泡沫土處理高速公路軟土地基的設計研究

楊世春

（湖北交投荊潛高速公路有限公司，湖北荊州 434000）

0 引言

泡沫土（foamed light weight soil）是固化劑（水泥）、水、發泡劑、外摻料（原料土、火山灰、粉煤灰等）通過機械設備充分混合攪拌后凝固成型的新型多氣泡輕質材料，常用的容重范圍在4.0～8.0kN/m3，強度范圍為0.4～2.5MPa，具有質量輕、抗壓強度高、整體性好、凝結自立性以及保溫隔熱等特點。發泡劑是制作泡沫土的關鍵材料，主要有表面活性系列、蛋白質系列及樹脂肥皂系列三種，其中表面活性劑類發泡劑的效果較好。水泥是制作泡沫土的主要原材料，水泥宜采用42.5 級及以上的通用硅酸鹽水泥。當有快硬要求和其他用途時，可選用快硬水泥或特殊水泥在現場制作而成。

泡沫土具有高流動性、易固化、質量輕、強度高及良好自立穩定性等特點，且耐久性好，施工簡便快捷，無須進行特別的養護處理，可較大限度地消除填料質量引起的沉降量，因此，經常作為路基填料處理橋頭跳車較明顯段落、軟土地基高速公路拓寬工程、軟基路段縱向裂縫以及邊坡失穩的路基處理等，通過減輕軟土地基的荷載，達到減少路基的總沉降量及工后沉降量的目的。

泡沫土是多種材料攪拌后凝固而成的輕質材料，由于材料本身由多種物質混合而成，實踐表明其具有較大的收縮性，合理的配合比在提高材料強度的同時可以減少材料本身的收縮性能，以免出現橫向裂縫或縱向裂縫，減少路基的病害。在與相鄰土方填筑路段的搭接處理上，有必要研究其搭接方法，在滿足施工便利性的基礎上，減少因搭接施工而造成的沉降等。

1 泡沫土的設計研究

1.1 配合比的研究

泡沫土一般用于路基填高較大且軟土較為深厚的段落，泡沫土的容重大小決定了地基的最終沉降量及工后沉降量，所以泡沫土的容重是采用該填筑方法最重要的設計指標。在決定采用泡沫土填筑路基的段落，應先根據地質資料及容許的工后沉降量確定泡沫土的允許容重，并根據該容重確定該段落的泡沫土配合比，研究其強度及收縮率，使之滿足規范要求。

一般在試驗室制作400mm×400mm×280mm 的長方體試件用作泡沫土的壓縮試驗及收縮試驗。

首先，依據計算好的泡沫土配合比，按1∶30 的比例把發泡劑制成水溶液后，使用高速剪切乳化機預制發泡，將乳化機的轉速逐漸提升到7000r/min 并保持5～10min，泡沫穩定、細小、均勻時停止乳化剪切。

其次，把普通硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥均勻混合，然后把混合水泥、水、減水劑及其摻合料共同攪拌成料漿體。

最后，將制好的泡沫與料漿體混合，繼續攪拌形成新泡沫混凝土。

研究表明，無論摻加哪種摻合料，都不能完全阻止泡沫混凝土收縮，收縮變形一定存在。但聚丙烯纖維、減水劑及膨脹珍珠巖的摻入，均能在不同程度上抵制泡沫混凝土收縮，且隨摻入量增大，抑制收縮的能力越明顯，而發泡劑則可加大泡沫混凝土收縮，且隨摻入量增大，收縮越嚴重，也就是泡沫土的設計容重越小，其收縮特性也越大[1]。

工程實踐也表明，發泡劑是造成泡沫土容重減少最主要的材料，也是引起泡沫土收縮的最主要因素，發泡劑摻入越多其收縮率也越大，所以不能單方面追求過小的容重，而應根據地質條件及路基填高，計算工后沉降量及總沉降量，選擇合理的容重。設計時，還應根據設計的容重，進行室內配合比試驗，根據試驗數據得出其收縮率。某高速公路由于較大的收縮率，造成通車后橋頭路基與橋臺連接處的明顯裂縫，裂縫的寬度在2cm 左右，說明不當的配合比造成路基病害的發生（見圖1）。

圖1 某高速公路由于泡沫土收縮而引起的收縮裂縫

1.2 應對泡沫土材料收縮的措施

如前所述，由于泡沫土具有一定的收縮性能，過大的收縮量會造成泡沫土本身的縱橫向裂縫，如果泡沫土表面的裂縫反射到路面，則會造成路面的裂縫產生，從而影響路面的使用壽命。雖然采用合適的配合比，能減少泡沫土裂縫，但材料的特性決定了仍然會有一定的收縮變形。

為解決泡沫土收縮造成路面的沉降、與橋臺或路基連接處的裂縫等病害，一是在施工前應進行相應的配合比試驗，摻入各種合適比例的材料，使其收縮率在允許的范圍內；二是在施工過程中，采取相應的工程措施，減少其收縮變形。試驗表明，單塊泡沫土的體積越大，則其收縮變形量也越大，所以可以通過減少單塊泡沫土的澆筑體積來減少收縮量。

工程實踐還表明，在泡沫土完成的3d 內收縮率最大，3d 后收縮變形則明顯減小。所以，可以利用泡沫土收縮變形的特點來減少施工后的收縮變形，也就是在實際工程中采用分層澆筑的施工方案，并控制層與層的施工時間。在工程實踐中，一般每層的泡沫土的厚度控制在1m 以內，層與層之間的時間間隔應在3d以上，也就是先進行一層厚度不超過1m 的泡沫土施工，3d 后，將其表面打毛，便于上下兩層的黏合，而后再進行下一層施工。這種施工方法可以有效減少泡沫土收縮變形的影響，減少裂縫產生。

1.3 與土路基連接處的不同搭接方法路基沉降差異研究

由于泡沫土路基的造價較高，一般用于處理軟土厚度較大、軟土物理力學較差且路基填高較高的段落，或者用于處理邊坡失穩的局部路基，所以需要與土方填筑的土路基需要進行搭接。在常見的工程實際中，泡沫土與土路基的交界處，常采用的兩種搭接方法，一是泡沫土路基搭接在土路基上，二是土路基搭接在泡沫土上。采用第二種搭接方法，由于泡沫土的擴散作用，作用在軟土地基上的荷載要小于泡沫土路基搭接在土路基上的荷載，所以其沉降量也較小。為研究兩種方法沉降量的區別，選擇江漢平原軟土地基上的某高速公路橋頭路基，采用FLAC 3D 軟件，計算兩種搭接方法的總沉降量差異[2]。

某高速公路處于江漢平原，區域內廣泛分布著厚度在10～15m 的軟土地基。軟土主要為淤泥、淤泥質黏土及淤泥質粉質黏土等，軟土的含水量在40%～70%，孔隙比在1.1～2.0 之間，壓縮系數在1.0MPa-1以上，具高壓縮性；軟土的直接快剪指標中黏聚力在5kPa 左右，內摩擦角在2.3°左右，淤泥質粉質黏土的黏聚力在25kPa 左右，內摩擦角在5.2°左右；淤泥質粉質黏土的滲透系數約為3.0×10-6cm/s，淤泥質黏土的滲透系數在4.0×10-7cm/s。軟土以下一般分布著卵石層，該地區的軟土相對于長江下游的軟土地基，具有較快的沉降穩定速度。對于這些段落軟土地基的處理，目前的軟土地基一般先采用攪拌樁等復合地基的處理方法，然后采用清砂、素土及灰土等填筑路基，而對于有的段落，軟土厚度深厚，上面又有高壓線等通過，受到打樁高度的限制，打樁的深度可能不滿足設計要求，此時可采取泡沫土填筑路基，一是避免處理深厚的軟土地基，減少攪拌樁的長度甚至可以取消攪拌樁，二是減少土方填筑的數量，減少取土對農田或山體等自然環境的破壞。

某高速公路的某大橋橋頭及過渡段采用泡沫土填筑，泡沫土的填筑長度為50m，在泡沫土縱向相鄰的路段采用常規土方進行填筑。采用FLAC 3D 數值模擬軟件來計算路基變形，力學計算模型采用摩爾-庫倫模型（Mohr-Coulonb Model），模型采用的計算參數見表1。并用比奧固結理論計算軟土地基在路基填筑過程中的固結變形，考慮了流固耦合作用。在FLAC 3D 具體計算中，先進行初始地應力的平衡，然后在計算時激活各填土單元，模擬路基的填筑過程，每層的填筑厚度按1m 考慮，此時路基在附加壓力作用之下會發生沉降變形，并按路基及路面的施工時間，考慮地基固結變形。

表1 沉降計算參數取值表

兩種搭接方法計算沉降量沿路基縱向的沉降量如圖2 所示，沉降計算參數取值表見表1。計算表明，兩種搭接方式并沒有明顯的沉降量差異，計算的沉降量基本相當，兩種搭接方法計算的總沉降量都在26cm 左右。采用土路基在泡沫土上的搭接方式，由于泡沫土的擴散作用，計算沉降量要小于泡沫土在土路基上的方式（圖中50m 處），但沉降量的差別并不明顯，兩種搭接方式的沉降量差在10mm 左右。兩種搭接方法施工的難易程度明顯不同，采用土路基搭接在泡沫土路基上，由于土方的碾壓需要大量的施工機械，很可能造成在土路基施工過程中施工機械對已經施工完成泡沫土的破壞；而采用泡沫土搭接土路基上的搭接方法，則可以在土路基施工完成后，按照泡沫土的施工厚度，先在已經施工完成的土路基上逐級開挖臺階，再澆筑泡沫土，施工也較為簡單方便。

圖2 泡沫土與土路基不同搭接方法的路基變形

綜上所述，采用泡沫土搭接在土路基上的方式，雖然其總沉降量要稍大于采用土路基搭接在泡沫土上的方式，但其沉降的差異并不明顯。而采用后一種搭接方式可有效減少土路基施工過程中對泡沫土的破壞，所以推薦采用泡沫土搭接于土路基之上，也就是先完成泡沫土路基相鄰段的路基土方填筑，然后再進行泡沫土路基的施工。

1.4 泡沫土路基基底及表面的處理

在軟土地基采用泡沫土填筑的路基，路線往往通過河網密集的地區，地下水的位置較高，特別在雨季和汛期，地下水的位置更高。泡沫土由于其密度較小，水的浮力容易造成泡沫土路基的破壞，所以應重視泡沫土地基的排水工作。對泡沫土填筑的路基底部，應該采用厚度不小于50cm 的碎石墊層或中粗砂墊層，以及時排出地下水。對泡沫土處理的段落，還應做到路基兩側邊溝排水通暢，與周圍的水系應順暢連通，以利于及時排出積水等，從而避免地下水對路基造成的破壞。

1.5 泡沫土路基上面板的設計

由于泡沫土本身的抗剪強度較低，不能受集中力作用。施工完成后，應嚴格禁止施工車輛直接在泡沫土上行駛，否則容易造成已施工完成泡沫土路基的破壞，但由于路面的施工，路面施工車輛需要在泡沫土路基上通行。為了解決施工車輛在泡沫土路基上的通行問題，一般在泡沫土上施工20cm 的鋼筋混凝土板作為瀝青路面的底基層，在路面施工期間，可以直接通行施工車輛。

2 結語

在軟土地基上采用泡沫土填筑路基，可以有效減小路基的自重，減少地基的總沉降量及工后沉降量，可用于公路工程的某些特殊段落。在泡沫土設計時，應進行配合比試驗及合適的施工工藝設計，減少由于泡沫土的收縮特性造成連接處路基的橫向裂縫等。泡沫土搭接于土路基上或土路基搭接于泡沫土上，并沒有明顯的沉降量差。但泡沫土搭接于土路基上易于施工，建議先進行相鄰段落土路基施工，然后再進行泡沫土施工。