泡沫輕質土在與既有高架共線道路軟基處理中的應用探討

吳 迪

（中國市政工程西北設計研究院有限公司,江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來，隨著城市交通建設的快速發展及土地集約化的要求，受規劃紅線及用地指標限制，利用既有高架橋梁投影下的用地空間進行的新建及改擴建道路建設很常見，此類道路與高架橋梁伴行，道路建設及運營均會對既有橋梁產生不利影響，反之既有橋梁構筑物也會對道路實施及后期使用產生相應負面影響，比如：原有橋梁地基產生附加沉降、新建道路路基填方及道路交通荷載會造成下臥地基橫向變形，易產生路基不均勻沉降造成新建道路路面開裂與鼓包等病害。既有研究已經證明輕質泡沫混凝土在處理軟基不均勻沉降方面具有一定的優勢，為此，該文以實際工程項目展開了進一步研究。

1 項目概述

1.1 項目設計特點

某道路等級為城市次干路，雙向4車道，位于江蘇省南京濱江區域，受既有銜接道路豎向控制，該道路采用高路堤形式（填方約3.5～4.5 m）與高架共線通過。高架橋梁于該道路啟動建設時3年前建成通車。該道路所處區域為濱江長江漫灘地貌，水系發達，區域內賦存的軟土不良地質厚度較大且埋深淺，全線均有分布，具有抗剪強度低、壓縮性高等特點。

道路橫斷面布置為2×（2.5 m人行道+3.5 m非機動車道+2 m側分帶+7.5 m機動車道）+11.5 m中央分隔帶=42.5 m。部分車道布置在高架橋梁承臺上方，其他車道布置在軟土地基上，具體橫斷面布置圖見圖1。

圖1 道路橫斷面布置圖（單位：m)

設計特點如下：

（1）既有高架橋梁對沉降要求控制嚴格，對于城市次干路，一般路段軟土地基工后沉降要求不大于30 cm，此沉降控制標準與既有高架的沉降要求相差較大。

（2）軟土地基處理措施需減少對城市高架的負摩阻力的影響，盡量減少對既有橋梁地基產生附加沉降。該道路既有橋梁樁基礎為摩擦樁，持力層為卵石層，負摩阻力的不利效應更加明顯。

（3）須對承臺內外兩者之間的差異沉降進行控制，以確保新建道路正常使用。

（4）道路所處區域為軟土地基，且道路填方較高，上述不利影響會愈加嚴重。

1.2 項目地質概述

軟土層主要為淤泥質粉質黏土、淤泥質粉質黏土夾粉砂，軟土層厚度約為14～17.5 m。根據土工試驗結果，軟土具有以下性質：流塑，局部軟塑；含水量高，天然孔隙比大，壓縮性大；凝聚力小，抗剪強度低；固結系數小，滲透系數小，透水性差。在荷載作用下會產生較大的沉降和沉降差，而且沉降過程延續的時間可能很長，影響道路的正常使用。

2 地基處理方案

2.1 地基處理方案的選擇

通過比選，采用泡沫輕質土作為路基填料，既能有效降低工后沉降，同時泡沫輕質土的剛性介于水泥混凝土與優質土材料之間，用于路基與承臺結合處可以很大程度地減輕剛柔突變，減少因剛度不同而產生的路面開裂。

泡沫輕質土質量輕，但這一特點也使得地基固結緩慢，造成路基殘余沉降量大，故在填筑輕質土路基前，先采用高壓旋噴樁（橋梁下凈空受限）對下臥地基進行處理，使兩者效應疊加發揮，減少工后沉降[1]。同時高壓旋噴樁對下臥地基進行加固，也減少道路高路基施工期及運營期對現狀橋梁樁基的不利影響。

故地基處理方案采用高壓旋噴樁復合地基+路堤聯合處理。

2.2 泡沫輕質土的特點及應用現狀

泡沫輕質土是由原料土、水、固化劑、發泡劑等一系列物質所混合、拌制、硬化形成的一種輕質材料，一般采用水泥作為固化劑，通常采用現澆施工。泡沫輕質土中含有大量氣泡，空隙比可達3%～5%，容重較小。可通過改變氣泡率和固化劑摻量調整其容重保持在3～15 kN/m3，抗壓強度控制在0.3～20 MPa之間。泡沫輕質土的密度與抗壓強度基本成正比，密度越大，抗壓強度越大。

用泡沫輕質土代替傳統路基材料，可以減小填土載荷及對軟弱地基產生的附加應力，降低工后沉降，減緩路基之間的不均勻沉降；減輕對路基兩側現狀構筑物的影響；降低土體本身的剪切滑動位移，提高路基的抗滑穩定性。再加上施工便捷、操作方便等特點，目前被廣泛應用于廣州、天津和上海等地的道路工程建設中。

2.3 設計計算

2.3.1 輕質泡沫土路基填筑厚度

泡沫輕質土填筑厚度主要考慮以下因素：工后沉降指標、地基承載力、受水位影響時的抗浮要求，并結合技術經濟指標綜合比較確定。原土換填厚度的設計原理為基底應力補償原則，即輕質土荷載+路面結構荷載+行車荷載≤被置換的原土荷載，理論上沒有沉降。

式中，Ri、Hi分別為路堤各土層重度和厚度；R0i、H0i分別為換填深度內各土層的重度和厚度。

2.3.2 工后沉降計算

對于該道路，按一次性鋪筑路面考慮，采用路面完工15年內的工后沉降控制。總沉降計算選用分層總和法，地基土壓縮層厚度以附加應力小于自重應力的15%確定。路基工后變形按如下控制：行車道范圍工后沉降控制指標為以10 cm；控制新建路基與承臺之間的差異沉降，確保承臺內外的路拱橫坡度工后增大值不大于0.5%，沉降差小于10 cm[2]。

2.3.3 路堤換填地基承載力計算

地基土換填后殘余部分自重、泡沫輕質土自重和其他荷載的總和應滿足地基承載力要求。驗算時泡沫輕質土應采用飽和容重指標。

2.3.4 抗浮計算

由于區域內地下水位埋藏較淺，并且多雨，因此應充分考慮到水的影響，對泡沫輕質土填筑物進行抗浮驗算。驗算時，所受浮力按計算水位的100%計算，水上、水下部位容重分別取濕容重、飽和容重，抗浮安全系數Fs≥1.2，強度保留率≥90%。計算公式如下：

式中，G1計算見式（2）；r為水的重度（kN/m3）；h為路堤浸水深度（m）。

由于抗浮計算時，已經考慮了路面結構荷載，針對路面結構未施工前受水位影響容易出現的板塊上浮，進而開裂的情況，施工時須開挖集水溝排水，保證水位低于開挖基坑底。

2.3.5 路基穩定性計算

泡沫輕質土路堤穩定性驗算時，黏聚力c取100 kPa，內摩擦角取2°。但考慮到泡沫輕質土良好的強度及自立性，該計算意義不大。實際上泡沫輕質土板塊穩定性不需要檢算，只需要把泡沫輕質土板塊作為路堤，檢算軟土地基的整體穩定性即可。

實際在使用過程中，泡沫輕質土路堤可能會出現水盆效應造成路面開裂，即在最高地下水作用下或由于原地面縱橫坡過大造成泡沫輕質土板塊的整體移動，因此該次設計提出在泡沫輕質土外側人行道范圍內采用素土填筑，既起到反壓作用，從兩側限制泡沫輕質土板塊的移動，也起到隔絕外部地表水的占用，減少水浮力效應，保證路堤的穩定性。

因此,緊急制動曲線可以通過上述原則進行計算。ATP系統在列車運行過程中將實時對列車的能量進行檢測，確保在最壞的情況下后車也不會越過前車的干擾點。

2.3.6 泡沫輕質土路堤抗滑移穩定性驗算

該項計算主要考慮以下因素對泡沫輕質土路堤抗滑移穩定性的不利影響：在最高地下水位或外部地表水無法排泄的情況下即所受水浮力最大，或由于原地面縱橫坡過大，在自重或車輛荷載作用下產生下滑力，或承受車輛荷載制動力作用，造成泡沫輕質土板塊的整體滑移。抗滑穩定性驗算時，泡沫輕質土與土質坡面接觸的抗滑摩擦系數可取0.3～0.4[3]。

2.4 具體設計方案

2.4.1 設計方案圖

該項目的具體設計方案如圖2中所示。

圖2 設計方案圖

2.4.2 輕質土技術指標及基本要求

密度等級：D600，表干密度為550～650 kg/m3；

強度等級：F0.8（28 d立方體單軸飽和抗壓強度平均值0.8 MPa）；

質量吸水率：10%（標準環境中封閉養生28 d）

泡沫標準密度：50 kg/m3；

發泡倍率：不低于1 000；

消泡試驗泡沫輕質土濕密度增加率：不超過10%。

泡沫配合比設計以及發泡劑的主要性能應分別滿足表1、2中的要求。

表1 泡沫推薦配合比設計

表2 發泡劑主要性能指標表

2.4.3 構造細部設計方案

（1）防排水設計：該項目在泡沫輕質土路堤底部設置50 cm級配碎石作為透水墊層，以滿足基底防排水需要，避免地下水浮力引起填筑物的附加應力，同時可兼做調平層。碎石墊層頂滿鋪一層防滲土工膜，在泡沫混凝土邊界處向下折邊不小于1 m。另在泡沫輕質土路堤頂部設置一層防滲土工膜封閉層，排出路面滲水下滲。

（2）泡沫輕質土應避免暴露使用，需做好封閉設計。該項目在人行道范圍內采用素土圍邊填筑。

（3）為避免泡沫輕質土填筑體硬化后與現狀橋墩固結為一體，一方面防止填筑體（含路面自重）傳遞至橋墩，增加橋樁受力，另一方面防止填筑體受力不均產生斷裂。故此該項目在填筑體與橋墩間設置緩沖層（20 mm厚的聚苯乙烯板）。

（4）為滿足路床頂縱橫向坡率設置要求，確保路面結構層所需厚度，泡沫輕質土頂層按坡率設計采用臺階式過渡，臺階寬度不小于1 m，臺階高差一般不大于10 cm。

（5）為減輕機動車動荷載影響，保證泡沫輕質土受力均勻，同時提高泡沫輕質土防裂功能，該項目在泡沫輕質土頂面設置一層20 cm厚C25混凝土整體現澆層。混凝土板塊應在泡沫輕質土施工縫處設置脹縫和橫向縮縫。

（6）泡沫輕質土路堤與常規填土路基間的縱向過渡應采用臺階過渡，臺階寬度不小于2 m。

3 結論

該文的研究可為以后類似工程提供一定的借鑒意義。研究結論如下：

（1）當軟土厚度較大或填方較高時，用泡沫輕質土代替傳統路基材料，可有效減小填土載荷及對軟弱地基產生的附加應力，能較好地減少路基工后沉降及既有承臺內外的不均勻沉降。

（2）高壓旋噴樁復合地基+泡沫輕質土路堤聯合使用，可以有效減小對既有橋梁基礎的不利影響，對變形要求嚴格的既有高架范圍內道路的軟基處理具有一定的借鑒意義。

（3）為徹底解決既有承臺內外的不均勻沉降問題，尚需要進一步加強泡沫輕質土的抗拉能力，并加強路基與路面設計的配合及綜合處理。