泡沫輕質(zhì)土路基變形特性及施工工藝

王星云

（中交第四航務(wù)工程局有限公司總承包分公司，廣州 510000）

1 引言

軟弱地基含水量高、高壓收縮、敏感性高、厚度不均、強度低，已有的軟弱地基處理技術(shù)很難有效解決其變形大、穩(wěn)定性差的難題。 在施工工期受限的條件下，泡沫輕質(zhì)土因其制備周期短、密度低、施工高效等優(yōu)點，在降低路基沉降、提高道路及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等方面顯示出明顯的優(yōu)越性。 針對這一現(xiàn)狀，本文擬對泡沫輕質(zhì)土路基的變形特點與施工工藝進(jìn)行研究，并結(jié)合具體工程實例， 對不同構(gòu)造型式下泡沫輕質(zhì)土路基的變形特點與施工工藝進(jìn)行研究， 希望能對國內(nèi)道路軟弱地基的建設(shè)和施工技術(shù)起到一定的促進(jìn)作用。

2 工程概況

廣連高速TJ07 標(biāo)段路線起于清遠(yuǎn)市英德大灣鎮(zhèn)內(nèi)，經(jīng)英建村陳屋、 橫坑至瓦廠， 路線全長7.267 km。 該標(biāo)段路基約4.73 km，挖方142.3 萬m3，填方152.9 萬m3；高填路基兩處，最大填高20.7 m；深挖路基兩處，最大挖深高度26.7 m；其中泡沫輕質(zhì)土路基填筑共3 段，總填筑方量約1.8 萬m3。 該項目的主通道為雙向6 車道，設(shè)計時速120 km，路基寬為34.5 m。

3 泡沫輕質(zhì)土基本特性及其影響因素研究

3.1 重度

泡沫輕質(zhì)土的重度比較小，可以按照工程要求進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整幅度通常在5～12 kN/m3， 約為常規(guī)建材重度的1/5～3/5，比常規(guī)輕質(zhì)填料粉煤灰還小，僅次于泡沫塑料塊輕質(zhì)土。 泡沫輕質(zhì)土重度的大小主要與單次澆筑厚度、氣泡含量、固化時間長短、材料配合比及浸水時間長短等因素有關(guān)[1]。

3.2 流動性

新攪拌的泡沫輕質(zhì)土流動性強，可實現(xiàn)自流動，隨著時間的推移逐漸固化，無須滾動即可實現(xiàn)自壓實，其流量值通常可采用圓筒法測量。 用于工程施工，其流量一般為160～200 mm。結(jié)果表明，水灰比、空泡率及土體的性質(zhì)對其滲流性能有較大影響。

3.3 無側(cè)限抗壓強度

泡沫輕質(zhì)土是一種可調(diào)節(jié)其抗壓強度的材料， 無側(cè)限抗壓強度為0.3～1.5 MPa，通過改變原材料的種類和配比，控制摻氣比例，可以調(diào)節(jié)水泥的無側(cè)限抗壓強度。 在公路工程中，通常這種材料的無側(cè)限抗壓強度應(yīng)為0.5～1.5 MPa。 雖然與常規(guī)填料相比，泡沫輕質(zhì)地基具有更高的承載能力，但其抗壓強度仍在一般填料與混凝土之間。 泡沫輕質(zhì)土相對于混凝土而言，其抗壓強度偏低，不宜盲目取代混凝土或常規(guī)填料。 影響泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度的因素包括:氣泡含量、原料土的種類及其用量、固化材料的種類和用量、養(yǎng)護(hù)的時間以及養(yǎng)護(hù)環(huán)境的條件等。 這些因素都需要在設(shè)計和施工過程中仔細(xì)考量，以確保泡沫輕質(zhì)土能夠滿足特定工程的需求。

4 施工工藝

4.1 施工準(zhǔn)備

1）下承層準(zhǔn)備。 本項目前期研究表明，在無墊層的情況下，泡沫輕質(zhì)地基會出現(xiàn)明顯的“橋梁”效應(yīng)，這種“橋梁”效應(yīng)不利于其承載，而增大墊層厚度則會導(dǎo)致“基礎(chǔ)+墊層”的底面剛度變小，進(jìn)而減小“橋梁”效應(yīng)；墊層完成后，應(yīng)在其上覆蓋一層土工布，其透氣性為10～10 cm/s。 設(shè)置一條橫向地下的排水溝，在其外部覆蓋一層防滲防水布，用于排放泡沫輕質(zhì)土周圍土壤中的水分，并通過設(shè)置在底部的碎石滲溝進(jìn)行排放，滲溝內(nèi)的水通過PVC 管道排出[2]。

2）施工前，應(yīng)對泡沫輕質(zhì)土混合料進(jìn)行合理的配比設(shè)計，并通過現(xiàn)場試驗來檢驗其強度、壓實度和流速等參數(shù)。 試配測試時，應(yīng)從原材料中抽樣并重新檢驗，不得使用不合格品。

3）在確定了澆筑區(qū)域和一次澆筑高度之后，設(shè)置臨時模板［可以使用木模板（殼板）進(jìn)行施工］，并依次鋪設(shè)底部防水土工布和基礎(chǔ)、路基底部鋼絲網(wǎng)。 在金屬網(wǎng)的鋪放及模板的安裝過程中，要盡可能地避免采用錨桿樁及錨固釘。 如果發(fā)現(xiàn)有破損的防水土工布，可以及時修補或用水玻璃代替，這樣就可以為混凝土施工做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。

4）在澆筑泡沫輕質(zhì)土層之前，必須先對澆筑區(qū)域進(jìn)行清理， 尤其是地基底的積水及其他雜物。 在地下水較深的情況下，應(yīng)做好排水、防水準(zhǔn)備工作，若內(nèi)墻及地基底面有積水，則不允許施工。

5）泡沫輕質(zhì)土制造裝置應(yīng)當(dāng)具有自動計量原料的功能，測量誤差見表1。

表1 泡沫輕質(zhì)土生產(chǎn)設(shè)備材料測量誤差

4.2 泡沫輕質(zhì)土路基墊層施工

1）在同一水平層上，路基的整個寬度應(yīng)使用相同的填筑物，對不同的填筑物，可以分層、分段，不能混填。 每一種填充物壓實厚度應(yīng)為600 mm， 當(dāng)填充物達(dá)到墊層的最后一層時，壓實厚度應(yīng)為150 mm。

2）每一種填充物的松散厚度都要預(yù)先在現(xiàn)場進(jìn)行測試。填料在壓實過程中，填料層的寬度要大于設(shè)計0.5～1.0 m 寬。

3）如果原來的地面縱坡很大（超過10%，或者橫坡比1∶5更陡），就應(yīng)該挖出一個臺階，設(shè)置坡度≥3%，坡向朝里，寬度≥2 m。

4）采用機械碾壓時，盡量采用2～4 km/h 的碾壓速度。 壓實一般由低向高進(jìn)行碾壓， 兩行之間的接頭一般應(yīng)重疊1/4～1/3 輪跡。

4.3 泡沫輕質(zhì)土施工

4.3.1 輸送方式

在攪拌完畢后， 可以通過泵送管道或直接泵送泡沫輕質(zhì)土混合物。 不應(yīng)采用預(yù)拌式混凝土車和自卸卡車進(jìn)行運輸，這主要是由于如果采用了預(yù)拌式混凝土車和自卸卡車運輸，那么在振動的情況下，泡沫輕質(zhì)土中的氣泡會發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致其摻混比例的改變，并對其重度、流動性和強度等特性產(chǎn)生重要影響。 所以，最好采用泵送管線[3]。

4.3.2 輸送距離

在泡沫輕質(zhì)土的配比上，為保證泡沫黏土的密實度、流動性及強度滿足單級管泵送要求，為保證其施工穩(wěn)定、混合料不離析，單級輸送距離最大為500 m。 當(dāng)管道長度＞500 m，可以采用中轉(zhuǎn)泵送的方式， 也可以采用在管道末端放置泡沫輕質(zhì)土料的方法。

4.3.3 分層分塊

1）分層澆筑。 土中的氣泡受其自重的影響，在未固化之前，其內(nèi)部會產(chǎn)生一定的空泡，空泡數(shù)量會隨其單次澆筑高度的增大而增大。 這種情況導(dǎo)致了底部較輕的土體積比頂部稍大；并且隨著單次澆筑層厚的增加，這種差異更加顯著。 隨著底層泡沫輕質(zhì)土密度的降低（含氣泡量較高），其重度增大的幅度也較大。 所以，當(dāng)使用泡沫輕質(zhì)土減荷時，要適當(dāng)控制其單次澆筑高度，保證其密度較小。 一般情況下，單澆筑層的高度不應(yīng)超過1 m，但是，為了減少施工工序和由于施工工藝而產(chǎn)生的截面尺寸效應(yīng)，單澆筑層的高度通常不應(yīng)＜0.3 m。 泡沫輕質(zhì)土在不同層位之間的充填間隔應(yīng)＞8 h。

2）分塊澆筑。 泡沫輕質(zhì)土是一種水泥性物質(zhì)，在進(jìn)行大規(guī)模施工時，不可避免地會出現(xiàn)一些溫度裂縫。 泡沫輕質(zhì)土路基應(yīng)采用木模及其他支護(hù)方式，以減小裂縫的發(fā)生，并避免出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。 模板與泡沫黏土之間應(yīng)填充泡沫塑料板，根據(jù)自身設(shè)備的產(chǎn)量、澆筑厚度、水泥初凝時間來決定每個主體的最大澆筑面積，以保證在水泥初凝之前，能夠完成對泡沫黏土的澆筑。 并在此基礎(chǔ)上，提出了一種簡化施工程序，減小斷面尺寸效應(yīng)的方法。

4.3.4 保護(hù)壁或模板

泡沫輕質(zhì)土具有良好的流動性，為保證其在路基內(nèi)成型，需采用泡沫塑料與鋼木模板組合，防止其發(fā)生滲流。 泡沫塑料是一種很好的支撐模板，也是輕質(zhì)土變形縫中的填充材料，可以很好地減小內(nèi)部應(yīng)力作用，但一般無法抽出。 鋼筋（木）模板與地基之間的縫隙必須嚴(yán)密，不能有滲漏。 此外，為了防止模板歪斜、浮起，可在其上設(shè)置縱、橫筋加強防護(hù)，使縱肋與橫肋連接牢固可靠。 總而言之，要達(dá)到預(yù)期的加固效果，就必須保證擋墻或模板的強度和穩(wěn)定性， 并保證在施工過程中無滲漏或少量漏漿。

4.3.5 澆筑方法

在泡沫輕質(zhì)土路基的施工中， 采用合適的混凝土澆筑方式是關(guān)鍵，只有采用恰當(dāng)?shù)幕炷翝仓绞剑拍苋〉幂^好的工程效果。 為避免氣泡溶蝕、混合料離析，確保其穩(wěn)定，需盡可能地降低振動強度，使其不受擾動影響。 泡沫輕質(zhì)土一次澆筑高度宜為0.6 m（2 塊板高），最大澆筑高度不超過0.9 m（3 塊板高），設(shè)計圖中最大濕密度設(shè)計值650 kg/m3，以一次澆筑高度0.9 m（考慮最不利情況）和單根角鋼承受泡沫輕質(zhì)土對單塊面板（0.9 m）寬度的壓力進(jìn)行計算，使用MIDAS 進(jìn)行建模，對模型進(jìn)行簡化，面板與角鋼之間設(shè)置參數(shù)為≤1.0，以角鋼保持面板穩(wěn)定，面板側(cè)壓力按流體壓力荷載進(jìn)行設(shè)置，計算結(jié)果按照恒載1.2 倍側(cè)壓力進(jìn)行計算，不考慮人員荷載，模型建立如圖1 所示。

圖1 面板模型圖

在澆筑時， 輸送管的前端應(yīng)該埋在已澆筑的泡沫輕質(zhì)土上，或盡量靠近已澆筑泡沫輕質(zhì)土表面，且輸送軟管的出口距澆筑表面不得大于1 m。 全線回填區(qū)采用水平分層澆筑，待上一層混凝土養(yǎng)護(hù)完畢后，再澆筑上層混凝土。

4.3.6 調(diào)整縱橫坡

由于泡沫輕質(zhì)土具有很大流動性，因此，在實際工程中很難滿足設(shè)計要求。 另外，當(dāng)發(fā)泡黏土經(jīng)過固結(jié)和硬化以后，若汽車負(fù)載或機械負(fù)載直接壓在泡沫黏土上，壓力太大，將不可避免地破壞泡沫黏土表層。 因此，當(dāng)泡沫輕質(zhì)土地基建成后，找平層和保護(hù)層通常采用C25 現(xiàn)澆混凝土。 混凝土至少要有10 cm 的厚度。 必須用角鐵加強混凝土。 為保證后期路面具有較好的黏結(jié)性能，要對平層表面進(jìn)行拉延[4]。

5 結(jié)語

用泡沫輕質(zhì)土來取代傳統(tǒng)的填筑地基， 不僅可以提高施工速度，縮短施工時間，還可以有效減少地基的沉降。 本文通過對泡沫輕質(zhì)土的施工成本分析， 提出了泡沫輕質(zhì)土的最優(yōu)充填高度。 用泡沫輕質(zhì)土代替普通填筑材料作為一種新的軟土路基處理方法， 在實際應(yīng)用中仍有很多新問題有待于深入研究。