鐵路泡沫輕質土路基結構設計應用研究

嚴 棟

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 前言

泡沫輕質土主要由泡沫、水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻合料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經物理、化學作用而硬化形成的一種輕質材料。泡沫輕質土具有輕質性、強度和密度可調性、高流動性、硬化后直立及施工便捷等特點，已廣泛應用于建筑、市政及公路等多個行業。

隨著高速鐵路的快速發展及路網系統逐漸形成，路基工程出現許多特殊疑難問題，如在狹窄空間內路基填筑質量控制、受限段深厚軟土地基沉降控制及新建高鐵引入既有高鐵車站的沉降控制等問題。其中新線接入既有高鐵站對無砟軌道路基進行幫寬填筑時，不僅要控制幫填路基的工后沉降，還要嚴格控制既有路基的工后沉降，同時還要保證既有高鐵的運營速度和運營安全。這對常規的地基處理及路基填筑質量提出了更高的技術要求及施工要求。

泡沫輕質土作為一種施工便捷的輕質材料，可有效減少路基荷載引起的附加應力，在軟土地基置換處理時可以有效控制路基沉降。這為解決高速鐵路路基填筑及沉降控制兩大難題提供了新的研究思路，也為鐵路路基結構研究提供了新方向。

隨著泡沫輕質土在鐵路路基結構上的逐步應用，尤其是在高速鐵路路基幫寬、軟土地基處理、過渡段差異沉降及狹窄空間內填筑等特殊條件地段的成功應用，積累了一定工程經驗，并取得了一些創新成果。本文通過梳理泡沫輕質土路基的應用研究成果，總結了鐵路泡沫輕質土路基結構性能、結構設計形式及設計方法。

2 鐵路泡沫輕質土路基的應用現狀

2.1 泡沫輕質土在杭州東站工程應用

杭州東站特殊路基工點位于站房地下通道與兩側出租車通道之間，沿線路方向長23～70 m，垂直線路方向寬約285 m，基坑開挖深7 m。坑底以下為30 m厚沖海積相軟土，在基坑內分布有各類工程樁，場地條件空間狹小，工程環境非常復雜。

為了解決路基過渡段工后差異沉降和狹小空間內回填壓實質量問題，經技術經濟比選，提出了樁板結構＋級配碎石及泡沫輕質土處理兩大方案，經專家論證，推薦采用了泡沫輕質土方案[1]。

設計斷面如圖1所示。設計泡沫輕質土施工濕密度為550～600 kg/m3，抗壓強度不小于0.8 MPa。

圖1 杭州東站基坑內泡沫輕質土填筑典型縱斷面圖

這是首次將大規模泡沫輕質土應用于高等級鐵路路基深厚軟土地基處理，豐富了鐵路軟土路基處理方法。開通運營以來，性能良好[2]。

2.2 泡沫輕質土在商合杭高鐵肥東站工程應用

商合杭鐵路引入合寧鐵路肥東站，新增商合杭正線位于肥東站股道兩側，需對既有路基進行幫寬處理；路基平均填高約6.2 m。下伏地層為沖積相黏土，軟塑～硬塑。

新增路基幫填易引起既有路基的附加沉降，進而影響既有線的正常運營。設計需考慮控制新建路堤填土對既有線路基沉降的影響。

經方案比選，基床以下路堤采用泡沫輕質土填筑，減輕路基填土荷載，從而減小對既有線路基的影響；并對下伏軟弱地基進行加固處理，滿足路基沉降控制及穩定性要求。

設計斷面如圖2所示。設計泡沫輕質土施工濕密度為600～700 kg/m3，抗壓強度不小于1.0 MPa。

圖2 商合杭肥東站正線路基泡沫輕質土幫填設計圖

現場施工監測結果表明，泡沫輕質土填筑施工完全不影響營業線安全運營，性能良好[3]。

2.3 無砟軌道路基幫寬的泡沫輕質土工程應用

石濟客專引入京滬高鐵德州東站路基幫寬設計時，采用泡沫輕質土澆筑，減少了對既有高鐵路基的沉降影響，確保了京滬高鐵的安全運營[4]。

雄安-忻州高鐵接入大西客專忻州西站，車站路基已鋪設無砟軌道，需對既有鐵路路基進行幫寬，為避免對既有無砟軌道的工后沉降造成影響，采用澆筑泡沫輕質土的方式進行既有路基幫填。通過泡沫輕質土路基的成功應用，顯著減小了路基幫填對既有大西客專線路的影響[5]。

魯南高鐵臨曲段接入京滬高鐵曲阜東站，為了避免幫寬引起附加沉降影響京滬高鐵的安全運營，采用了泡沫輕質土幫填澆筑，成功解決了新建鐵路接入京滬高鐵無砟軌道車場的難題，完善了鐵路泡沫輕質土路基的應用[6]。

3 泡沫輕質土路基結構性能設計研究

隨著泡沫輕質土在鐵路路基中逐步應用，針對泡沫輕質土的材料性能開展了一系列研究，包括基本物理力學性能、動力性能及耐久性能研究；并開展了鐵路泡沫輕質土路基結構室內大比例動態模型試驗研究。這些研究成果為鐵路泡沫輕質土路基結構應用提供了基本性能設計參數。

3.1 材料性能研究

泡沫輕質土根據設計要求應進行配合比試驗，主要設計指標由濕密度與強度控制。

泡沫輕質土在工程上常用濕密度范圍為500～1 000 kg/m3，其濕密度隨著膠凝材料含量增加而增大。當濕密度低于500 kg/m3的泡沫輕質土因泡沫含量過高，氣泡貫通率較高，耐久性較差，強度較低而失去其承載能力，故在工程中較為少見；而濕密度高于1 000 kg/m3的泡沫輕質土失去了其輕質特性的優勢。

泡沫輕質土抗壓強度隨著濕密度的增大而增大，一般范圍為0.5～4.0 MPa。目前，鐵路工程上應用的施工濕密度為550～700 kg/m3，強度等級不小于0.8 MPa。

(1)靜力學性能

泡沫輕質土力學性能由單位體積內的膠凝材料含量決定。泡沫輕質土在受壓過程中，其應力應變表現為強度范圍內彈性變形，超過強度后產生塑性變形，試件破壞[7]。隨著濕密度的增大，泡沫輕質土試塊的峰值強度、殘余強度、彈性模量都迅速增加。

(2)動力學性能

泡沫輕質土濕密度在500～700 kg/m3時，干燥狀態和含水飽和狀態的泡沫輕質土抗壓強度和動強度隨著其濕密度的增大而增大，并且其動靜強度之比分別為0.26～0.32倍和0.21～0.38倍之間，與普通巖土體材料動靜強度存在一定的比值范圍相類似，其中水對泡沫輕質土抗壓強度和動強度具有一定的影響[8]。

泡沫輕質土配合比濕密度達500 kg/m3后，其抗壓強度和動強度已遠大于高速鐵路無砟軌道路基基床表層和底層靜動應力實測值和理論值，說明在高速鐵路無砟軌道路基基床表層和底層靜應力環境下，配合比濕密度大于500 kg/m3的泡沫輕質土層骨架不會產生破壞[9]。但考慮高速鐵路無砟軌道路基動應力設計值及水對動強度影響，建議泡沫輕質土作為基床底層填料時其配合比濕密度取值不小于600 kg/m3。

自然干燥狀態和含水飽和狀態的泡沫輕質土動彈性模量隨著其濕密度的增大而增大，在濕密度相同時，自然干燥狀態的泡沫輕質土動彈性模量大于含水飽和狀態的泡沫輕質土動彈性模量，說明水對泡沫輕質土固體骨架具有一定的軟化作用。

(3)耐久性能

泡沫輕質土作為路基填筑輕型材料，其主要受到荷載和環境的長期作用，對其耐久性產生影響。

泡沫輕質土耐久性主要包括耐疲勞特性、耐干濕循環特性、耐凍融循環特性及耐腐蝕性能。

根據泡沫輕質土室內大比例動態模型試驗，當動力荷載作用為200萬次時，泡沫輕質土路基整體結構總累積沉降均小于1.0 mm，與高速鐵路普通無砟軌道路基結構經過加載200萬次后產生的累積沉降基本一致，而泡沫輕質土層產生的累積沉降均較小。表明泡沫輕質土路基整體結構具有良好的長期動力穩定性[10]。

在干濕循環作用下泡沫輕質土的密度越低越容易遭受破壞。泡沫輕質土自身強度低，在遭受水分侵蝕時容易軟化，并且在干燥過程中在內部產生裂紋，裂縫的產生使得水分進一步向基體內部滲透，從而導致泡沫輕質土的性能劣化。

在浸水條件下，泡沫輕質土會吸水增重。隨著泡沫輕質土濕密度的增大，吸水率呈現明顯的降低趨勢。表明濕密度越小，泡沫輕質土吸水增重越大。

在浸水條件下，泡沫輕質土強度會降低。隨著泡沫輕質土濕密度的增大，強度降低的幅度逐漸緩慢。

在凍融循環作用下，隨著泡沫輕質土濕密度的增大，其強度及抗凍性逐漸提高。

在硫酸鹽侵蝕環境下，泡沫輕質土發生體積膨脹，但總膨脹量較小。在不同的密度等級下，摻加粉煤灰的泡沫輕質土膨脹值更小，證明粉煤灰加強了泡沫輕質土抗硫酸鹽侵蝕的能力。

因此泡沫輕質土在環境的長期作用下，應考慮加強泡沫輕質土的防水措施，提高其耐久性。

3.2 路基結構性能設計

通過泡沫輕質土靜動力學性能、耐久性能及長期動力穩定性試驗研究，這為鐵路泡沫輕質土路基結構提供了基本性能設計參數依據[11]。

鐵路泡沫輕質土路基結構的性能設計應滿足不同等級鐵路路基結構不同部位的填筑壓實質量及強度要求，建議應符合以下規定:

(1)泡沫輕質土路基不應裸露在外，表面應采取保護措施。

(2)泡沫輕質土路基應用于基床表層及無砟軌道過渡段時，應充分論證其耐久性，建議慎用。

(3)泡沫輕質土應用于基床底層及過渡段時，其濕密度不應小于650 kg/m3。

(4)泡沫輕質土應用于基床以下路堤填筑時，其濕密度不應小于550 kg/m3。

(5)泡沫輕質土應用于地基土換填及基坑回填時，其濕密度不應小于500 kg/m3。

(6)泡沫輕質土應用于路基范圍內空洞充填時，宜按經濟合理且便于施工的原則設計。

(7)泡沫輕質土應用于重載鐵路時，宜適當提高泡沫輕質土的抗壓強度。

(8)泡沫輕質土路基宜加強防水措施，當存在滲水接觸時，應考慮受水影響導致密度增大，增重系數采用1.1～1.2。

(9)泡沫輕質土在嚴寒、寒冷地區的凍結深度范圍內，其濕密度不應低于550 kg/m3。

4 泡沫輕質土路基結構的設計方法

4.1 設計基本原則

泡沫輕質土路基結構設計基本原則，先要考慮路基結構的設計形式、工程環境條件及荷載條件等，結合既有工程經驗及規范，確定滿足路基各填筑部位的濕密度及抗壓強度要求，進而對填筑體及其路基整體穩定性、地基沉降變形及抗浮設計進行驗算。

4.2 結構設計形式

泡沫輕質土路基的結構設計應根據應用范圍及設計目的確定其斷面結構形式，主要包括填筑高度、填筑寬度、填筑邊坡坡率等內容。

泡沫輕質土路基結構，主要可采用直立式和斜坡式。

(1)直立式則是設置混凝土擋土墻或保護壁，結構形式如圖3所示。

圖3 既有線幫寬直立擋墻式泡沫輕質土路基結構

(2)斜坡式則采用包邊形式，包邊防護可以采用預制混凝土塊實體護坡或土質綠色植物防護，結構形式如圖4所示。

圖4 既有線幫寬斜坡包邊式泡沫輕質土路基結構

直立式泡沫輕質土路基結構采用保護壁設計時，保護壁結構由面板、基礎及拉筋等設施組成。面板可采用整體式面板、板塊式或模塊式面板，厚度不宜小于20 cm。面板可通過拉筋與填筑體進行連接，拉筋可采用普通鋼筋，建議伸入填筑體長度不小于2.0 m。

4.3 構造設計形式

為了保證泡沫輕質土路基的耐久性，應加強輔助構造防護措施，減少外界環境作用影響。一般構造措施如下:

(1)在泡沫輕質土路基填筑體頂、底面與常規路基交界面處設置防滲土工膜隔水層；當位于地下水以下部位時，宜采取防水措施。

(2)泡沫輕質土受內部濕度、溫度變化及應力集中處易產生裂縫。為減少裂縫，在填筑體的頂部及底部應設置1～2層金屬網進行補強。

(3)泡沫輕質土路基宜間隔10～15 m設置伸縮縫，伸縮縫可采用瀝青木板或泡沫板填塞。

(4)泡沫輕質土路基填筑體與既有坡面或陡坡體連接時，可以增設抗滑錨固措施，以提高填筑體的抗滑穩定性。

4.4 設計驗算方法

根據設計要求，確定泡沫輕質土濕密度及抗壓強度，以及泡沫輕質土路基結構形式，進而對填筑體及其路基結構整體穩定性、地基沉降變形及抗浮設計進行驗算[12]。

(1)鐵路泡沫輕質土路基穩定性驗算應包括填筑體的抗滑動穩定性驗算、抗傾覆穩定性驗算及包括地基在內的整體抗滑動穩定性驗算。

鑒于泡沫輕質土路基的結構設計及構造設計措施的強化，一般可以滿足其自身穩定性要求。當需要路基整體穩定性驗算時，應符合鐵路路基設計規范中的相關規定。

(2)泡沫輕質土路基直立式保護壁設計應考慮泡沫輕質土終凝前產生的側壓力，并同樣考慮進行傾覆及應力的驗算。

(3)泡沫輕質土路基置換深厚軟土地基時，應進行沉降計算。換填厚度可采用應力補償原理來確定，地基沉降可采用分層總和法計算。

(4)泡沫輕質土路基位于地下水位以下部位時，應進行抗浮穩定性驗算。當抗浮安全系數不足時，應采取調整泡沫輕質土的濕密度、填筑厚度或降低地下水位等措施。抗浮安全系數，施工期采用1.05，運營期采用1.10。

5 結論

泡沫輕質土路基結構應用為我國高速鐵路路基結構提供了新方法，提高了我國高速鐵路路基結構設計和施工技術水平，具有重要意義。

(1)泡沫輕質土路基可以應用于高速鐵路路基幫寬、軟土地基處理、過渡段差異沉降及狹小空間填筑等特殊條件地段。

(2)鐵路泡沫輕質土路基結構的性能設計應滿足鐵路路基結構不同部位的填筑壓實質量及強度要求，暫不建議應用于基床表層及無砟軌道過渡段。

(3)建議進一步加強對泡沫輕質土耐久性能的研究，通過配比合適的摻合料進行試驗研究，提高泡沫輕質土的性能，降低工程造價，并進一步推廣泡沫輕質土路基的應用。