，可在橋臺結構物與路基之間設置一層鋼筋混凝土梁板，但在行車荷載長期作用下梁板易發生斷裂[4]；地基處理可選用碎石樁、沖擊碾壓等處置方法，但其施工周期長、造價高，無法較好地消除臺背路基壓縮沉降問題。當前，氣泡混合輕質土(簡稱“輕質土”)作為一種新型輕質填土材料，容重低于一般填土材料，強度高，可有效保證路基承載能力和變形穩定性，且施工簡便、綠色環保。針對公路工程輕質土性能及應用研究，國內外學者取得了一定成果。高英力等[5]研究了水泥摻量、礦粉摻量和用水量對礦粉氣泡混合輕質土抗壓強度和干縮性能影響規律，結果表明水泥摻量對輕質土性能影響最大，礦粉摻量次之；羅吉慶[6]結合輕質土在臺背回填、擋土墻等工程的應用，說明輕質土可有效解決施工空間受限、地基承載力不足、路基沉降變形等問題。李東民等[7]研究表明高填方淤地壩地基臺背回填輕質土，其承載能力及變形能力均滿足使用要求，有效避免橋頭跳車病害；劉勇等[8]研究了不同摻合料的氣泡混合輕質土的力學性能和穩定耐久性，建議路基設計標準較低時選用粉煤灰輕質土。

以上研究說明輕質土在軟土地基、陡坡路堤填筑、橋臺臺背回填等工程中應用效果良好，而當前對輕質土配合比設計研究較少，且較少考慮工程地質。因此，筆者結合地質勘察材料，通過室內試驗設計輕質土配合比，依托臺背回填輕質土路基試驗段評價其應用效果，可推廣輕質土的應用。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

土樣選用原狀高嶺土，取土深度為2m，主要化學成分為Al2O3、Fe2O3，天然含水率為7.6%，塑性指數為18。水泥選用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，技術性質見表1。外摻劑選用石灰巖礦粉和二級粉煤灰，技術性質見表2和表3。發泡劑選用植物蛋白-松香皂復合發泡劑，稀釋倍率為1∶40。水選用自來水。

表1 水泥技術性質

表2 礦粉技術性質

表3 粉煤灰技術性質

1.2 試驗方案

(1)輕質土配合比設計

通過室內吸水率試驗和無側限抗壓強度試驗，研究高嶺土摻量、濕密度對輕質土物理力學性質的影響規律，確定輕質土施工配合比。

結合試驗段地質勘察材料，參照《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》(CJJ/T 177-2012)設計輕質土，擬水灰比為55%，高嶺土摻量為20%、40%、60%。路床范圍內輕質土濕密度為700kg/m3，設計7d無側限抗壓強度為1.0MPa；其余區域輕質土濕密度為600kg/m3，設計7d無側限抗壓強度為0.8MPa[4]。輕質土設計配合比見表4，每組試驗采用3個平行試件。

表4 氣泡混合輕質土設計配合比

(2)輕質土應用評價

依托試驗段(路橋過渡段30m)，測定輕質土無側限抗壓強度及水穩系數，觀測路基沉降量，評價輕質土路基路用性能。

試驗段地表0.5m范圍內換填礫砂，上鋪20cm粉煤灰+20cm二灰土封層，埋設沉降板，再填筑預壓土至路基設計標高，待地基預壓穩定后，挖除預壓土換填氣泡混合輕質土至設計標高。

1.3 試件制備及養生

風干土樣過5mm圓孔篩，測定風干含水率備用，根據輕質土試件尺寸和設計配合比稱取試驗材料并進行拌和，混合料攪拌完成后，加入泡沫并繼續攪拌。混合料制備完成后，倒入模具，刮刀整平試件表面，置于室溫條件下養生2d后進行脫模，放于20℃±2℃、相對濕度95%以上的標準養護室養生至規定齡期。試件尺寸為100mm×100mm×100mm，吸水試驗擬養生齡期為28d，無側限抗壓強度試驗擬養生齡期為3d、7d、14d、28d、60d、90d。

1.4 性能測試方法

(1)吸水率

輕質土試件達到養生齡期后，測定初始質量m0并放入水中，并置于標準養護室，兩周后取出試件，用濕布擦拭試件表面水分，測定質量m1，按式(1)計算輕質土體積吸水率η。

(1)

式中：V—試件體積，cm3；

ρw—水的密度，1g/cm3。

(2)無側限抗壓強度

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)無側限抗壓強度試驗測定輕質土力學強度。儀器選用電子式萬能試驗機，加載速率為1mm/min。

(3)水穩系數

將輕質土試件分為兩組，一組試件按標準養生方法養生至規定齡期，測定其無側限抗壓強度；一組試件在達到養生齡期前一天，從養生室取出試件，浸入水中24h后，測定試件無側限抗壓強度。按式(2)計算輕質土水穩系數ρ。

ρ(n)=qc(n)/q0(n)×100

(2)

式中：ρ(n)—齡期d時的水穩系數，%；

qc(n)—齡期d時的浸水無側限抗壓強度，MPa；

q0(n)—齡期d時的不浸水無側限抗壓強度，MPa。

2 試驗結果與分析

2.1 輕質土配合比設計

2.1.1吸水率

輕質土體積吸水率見圖1。

圖1 輕質土體積吸水率

由圖1可知，不同濕密度的輕質土體積吸水率隨高嶺土摻量變化規律一致，隨高嶺土摻量增加，輕質土吸水率呈線性趨勢增長。高嶺土摻量增加10%，濕密度600kg/m3和700kg/m3的輕質土吸水率分別約增加4.5%、6.0%，這是因為濕密度一定時，高嶺土摻量增加，水泥摻量及其水泥產物減少，致使輕質土結構內部連通孔隙增多，從而吸水率逐漸增加。另外，同一高嶺土摻量的輕質土濕密度增大，其吸水率相對降低。這是因為濕密度較大的輕質土水泥用量增加，泡沫用量相對降低，致使輕質土結構內部連通孔隙減少，因此輕質土吸水率降低。

2.1.2力學強度

輕質土無側限抗壓強度見圖2。

圖2 輕質土無側限抗壓強度

由圖2可知：

(1)隨養生齡期增加，不同高嶺土摻量和濕密度的輕質土無側限抗壓強度增長規律一致，前28d抗壓強度增長速率明顯大于后期，當齡期>28d后，輕質土抗壓強度增長緩慢。且在養生齡期7d時，輕質土抗壓強度滿足設計要求；在養生齡期28d時，輕質土抗壓強度約為其90d抗壓強度的81.3%。這是因為隨養生齡期增加，水泥水化產物不斷生成，與土粒發生物理化學作用，致使其強度逐漸增長；而隨著水泥水化反應的進行，水泥熟料逐漸被消耗，從而抗壓強度增長速率減緩。

(2)同一養生齡期下，輕質土無側限抗壓強度與高嶺土摻量線性負相關，如圖3所示，高嶺土摻量增加10%，600kg/m3和700kg/m3的輕質土抗壓強度分別降低約9.5%和4.8%以上，說明輕質土濕密度增加，即水泥摻量增加，高嶺土摻量對輕質土抗壓強度影響減小。另外，同一高嶺土摻量下，濕密度700kg/m3的輕質土無側限抗壓強度較高，較濕密度600kg/m3的輕質土抗壓強度提高12.9%以上。這是由于輕質土濕密度增大，水泥摻量及其水化產物增加，水化硅酸鈣等膠凝材料與土粒的固結作用增強，從而抗壓強度提高。因此，建議輕質土高嶺土摻量為40%。

圖3 高嶺土摻量與輕質土無側限抗壓強度關系

2.2 輕質土應用評價

(1)力學性能

輕質土無側限抗壓強度見表5，養生齡期為7d、28d。

表5 輕質土無側限抗壓強度(單位：MPa)

由表5可知，路床及路床以下輕質土7d無側限抗壓強度平均值分別為1.29MPa、0.98MPa，即輕質土承載能力滿足路基強度設計要求，且在養生齡期28d時，路床及路床以下輕質土抗壓強度較其7d抗壓強度分別提高了約47.2%、54.6%，與室內養生條件下輕質土抗壓強度增長速率基本相當。

(2)水穩性能

氣泡混合輕質土水穩系數見圖4，養生齡期為7d、28d、60d、90d。

圖4 氣泡混合輕質土水穩系數

由圖4可知，輕質土水穩系數隨養生齡期增加呈增長趨勢，且水穩系數逐漸趨于穩定，前28d水穩系數增長速率快于后期，這與輕質土抗壓強度增長趨勢相關。另外，輕質土水穩系數在77%以上，當養生齡期由28d增至180d，路床及路床以下輕質土水穩系數分別提高了5.6%、5.4%，說明輕質土水穩性能良好。

(3)沉降量

臺背輕質土累計沉降量變化曲線見圖5。

圖5 輕質土累計沉降量

由圖5可知，輕質土路基累計沉降量隨時間延長逐漸增加至穩定值，在臺背填筑280d后，其累計沉降量約為0.80mm，小于《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)中路橋過渡段沉降標準，因此認為氣泡混合輕質土路基和地基未發生顯著沉降，即橋臺結構物與臺背回填路基之間不會產生差異沉降，可有效避免橋頭跳車。

3 結論

(1)輕質土濕密度越小，同齡期的體積吸水率相對越大；隨高嶺土摻量增加，同濕密度的輕質土體積吸水率呈線性增加，高嶺土摻量增加10%，輕質土體積吸水率至少提高約4.5%。

(2)隨養生齡期增加，不同高嶺土摻量和濕密度的輕質土無側限抗壓強度增長規律一致，養生前28d抗壓強度增長較顯著，28d抗壓強度約為90d抗壓強度的81.3%；隨高嶺土摻量增加，同齡期的輕質土無側限抗壓強度呈線性降低。

(3)臺背施工中填筑輕質土，路床及路床以下輕質土7d無側限抗壓強度滿足路基強度設計要求；輕質土水穩性能良好，隨養生齡期增加，輕質土水穩系數逐漸趨于穩定，其7d水穩系數在77%以上。

(4)臺背輕質土填筑280d后，輕質土路基累計沉降量趨于穩定，約為0.80mm，小于設計規范中路橋過渡段沉降標準，輕質土路基和地基未發生顯著沉降，可有效避免橋頭跳車。