泡沫砼在橋頭軟土地基處理中的效果研究

王天寶

(海鹽縣交通投資集團有限公司 浙江 嘉興 314300)

杭嘉湖平原屬長江下游平原濕潤區，其中嘉興地區更是江、河、湖、海交匯之地，地勢平坦、水系發達、降水充沛是最主要的地理特點，因而其軟土層分布的范圍廣、厚度大、地層情況復雜，軟土地基的不均勻沉降一直以來都是公路工程建設中的重點處治方向。

目前，嘉興地區常規的軟土地基處治手段主要包括堆載預壓、排水固結法、水泥攪拌樁、樁承式加筋路堤以及輕質路堤替換路基填筑材料等方式。自20 世紀90年代初，浙江省開展輕質路堤的研究試驗并在滬杭高速等多個項目中應用，經過多年的試驗研究和工程應用，已經成熟應用在工程實踐中的輕質路堤材料包括EPS 塊狀輕質路堤、EPS 顆粒混合輕質路堤以及泡沫砼輕質路堤等材料。結合各地的實踐成果，該方法工程造價較高，應用實例大多局限于高速公路、國道等規格較高的工程項目[1-4]。經過近年來的不斷發展，泡沫砼被研究認為是一種具有力學性能較好的路基替代材料[5-6]。

1 工程概況

黃橋于2003 年原海王公路建設時建成，原橋頭臺背路基經過多年的運營已基本穩定。2020年初，因浙北高等級航道網集裝箱運輸通道建設工程的實施，黃橋需抬高橋梁高度以適應航道要求，大樁號方向橋頭兩側的路基放坡因涉及基本農田受到限制，經多方討論，擬采用泡沫砼結合懸臂式擋土墻方案，具體如圖1所示。

圖1 黃橋改建工程路基示意圖

本工程路基處治的重點在于控制新舊路基之間的不均勻沉降，建設地點的地表從上至下分別為：①1素填土（meQ），厚度0.5～2.7 m；①2粉質黏土（al-），厚度0.9～3.5 m；②1淤泥質粉質黏土（），厚度14.4～27.0 m；③1淤泥質粉質黏土（），厚度11.4～22.7 m；④1粉質黏土（al-），厚度9.0～16.5 m；④3粉質黏土夾粉土（al-），厚度3.4～5.7 m；⑤1粉質黏土（），厚度3.1～5.1 m；⑤2粉質黏土（），厚度3.3～8.2 m；⑥3含砂粉質黏土（al-），最大層厚16.3 m；⑦1粉質黏土（al-），最大層厚17.5 m。工程自上而下采用瀝青面層、水泥穩定碎石基層、泡沫砼路堤，臺背路基最大高度3.05 m，兩側設置懸臂式擋土墻收縮坡腳，施工時采用分層填筑的方式，其中橋頭段設置水泥攪拌樁，樁長采用8～10 m，采用三角形布置，間距1.3 m，臺背填筑材料采用泡沫砼，具體如圖2所示。

圖2 軟土地基處理示意圖

2 泡沫砼的原理

泡沫砼是采用物理方式將發泡劑制作成泡沫，再將泡沫按預設的體積占比混入水泥漿料中，并摻入外加劑、摻合料等材料，凝固成含有大量均勻封閉氣孔的輕質混凝土路堤材料。泡沫砼原理即通過泡沫占據混凝土中的氣孔，在相同體積占比的條件下更為輕盈，同時均勻的氣孔分布對混凝土骨架的強度影響較小，在更輕盈的條件下仍可保證一定的強度，滿足路基的強度要求。泡沫砼材料的干容重在3.0～9.0 kN/m3，用于路堤、路床填筑時大多采用A06級（5.5～6.5 kN/m3），較之浙江省常用的路基填料如宕渣（18.0 kN/m3）、摻灰土（17.2 kN/m3）等材料具有明顯的差別，在實際應用中通過泡沫砼的輕自重、自立性等優勢達到減小工后沉降、收縮用地等目的。

3 泡沫砼的設計參數

泡沫砼的主要設計參數如表1所示。

表1 泡沫砼設計參數一覽表

泡沫砼的設計長度取10～15 m，最大不超過15 m，超過15 m 時設置20 mm 沉降縫，采用瀝青麻絮填塞。泡沫砼底面鋪設50 cm 級配碎石作為透水墊層，兼做調平層，頂面設置20 cm C20砼水泥混凝土保護墊層。

4 泡沫砼的施工工藝

4.1 施工材料準備

（1）水泥：采用42.5級普通硅酸鹽水泥。

（2）發泡劑：采用合成類高分子表面活性劑，發泡劑發泡過程中產生的泡沫大小均勻且細密，直徑應小于1.0 mm。發泡劑外觀應均勻透明，常溫條件下無異物析出或沉淀，無異味或刺激性氣味，對環境無不良影響。發泡劑使用時稀釋倍數不應小于60倍，主要性能指標如表2所示。

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表2 發泡劑（稀釋60倍）主要性能指標表

4.2 施工工藝

施工工藝：場地準備→開挖基坑坑槽和支立模板→泡沫砼制作→澆筑→養護。具體如圖3所示。

4.2.1 場地準備

施工前應先清理施工區域基坑底部積水、雜物，保證在澆注時基坑底部無雜物、無積水。做好基層清潔，不能有油污、浮漿、殘灰等。

4.2.2 開挖基坑坑槽和支立模板

開挖基坑坑槽，對擋墻基底進行處理后支立模板，澆筑懸臂式擋土墻，在坑槽開挖好后應在最低處開挖寬度不超過1 m的泄水口，防止槽內積水。

4.2.3 泡沫砼制作

水泥漿料制作應根據確定的施工配合比和工藝參數進行水泥漿料拌合，確保各組分混合均勻，然后將攪拌好的水泥漿料存儲在具備攪拌功能的儲罐內，水泥漿沉淀在儲料罐中的儲存時間不應超過2 h。泡沫制作應根據發泡劑生產廠家提供的稀釋倍數稀釋發泡劑，再采用壓縮空氣對發泡劑水溶液加壓。混泡時將按配合比設定的泡沫與水泥漿料及時采用經電子記量的混泡設備進行穩壓混泡，形成符合設計要求的泡沫砼。

4.2.4 澆筑

泡沫砼的澆筑施工應采用管路泵送方式。泵送前，應檢查管接頭是否緊固，確保接頭密封牢固不泄漏。泵送過程中，澆筑管的壓力應滿足揚程及輸送距離要求。泡沫砼澆筑時，澆筑管宜與澆筑面保持緩傾角度，不應采用從上而下噴射方式進行澆筑，管口應埋入泡沫砼內不小于10 cm，以減少泡沫砼的消泡量，澆筑點由中心向四邊擴展或采用多點澆筑。

4.2.5 養護

泡沫砼每層澆筑完畢應采用保濕養生，在上路床范圍時應在養護28 d后實施路面工程。

5 泡沫砼對控制新舊路基沉降的效果分析

原有海王公路經過近20年的使用，路基沉降已基本完成，為了評價泡沫砼在控制新舊路基間不均勻沉降的效果，分別對天然地基、水泥攪拌樁復合地基、“水泥攪拌樁復合地基+泡沫砼輕質路堤”3個方案的工后沉降展開數值模擬的對比分析。

5.1 數值建模

采用理正軟件建立的數值模型如圖4所示。原有路基頂部寬度取值為16.0 m，高度為2.0 m，新建路基頂部寬度取值為40.0 m，高度為3.05 m，采用豎直坡，底部寬度為40.0 m，其中拓寬路基寬度為29.65 m，模型長度取20 m，選取新舊路基交界處路面作為分析點。

5.2 模擬結果與分析

天然地基、水泥攪拌樁復合地基以及水泥攪拌樁復合地基結合泡沫砼輕質路堤的工后沉降曲線如圖5所示。

圖5 工后沉降曲線

由圖5（a）可知，隨著時間的推移，工后沉降逐步增加，增速逐漸減緩，明顯分為3 個階段：第一階段是竣工后24個月內，時長約占基準期的13.3%,路基沉降較快，沉降量達到工后總沉降的40%左右；第二階段是竣工后25～60 個月，時長約占基準期的20.0%，路基沉降速率明顯減緩，沉降量占工后總沉降的25%左右；第三階段是竣工后60 個月至基準期結束，時長約占基準期的66.7%，該階段沉降量占工后總沉降的35%左右。

由圖5（b）可知，在軟土層厚度極大的條件下，采用水泥攪拌樁復合地基方案的工后沉降量相較于天然地基僅減小3.7 cm，減小約15.3%，收效甚微。而采用泡沫砼結合水泥攪拌樁復合地基的方案在基準期內的工后沉降分別減小19.5 cm、15.8 cm，減小約80.6%、77.1%，在控制工后沉降方面效果顯著。

結合圖5 和工程實際分析，一級公路的首次罩面工程往往出現在竣工通車后5～10 年內，即竣工后60～120 月，采用泡沫砼的方案能有效減少在通車10 年內橋頭路基沉降以及新舊路基間的沉降，將沉降控制在3～4 cm，較另外兩種方案減小17.1 cm、13.8 cm，減小比例與基準期內比例相仿，結合罩面工程能夠有效地處治橋頭跳車、沉降差等病害，與公路管養實踐中的管養周期和路面結構衰變周期相適應，有利于公路后期的運營和管養。

6 結論

本文以黃橋改建工程中泡沫砼的應用為研究背景，首先介紹了泡沫砼的應用情況、基本原理、設計參數和施工工藝，然后借助理正軟件建立軟基沉降計算模型，針對泡沫砼控制工后沉降效果的分析，得出以下結論。

（1）采用泡沫砼作為路基填料，對控制工后沉降效果極好，相較于天然地基、水泥攪拌樁復合地基在基準期內的總沉降減少達到80.6%、77.1%，在軟土地區控制新舊路基沉降具有明顯優勢。

（2）采用泡沫砼作為路基填料，工后沉降的速率曲線呈現三階段的明顯變化，主要沉降量在竣工通車后5 年內完成，即第一階段、第二階段，應用泡沫砼材料結合公路管養周期能很好地保證黃橋工程的服務水平，避免出現嚴重的縱橫向不均勻沉降。

（3）對于受基本農田、通航等建設條件限制的情況，采用泡沫砼不僅在控制高填方橋頭的沉降量方面具有較好的優勢，同時還能結合懸臂式擋土墻減小對土地的占用，與嘉興地區水網密布、基本農田限制較多的條件十分契合，在未來一段時間的建設中可以更大范圍地推廣使用。