泡沫輕質土在路基加寬中的應用

李陽鋒

（山西路橋第八工程有限公司，山西 運城 044000）

引言

隨著我國經濟的飛速發(fā)展，人們出行次數和頻率日益增大，造成國內交通量增長迅速，原有的公路通行能力難以滿足現有的車輛通行能力要求，新建或者改擴建道路的工程越來越多。

1 道路改擴建存在的問題

1.1 道路改擴建存在的問題

在道路改擴建中，雖然能夠較好地減少征拆面積，降低工程總造價，但也存在一定的問題。

1.1.1 地基承載力問題

此類問題主要出現在有軟弱下臥層的道路。在前期道路修建過程中已經通過對道路的路基進行了換填、設置樁基等多種手段來提高地層的承載力，使其能夠滿足道路建設的需求。要在這類地質上進行道路拓寬，不可避免地要再次進行工程處理，從而使改擴建工程造價大幅增加［1-2］。

1.1.2 征地問題

道路拓寬存在新征地的問題。尤其是高填方道路，為了保證路基邊坡的穩(wěn)定性，往往坡率設置較緩，導致道路加寬過程中路基邊坡外延過大，征地范圍大，拆遷數量多等諸多問題，也會提高工程的總造價。高填方由于填土量大，施工時間長，往往其質量難以保證。

1.1.3 路面沉降問題

路面沉降是道路改擴建中最重要最核心的問題。由于舊路基經過多年的通車運行，其路基填土壓實度高、固結沉降基本已經全部完成。在道路擴建通車后，由于新舊路基填料的力學性能存在較大差異，因此，在車輛荷載作用下，舊路基沉降小、新路基沉降大、路基土沉降變形不一致，從而導致新舊路基搭接處往往會產生沿道路縱向方向上的拉裂縫。

1.2 傳統(tǒng)回填存在的問題

在長期的工程實踐中，采用合格土石填筑加寬路基具有造價小、施工技術要求低等優(yōu)點，是比較常見的做法。為了解決常規(guī)合格土石加寬路基中的不均勻沉降等問題，往往會在新舊路基搭接處設置土工格柵、埋設防滑鋼筋等多種工程措施，針對加寬路基邊坡坡率較陡的情況往往還會采取設置護腳墻等支護措施，從而降低了傳統(tǒng)回填土的經濟優(yōu)勢。

1.3 泡沫輕質土在道路拓寬中的應用優(yōu)勢

泡沫輕質土是一種由氣泡摻和形成的新型混凝土材料，具有密度小、強度高等優(yōu)點。在路基下有軟弱結構層的情況時，可以通過調節(jié)泡沫的充入量，改變輕質土的重度，從而達到減小對地基承載力要求的目的［3-5］。泡沫輕質土有混凝土的性質，能夠直立澆筑，而且由于泡沫輕質土強度高，彈性模量大，對新舊路基的不均勻沉降具有減緩作用。

2 項目概況

項目所在地范圍內主要為素填土、粉質黏土和粉砂質泥巖。土層層位比較穩(wěn)定，素填土土層厚度約為2 m，粉質黏土層厚度約為6 m，其下為粉砂質泥巖。某擬加寬道路位于填方區(qū)。填方高度8 m，雙向四車道，道路紅線寬度20 m，道路橫斷面布置形式為1.5 m 人行道+7.5 m 車行道+2 m 綠化帶+7.5 m車行道+1.5 m 人行道。道路路基邊坡為掛網植草防護，坡1∶1.75，通車時間較長，路基填土基本已經完成固結，壓實度高。公路兩側坡腳處種植了行道樹，距路基坡腳外側10 m 為基本農田，填方路基橫斷面見圖1。

圖1 填方路基橫斷面

3 加寬方案

根據該公路的交通量增長需要以及遠期的公路提升改造，擬對該公路進行拓寬，拓寬紅線寬度為15 m，征地范圍暫不受限制，可根據拓寬方案的設計進行征地。根據以往工程經驗，提出兩種道路拓寬方案。

3.1 方案一：傳統(tǒng)回填

此處不存在特殊路基及軟弱下臥層，可采用一般的回填加寬的設計方案。回填填料采用合格土石，填方高度為8 m，回填路基坡率設計為1∶1.75，上頂紅線寬度15 m，路基底面寬度為29 m，挖設高2 m、寬3.5 m 的臺階，并在最上面一級臺階內設置土工格柵減小路面的不均勻沉降，坡面采用掛三維網植草防護。據此單位長度回填土方量為236 m3。該回填方案具有施工難度低、簡單易操作等特點，但回填土方量大，征地范圍廣等問題，方案設計見圖2。

圖2 方案一設計橫斷面

3.2 方案二：泡沫輕質土填筑

為了克服方案一的問題，減小征地范圍及回填土方量，提出了采用泡沫輕質土加寬道路的方案二。

3.2.1 設計原則

泡沫輕質土具有密度可調、強度可調節(jié)性、高流動性及可直立施工性等優(yōu)點。因此，在設計泡沫輕質土填筑路基的過程中應當充分發(fā)揮泡沫輕質土的工程性能，提出安全經濟、技術合理的設計參數，在完成道路拓寬的工程建設目標的同時，減小道路拓寬中常見的不均勻沉降等工程危害，提高工程的使用年限。

3.2.2 設計方案

泡沫輕質土在設計過程中應提出完整的設計參數，保括性能設計、形態(tài)設計和輔助工程設計，保證泡沫輕質土施工的可操作性。根據《現澆泡沫輕質土技術章程》（CECS 249—2008）相關技術參數要求，結合本項目的實際工程特點，提出泡沫輕質土的相關設計參數，并驗算泡沫輕質土回填的整體穩(wěn)定性和抗滑性等，由于本位于地下水位以上，只要做好地表水的處理即可不考慮泡沫輕質土的抗浮驗算。

（1）技術指標及基本要求

泡沫輕質土強度等級為F1.0，密度為D700（本次設計為700 kg/m3），泡沫標準密度為50 kg/m3，發(fā)泡倍率≮1 000。泡沫輕質土道路路基邊坡坡率為1∶0.75，據此單位長度泡沫輕質土回填土方量為144 m3。

（2）輔助工程設計

在泡沫輕質土的頂面鋪設防水土工布，避免雨水下滲，同時在泡沫輕質土底面和新舊道路搭接處設置DN20 鍍鋅抗滑水管，提高泡沫輕質土的抗滑性。在泡沫輕質土頂面0.5 ～1.0m 范圍內設置1 ～2層金屬網，在新舊道路搭接處的臺階及其上1 m 設置一層金屬網。縱向上每隔20 m 設置一道伸縮縫。泡沫輕質土外側設置厚度15 cm 的混凝土薄壁面層，可根據需要進行浮雕設計，提高道路的景觀性。方案設計橫斷面見圖3。

圖3 方案二設計橫斷面

3.3 方案對比分析

3.3.1 沉降分析

建立兩種方案的有限元模型，并計算兩種方案下的路面沉降與不均勻沉降結果，見圖4、圖5。

圖4 常規(guī)方案拓寬道路沉降云圖

圖5 泡沫輕質土拓寬道路沉降云圖

從圖4 和圖5 可以看出：（1）無論采用常規(guī)合格土回填還是泡沫輕質土，道路拓寬的路面沉降均表現為舊路堤路面沉降較小，新路堤沉降較大的變化規(guī)律。全新路堤沉降曲線通常為“U”型沉降盆，而舊路拓寬則由于拓寬后舊路堤沉降小、新路堤沉降大，表現為單向的滑梯狀沉降曲線。（2）常規(guī)方案加寬路堤時新路基部分沉降變化比泡沫輕質土大，泡沫輕質土的“滑梯”底部比較平緩，證明在新路基范圍內，路面的沉降差異不大，即路面的沉降差較小，能夠有效降低因為沉降不均勻帶來的路面開裂的風險。

從圖4 可以看出，利用常規(guī)合格土石回填拓寬道路時，在通車后路面的沉降最大值為64 mm，發(fā)生在新加寬路面右側；路面最小沉降值為0.9 mm，發(fā)生在舊路基左路肩位置。沉降差值達到63 mm，而采用泡沫輕質土后，路面的最大沉降為13.6 mm，最小沉降為0.2 mm，沉降差僅為13.4 mm。由此可見使用泡沫輕質土能夠有效減小路面的不均勻沉降。

提取兩種方案下的路堤穩(wěn)定性系數，得到常規(guī)方案和泡沫輕質土加寬道路下的安全系數分別為1.43 和1.67，第二種方案下的道路穩(wěn)定性提高了16.8%。可以看出，由于泡沫輕質土具有較強的抗剪強度，雖然拓寬路基邊坡坡率更陡，也能更好地保證道路路基邊坡的穩(wěn)定性。

3.3.2 綜合對比分析

采用泡沫輕質土時能夠有效減小路面的沉降及不均勻沉降，降低后期路面開裂的風險，減小后期道路的養(yǎng)護運營成本。常規(guī)合格回填料和泡沫輕質土拓寬道路的方案對比見表1。

表1 兩種方案綜合對比分析

從表2 可以看出，采用常規(guī)合格土石進行道路拓寬時具有施工復雜程度相對較低、綜合造價相對較小的優(yōu)點，但是存在明顯的征地范圍大、地基要求高等缺點，尤其是針對本項目，道路外側即是基本農田的情況下，采用常規(guī)回填方案存在占用基本農田的最大問題。經過專家評審，認為目前泡沫輕質土技術比較成熟，推薦采用泡沫輕質土進行道路拓寬，既能規(guī)避征地困難的問題，又能提高道路行車質量。

3.4 方案優(yōu)化設計

泡沫輕質土本質上仍然為混凝土結構，其抗拉裂能力有限，因此，在方案二中可在路面結構層以下多設置幾層金屬網，甚至可根據交通類型將金屬網改為鋼筋網，提高泡沫輕質土的抗拉能力，進一步提高道路的使用年限。

4 結語

（1）常規(guī)回填土和泡沫輕質土加寬道路時，路面均表現為“滑梯”狀的沉降曲線。常規(guī)回填土和泡沫輕質土加寬道路時其路面最大沉降差分別為63 mm 和13.6 mm，泡沫輕質土對沉降的控制效果更好。（2）泡沫輕質土抗剪強度高，加寬道路時其路基穩(wěn)定性高于常規(guī)合格土回填。（3）泡沫輕質土能夠減小征地范圍，提高拓寬道路的路基質量，相比常規(guī)合格土回填具有明顯的優(yōu)勢。