泡沫輕質(zhì)土臺(tái)背回填工程應(yīng)用研究

謝學(xué)欽

（廣東水電二局股份有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

泡沫輕質(zhì)土是一種密閉微孔水泥基輕質(zhì)材料，用于臺(tái)背回填可解決橋梁減跨和橋頭跳車問題。泡沫輕質(zhì)土容重約為水的1/2，壓縮模量1GPa，自身壓縮變形可忽略，對(duì)路基承載力要求低、變形小。經(jīng)廣東、浙江、江蘇、天津等軟土發(fā)育地區(qū)應(yīng)用證明，泡沫輕質(zhì)土可有效解決橋頭跳車問題。下文將重點(diǎn)圍繞泡沫輕質(zhì)土在省道S540中的應(yīng)用展開討論。

1 泡沫輕質(zhì)土材料特性

1.1 物理性質(zhì)

1.1.1 濕容重

濕容重是指氣泡群、水泥、水以及添加材料等攪拌后的混合漿液的容重，輕質(zhì)土凝結(jié)干燥后的干容重略小于濕容重。通過改變水泥、水、添加材料和氣泡群的配合比可調(diào)節(jié)濕容重。

1.1.2 吸水性

泡沫輕質(zhì)土中含有大量的氣泡，大部分氣泡處于封閉狀態(tài)，但仍存在部分連通孔隙，因而具有一定的吸水性。泡沫輕質(zhì)土路基為大體積塊材，與試驗(yàn)室中的小尺寸試樣邊界條件不同，大體積輕質(zhì)土滲透路徑長(zhǎng)，是一個(gè)緩慢的滲水過程，因而滲水僅會(huì)對(duì)外圍輕質(zhì)土的重量產(chǎn)生影響，而不會(huì)影響到路基內(nèi)部。作為路基填料，完全的泡水情況一般較為少見，山體滲水或者雨水不會(huì)完全浸透路基，且存在干濕循環(huán)過程，因此，輕質(zhì)土的弱吸水性對(duì)路基的重量不會(huì)產(chǎn)生影響[1]。

1.1.3 滲透性

泡沫輕質(zhì)土在一定水頭壓力作用下會(huì)產(chǎn)生滲透，其滲透途徑為與外部連通的孔隙。滲透系數(shù)的大小反映了泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙與外部的連通程度。試驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫輕質(zhì)土滲透系數(shù)約為10-7cm/s數(shù)量級(jí)，滲透系數(shù)隨容重的增大而減小。

1.1.4 保溫隔熱性能

泡沫輕質(zhì)土作為一種輕質(zhì)多孔材料具有較好的保溫隔熱性能，可用于屋面保溫隔熱、保溫墻體、管道保溫等工程。道路上作為凍土路基的隔熱層，可解決道路融陷、翻漿問題。

1.1.5 干燥收縮特性

泡沫輕質(zhì)土作為多孔材料，試驗(yàn)所測(cè)得的材料干燥收縮應(yīng)變約在2‰，是普通混凝土的4～6倍，這種收縮會(huì)引起大體積輕質(zhì)土的龜裂。但伴隨著收縮的發(fā)生，徐變也在增加，對(duì)因收縮引起的龜裂起到一定程度的緩解作用。

泡沫輕質(zhì)土路基與鋼筋混凝土承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載的機(jī)理不同，主要應(yīng)用其輕質(zhì)、高強(qiáng)、整體性好的特性替代常規(guī)路基填料，產(chǎn)生的微裂縫不會(huì)影響路基的整體穩(wěn)定性和安全性。為了減少輕質(zhì)土的干縮所產(chǎn)生的裂縫，輕質(zhì)土路基每隔10～15m設(shè)置1道變形縫，施工過程中泡沫輕質(zhì)土也采取分層分塊的澆筑方法，用以減少水化熱。

1.2 力學(xué)性能

1.2.1 三軸壓縮變形

濕容重為5kN/m3、尺寸為φ61.8mm×125mm圓柱形試件，在圍壓分別為100kPa和300kPa的壓縮變形曲線與單軸壓縮試驗(yàn)曲線的脆性破壞模式不同，由于圍壓約束了試件的側(cè)向變形，裂紋的出現(xiàn)和發(fā)展受到控制，從而延緩了試件的破壞過程，出現(xiàn)塑性變形趨勢(shì)。此外，隨著圍壓的增大，抗壓強(qiáng)度會(huì)得到一定程度的提高。

道路工程中所應(yīng)用的為大體積泡沫輕質(zhì)土，車輪集中荷載作用范圍內(nèi)的輕質(zhì)土受到相鄰輕質(zhì)土的約束，強(qiáng)度也會(huì)有所增加，具有一定的安全儲(chǔ)備。

1.2.2 抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值即為工程中所指的泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度，是需要控制的重要指標(biāo)。采用10cm×10cm×10cm的立方體抗壓試驗(yàn)獲取。在20℃±2℃條件下，采用塑料薄膜密封養(yǎng)生至28d齡期，按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的立方體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，用CF表示，即CF0.3表示抗壓強(qiáng)度為0.3MPa。氣泡群用量越多，其容重等級(jí)越小，抗壓強(qiáng)度越低[2]。

1.2.3 抗拉強(qiáng)度

泡沫混凝土的抗拉強(qiáng)度較小，約為抗壓強(qiáng)度的0.16倍，承受拉力作用易開裂。因此，在應(yīng)用于有拉力區(qū)時(shí)，應(yīng)設(shè)置抗裂構(gòu)件如鋼筋網(wǎng)片等。

1.2.4 回彈模量

泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與彈性模量具有較好的線性關(guān)系。高等級(jí)公路路基回彈模量大于30MPa，即使泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度為0.3MPa，其回彈模量為75MPa，也可滿足規(guī)范要求。因此，泡沫輕質(zhì)土路基抗變形能力較好，能夠?qū)β访嫫鸬奖Ｗo(hù)作用。

1.2.5 疲勞性能

距離路面頂面25cm，外部荷載所引起的附加應(yīng)力不超過總應(yīng)力的20%，泡沫輕質(zhì)土疲勞強(qiáng)度均值為0.88MPa，在此應(yīng)力下的疲勞壽命約為1029次，完全滿足公路的使用年限。

2 工程概況

該項(xiàng)目為省道S540線在陽江境內(nèi)路段的組成部分，主要沿原雅白線公路拓寬改造。近年來，由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，原有雙向四車道公路的通行能力和服務(wù)水平逐漸降低，交通擁堵日益嚴(yán)重，為更好地承擔(dān)干線運(yùn)輸功能和應(yīng)急保障功能，亟須進(jìn)行拓寬改建。線路起于雅韶鎮(zhèn)，終于白沙鎮(zhèn)。路線總體沿舊路布設(shè)，路線總長(zhǎng)17.824km。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：公路等級(jí)為雙向六車道的一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度80km/h。

該項(xiàng)目位于陽江南部沿海區(qū)域，在東端及西端為微丘地段，其余大部分路段為三角洲沖積平原，地形十分平坦，標(biāo)高1.3～2.1m，屬漠陽江一級(jí)沖積階地。橋位地基巖土層較為簡(jiǎn)單，上部為第四系覆蓋層，分別為耕植土、淤泥質(zhì)黏土、亞黏土、含卵石礫砂或砂礫組成，沉積總厚度8.1～20.3m，西段較東段稍厚，下部基底為燕山三期花崗巖。

3 工程應(yīng)用

3.1 應(yīng)用部位

常規(guī)橋臺(tái)緊鄰基坑側(cè)壁，施工空間相對(duì)狹窄，也不利于大型振動(dòng)碾壓設(shè)備施工。再者，橋臺(tái)高度大，回填砂礫石對(duì)橋臺(tái)產(chǎn)生的推擠力大，需要更大結(jié)構(gòu)尺寸橋臺(tái)抵抗水平力。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)中采用了泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行回填（見表1）。

表1 泡沫輕質(zhì)土填筑范圍

構(gòu)造物臺(tái)背的處理主要是解決橋頭、涵洞兩側(cè)路堤不均勻沉降引發(fā)的跳車病害。該項(xiàng)目橋梁、涵洞（明涵）兩側(cè)利用泡沫輕質(zhì)土填筑，保證路基到橋梁由柔性到剛性平穩(wěn)過渡。

3.2 方案背景

常規(guī)的橋臺(tái)為重力式臺(tái)、柱式臺(tái)、肋式臺(tái)、薄壁式臺(tái)和扶壁式臺(tái)等類型，臺(tái)背填土采用碎石、石屑或碎石土等易壓實(shí)、變形模量大的填料，臺(tái)前根據(jù)要求采用直立或溜坡的方式。橋頭跳車和橋臺(tái)推擠破壞是常見的主要問題。

橋臺(tái)多采用樁基礎(chǔ)，具有較大的整體剛度和微小的沉降變形，造成橋臺(tái)與臺(tái)背路基之間容易產(chǎn)生較大的沉降差異，出現(xiàn)橋臺(tái)跳車現(xiàn)象。橋頭跳車會(huì)影響行車速度，給行車安全帶來隱患，產(chǎn)生的沖擊對(duì)橋涵和車輛都會(huì)造成損壞。

3.3 泡沫輕質(zhì)土橋臺(tái)臺(tái)背分析

臺(tái)背的泡沫輕質(zhì)土的填筑范圍與地基土的變形性質(zhì)相關(guān)。對(duì)于非軟土橋臺(tái)，路基整體沉降量小，泡沫輕質(zhì)土主要解決臺(tái)背填料難以壓實(shí)問題，換填范圍可小一些；對(duì)于軟基橋臺(tái)，路基的工后沉降量大，為使橋臺(tái)與路基之間形成漸變的沉降曲線，填筑范圍要大一些。

對(duì)于海陸相交互沉積或山間沖積軟土，多含有雜填土、粉細(xì)砂或礫砂等硬殼層，珠三角地區(qū)典型的軟土地基地質(zhì)縱斷面為硬殼層厚度2～15m不等。該項(xiàng)目中既有道路在早期施工時(shí)已進(jìn)行了一定程度的預(yù)壓，可看作人工硬殼層。

含硬殼層的軟基沉降量可以分為兩個(gè)部分[3]：

第一，硬殼層自身的壓縮變形。雜填土、砂土等硬殼層的土層在路基荷載作用下會(huì)產(chǎn)生變形，但雜填土或砂土等土體變形完成較快，一般在路基填筑完工后便可完成大部分變形，工后沉降量較小。

第二，硬殼層軟土地基變形。軟土的固結(jié)沉降曲線如圖1（a）所示，圖中P0為軟土頂面位置硬殼層產(chǎn)生的壓應(yīng)力，泡沫輕質(zhì)土路基經(jīng)硬殼層擴(kuò)散后的附加應(yīng)力使該位置的壓力增大到PL，相應(yīng)的孔隙比改變了Δe。圖中還可以看出，固結(jié)曲線起初對(duì)應(yīng)的孔隙比變化較大，隨著固結(jié)壓力的增加土體越來越密實(shí)，孔隙比變化率越來越小。也就是說，埋深越大的軟土，新增附加荷載對(duì)其產(chǎn)生的壓縮變形量越小。

圖1 軟土固結(jié)壓縮曲線

因此，只要將路基附加荷載控制在一定范圍內(nèi)，便可達(dá)到控制工后沉降量的目的。根據(jù)理論計(jì)算和工程應(yīng)用的情況來看，對(duì)于新建路基，其下伏硬殼層厚度大于等于4m，不進(jìn)行地基處理的情況下，可直接在其上部填筑5m高度以下的路基，工后沉降量可控制在20cm以內(nèi)；對(duì)于加寬路基，其硬殼層厚度超過2m即可；硬殼層厚度不足時(shí)，可對(duì)地基進(jìn)行超載預(yù)壓地基處理，其變形控制原理見圖1（b）。預(yù)先堆載超過輕質(zhì)土路基的荷載Ps，固結(jié)變形達(dá)到要求后，卸除超載部分的土體，土體產(chǎn)生回彈；再加載輕質(zhì)土路基荷載PL后，地基產(chǎn)生較小的再壓縮變形。再壓縮變形即為輕質(zhì)土路基的沉降變形，滿足路基沉降變形控制要求。

3.4 泡沫輕質(zhì)土橋臺(tái)臺(tái)背結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括斷面設(shè)計(jì)和銜接設(shè)計(jì)。斷面設(shè)計(jì)包括填筑高度、填筑寬度；銜接設(shè)計(jì)包括銜接形式和細(xì)部尺寸，一般斷面尺寸要求如表2所示。

表2 斷面尺寸要求

針對(duì)附屬工程的設(shè)計(jì)，需注意以下幾點(diǎn)：

一是面板采用擋板砌筑，宜由基礎(chǔ)、擋板、拉筋及立柱組成。

二是當(dāng)填筑范圍超過15m時(shí)，應(yīng)按10～15m間距設(shè)置沉降縫；若底面有地形突變，應(yīng)在突變位置設(shè)置沉降縫。

三是氣泡混合輕質(zhì)土底部設(shè)置一層30cm碎石墊層，氣泡混合輕質(zhì)土的擋板基礎(chǔ)設(shè)于墊層上方。

3.5 方案總結(jié)

泡沫輕質(zhì)土工后沉降小，無側(cè)移，解決橋頭跳車問題，其自立能力使橋頭幾乎無推擠力，能夠很好地保護(hù)橋臺(tái)，也可優(yōu)化為樁柱式臺(tái)，延長(zhǎng)橋臺(tái)的使用壽命，填筑時(shí)不需要放坡，減少征地拆遷等工作，降低總體造價(jià)，具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語

綜上所述，泡沫輕質(zhì)土技術(shù)在2001年引入國內(nèi)道路工程中，經(jīng)過多年的研發(fā)和推廣應(yīng)用，已廣泛用于橋臺(tái)臺(tái)背回填、橋梁減跨、道路加寬、陡坡路堤、軟土路基減荷、地下結(jié)構(gòu)物減荷等工程中，取得了良好的效果并逐漸被公路行業(yè)認(rèn)可，值得廣泛推廣。