泡沫輕質(zhì)土在既有軟基道路擴(kuò)建中的應(yīng)用

李 群，李建宇，楊建輝，王振興

（1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048）

0 引 言

中國(guó)道路網(wǎng)建設(shè)始于20世紀(jì)80年代，如今許多道路相繼達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，由于路面破損嚴(yán)重、交通量日益增大，已經(jīng)難以滿足日益增長(zhǎng)的區(qū)域交通需要，迫切需要對(duì)現(xiàn)有道路進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)建。并且軟土地區(qū)的道路軟基處理面臨路基承載力不足、沉降過(guò)大等問(wèn)題，目前的處理方法主要有排水固結(jié)法、復(fù)合地基法、輕質(zhì)填料法等。對(duì)于改擴(kuò)建工程而言，由于工程造價(jià)較高、工期緊、施工場(chǎng)地狹窄，同時(shí)要維持既有道路交通的正常運(yùn)營(yíng)，所以需要針對(duì)工程的軟土性質(zhì)、施工條件、建設(shè)環(huán)境等情況進(jìn)行綜合分析，選取合適的處理方法。

目前，已有許多學(xué)者將泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于道路改擴(kuò)建工程中，并對(duì)其性質(zhì)及效果進(jìn)行研究，如陳忠平將泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用到京珠高速道路加寬工程中，有效地解決了拆遷困難和不均勻沉降等問(wèn)題；李思清等對(duì)廣佛高速公路擴(kuò)建工程的泡沫輕質(zhì)土試驗(yàn)段進(jìn)行分析和監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)土可以減輕填土荷載，有效解決了路基不均勻沉降的問(wèn)題［1］；呂錫嶺以三高高速公路擴(kuò)建工程為例，從數(shù)學(xué)角度分析了輕質(zhì)土擴(kuò)建路基的附加應(yīng)力分布規(guī)律和沉降特性，驗(yàn)證了輕質(zhì)土的工程應(yīng)用效果［2］。

本文以某道路改擴(kuò)建工程為背景，分析工程中存在的限制因素，選用泡沫輕質(zhì)土處理軟土地基，對(duì)其設(shè)計(jì)和施工技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)工后檢驗(yàn)證明泡沫輕質(zhì)土密度和強(qiáng)度可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有效解決已通車道路在不封路施工的前提下處治擴(kuò)建道路路基沉降的問(wèn)題。

1 工程項(xiàng)目概況

某道路路線全長(zhǎng)6.64km，于1995年建成，由于受當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平、技術(shù)水平和建設(shè)思路等多方面的限制，道路路基寬僅為8m，軟土路基只換填5m厚碎石，未進(jìn)行深層處理。運(yùn)營(yíng)至今路基有一定的沉降，局部路段累計(jì)沉降約60～70cm，路面狹窄、破損，路況較差，已經(jīng)不能適應(yīng)交通和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。因此，對(duì)其進(jìn)行改擴(kuò)建，以提高交通運(yùn)輸承載能力，確保車輛、行人通行的安全。

改擴(kuò)建道路處于珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)，全線均分布有大量的淤泥和淤泥質(zhì)軟土，厚度較大，埋深較淺，具有壓縮性高、天然孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、透水性差等特點(diǎn)。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)地基軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分層統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 各土層力學(xué)參數(shù)

2 軟土地基處理方案分析

2.1 原設(shè)計(jì)方案

處理深厚軟土地基常用的方法為采用塑料排水板并堆載預(yù)壓，本工程原計(jì)劃方案如下。

（1）在軟基埋深小于15m的路段，排水板間距1.2m；在埋深為15～20m的路段，排水板間距1.1 m；在埋深大于20m的路段，排水板間距1.0m。砂墊層厚60cm（排水板深入砂墊層30cm），上鋪1層單向土工格柵。軟土深度小于25m的路段，排水板需進(jìn)入持力層10cm左右；深度大于25m的路段，排水板最大處理深度按25m控制。

（2）采用堆載預(yù)壓時(shí)，應(yīng)在預(yù)壓期內(nèi)及時(shí)填補(bǔ)沉降土方，以保證預(yù)壓高度。路基填筑至設(shè)計(jì)的預(yù)定高程后，排水固結(jié)區(qū)域應(yīng)確保6～12個(gè)月的預(yù)壓期，當(dāng)符合連續(xù)3個(gè)月沉降不超過(guò)5mm標(biāo)準(zhǔn)時(shí)才能卸載。

針對(duì)本工程具體情況，此方案存在的問(wèn)題如下：對(duì)預(yù)壓時(shí)間及荷載條件的要求較為嚴(yán)格，經(jīng)計(jì)算預(yù)壓時(shí)間（含堆載、卸載時(shí)間）至少為12個(gè)月，而且堆載土方需要的臨時(shí)用地較大，不能保障路基施工用地條件和項(xiàng)目既定的通車時(shí)間目標(biāo)；全線右側(cè)有民居、商鋪和廠房，堆載預(yù)壓期達(dá)9個(gè)月，施工期間對(duì)居民生產(chǎn)和生活有較大影響；全線路口數(shù)量多達(dá)40個(gè)，堆載預(yù)壓的高度達(dá)到2.5～3.0m，嚴(yán)重影響居民出行；由于地下水位較高，在工期緊迫的情況下，塑料排水板結(jié)合堆載預(yù)壓的方法無(wú)法達(dá)到預(yù)期固結(jié)效果；現(xiàn)有道路下的軟土已沉降20多年，安裝塑料排水板可能會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致附加沉降。

2.2 變更后方案

根據(jù)工期要求、建設(shè)條件、建設(shè)期交通安全、沿線出入口分布及工程造價(jià)等方面的需求，并結(jié)合軟土性質(zhì)進(jìn)行綜合分析，按照?qǐng)D1的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路提出了“換填泡沫輕質(zhì)土”的處理方案。該方案的優(yōu)點(diǎn)如下：可多區(qū)域同時(shí)作業(yè)、連續(xù)施工，施工速度快，能保證達(dá)到項(xiàng)目既定的通車時(shí)間目標(biāo)；征用臨時(shí)土地少，有效改善施工征地問(wèn)題；不用堆載土方，對(duì)項(xiàng)目附近村莊和工廠的路口影響較小，減少對(duì)附近村民日常出行造成堵塞；對(duì)臨時(shí)交通組織的影響比塑料排水板結(jié)合堆載預(yù)壓的方案小，利于施工期間交通通暢及安全。

圖1 方案優(yōu)化分析

3 泡沫輕質(zhì)土換填方案的設(shè)計(jì)分析

3.1 輕質(zhì)土的特性及應(yīng)用

泡沫輕質(zhì)土的容重比土體小，且其容重和強(qiáng)度可根據(jù)工程需求進(jìn)行自由調(diào)整；施工準(zhǔn)備期短，填筑工程通過(guò)管路泵送實(shí)現(xiàn)，無(wú)需修建便道；因該方案作業(yè)面積小，能減少一些地區(qū)的線纜、通訊管道等的拆遷；填筑工程能持續(xù)作業(yè)，不需因碾壓工程而間斷；可垂直填筑，減少永久占地和征地拆遷問(wèn)題；填筑泡沫輕質(zhì)土屬于非隱蔽工程，施工質(zhì)量可控性高［3－6］。

20世紀(jì)80年代，日本研制出容重和強(qiáng)度可自由調(diào)整的泡沫輕質(zhì)土，并于1987年在橫濱市內(nèi)路橋維修中，首次將其作為填土原料應(yīng)用，隨后泡沫輕質(zhì)土在諸多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。21世紀(jì)初，陳忠平等學(xué)者將泡沫輕質(zhì)土技術(shù)引進(jìn)國(guó)內(nèi)，應(yīng)用泡沫輕質(zhì)土解決橋涵跳車、道路加寬時(shí)新老路基的差異沉降、市政交叉路的減荷換填、高填土路堤的穩(wěn)定性、寒冷地區(qū)路基的隔熱保溫等工程技術(shù)難題。此外，在工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，中國(guó)也頒布了泡沫輕質(zhì)土設(shè)計(jì)和施工的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，如《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》（CECS 249—2008）、《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》（TJG F10 01—2011）、《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ／T 177—2012）。

圖2 拓寬路基設(shè)計(jì)斷面

3.2 具體方案設(shè)計(jì)

3.2.1 方案設(shè)計(jì)圖

泡沫輕質(zhì)土置換軟土路基處理方案的設(shè)計(jì)見圖2。

3.2.2 泡沫輕質(zhì)土設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程泡沫輕質(zhì)土的主要性能指標(biāo)見表2。

3.2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算分析

（1）泡沫輕質(zhì)土置換厚度的確定。泡沫輕質(zhì)土治理軟土路基的加固機(jī)理為應(yīng)力置換，即適當(dāng)挖除原狀土體置換為輕質(zhì)土。依據(jù)路基修筑高度演算適當(dāng)?shù)闹脫Q厚度，回填輕質(zhì)土的附加荷載不大于被置換的土體自重荷載，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，需按水位線上下分別計(jì)算式（1）。從理論上講，處理后地基土處于超固結(jié)狀態(tài)，應(yīng)該沒(méi)有工后沉降［7－8］。

表2 泡沫輕質(zhì)土主要性能指標(biāo)

式中：γW、γWa分別為原狀土的天然容重和飽水容重（kN·m－3）；γ、γa為氣泡輕質(zhì)土的濕容重和表干容重（kN·m－3）；γi為換填后各個(gè)結(jié)構(gòu)層的容重（kN·m－3）；hi為路面結(jié)構(gòu)層填筑厚度（m）；H1為泡沫輕質(zhì)土在地面以下、水位以上的澆筑厚度（m）；H2為泡沫輕質(zhì)土在水位以下的澆筑厚度（m）；P為填筑體上部的壓力（kN）。

圖3 輕質(zhì)土置換厚度計(jì)算

（2）強(qiáng)度驗(yàn)算分析。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泡沫輕質(zhì)土的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和已有工程的長(zhǎng)期隨訪，得知浸水對(duì)輕質(zhì)土的強(qiáng)度無(wú)明顯影響，且能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的狀態(tài)［9－11］。因此，泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)只需確保輕質(zhì)土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度不小于規(guī)范要求的qu值即可。

式中：qu為填筑體自立穩(wěn)定的抗壓強(qiáng)度（kPa）；Fs為安全系數(shù)，取3；H 為填筑高度（m）；W 為填筑體頂部的荷載（kPa）。

（3）抗浮穩(wěn)定性分析。安全系數(shù)Fs的計(jì)算如式（3）所示。由于工程區(qū)域內(nèi)地表水較發(fā)育且地下水位較淺，在使用泡沫輕質(zhì)土置換地基時(shí)，挖掘面處于地下水位以下，因此考慮到地下水的影響。

式中：V1為填筑體體積（m3）；V2為計(jì)算水位以下的填筑體體積（m3）；γS為水的容重（kN·m－3）。

（4）腐蝕性分析。泡沫輕質(zhì)土處理軟弱地基時(shí)，若地下水腐蝕性為弱腐蝕及以上，需考慮腐蝕性影響，置換深度不宜進(jìn)入地下水位以下。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告中水質(zhì)的腐蝕性分析可知，工程范圍內(nèi)地下水及地表水中氯含量很低，對(duì)混凝土及結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。依據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50046—2008）中的條例，微腐蝕環(huán)境可按正常環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。

綜合上述設(shè)計(jì)分析，通過(guò)式（1）計(jì)算得出適宜置換深度為1.0～1.5m。依照式（2）、式（3）的驗(yàn)算分析得知，設(shè)計(jì)置換泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度和抗浮穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。參照地質(zhì)勘察報(bào)告中給予的水質(zhì)腐蝕性并結(jié)合相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析，可知位于水位以下的泡沫輕質(zhì)土不需要進(jìn)行抗腐蝕特殊處理。

4 泡沫輕質(zhì)土施工技術(shù)

4.1 工藝流程

泡沫輕質(zhì)土填筑路基的施工工藝流程見圖4。

4.2 施工控制要點(diǎn)

輕質(zhì)土填筑前應(yīng)依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)邊界條件進(jìn)行填筑區(qū)和填筑層的劃分，并對(duì)填筑區(qū)基底進(jìn)行雜物和積水的清理，保證基底高程符合設(shè)計(jì)需求。填筑施工控制要點(diǎn)如下。

（1）相同區(qū)域上下相鄰填筑層的填筑間隔時(shí)間需以下層輕質(zhì)土是否硬化為控制基準(zhǔn)，且應(yīng)不小于6h。

（2）在水泥漿初凝時(shí)間內(nèi)完成填筑工作，填筑時(shí)間不應(yīng)大于3h；水泥漿從制備完成到開始制造泡沫輕質(zhì)土的間隔時(shí)間應(yīng)不大于3h。

（3）沿填筑區(qū)域的長(zhǎng)軸方向從一端向另一端填筑，若使用多條填筑管作業(yè)時(shí)采取并列式填筑或?qū)鞘教钪?/p>

（4）填筑輕質(zhì)土?xí)r，若需挪動(dòng)填筑管，可沿填筑管放置的方向前后挪動(dòng)，嚴(yán)禁左右挪動(dòng)。

（5）填筑輕質(zhì)土?xí)r，出料管口盡量處于填筑面以下；在掃平填筑表面時(shí)，出料管口與當(dāng)前填筑面之間距離應(yīng)小于1.5m。

（6）填筑輕質(zhì)土?xí)r，實(shí)時(shí)檢測(cè)泡沫密度、水泥漿密度和泡沫輕質(zhì)土濕密度，其各項(xiàng)控制指標(biāo)允許誤差分別為±5%、±2%和±3%。

圖4 泡沫輕質(zhì)土施工流程

4.3 養(yǎng)護(hù)與維護(hù)

泡沫輕質(zhì)土填筑至設(shè)計(jì)高程后，需使用塑料薄膜覆蓋表層，從而達(dá)到保濕養(yǎng)護(hù)目的，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7d，泡沫輕質(zhì)土路基表層養(yǎng)護(hù)見圖5。

圖5 泡沫輕質(zhì)土表層養(yǎng)護(hù)

當(dāng)泡沫輕質(zhì)土的養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)方可開展其頂部的路面結(jié)構(gòu)層工程，若工期緊迫時(shí)，養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度至少達(dá)到0.6MPa。在施工作業(yè)過(guò)程中嚴(yán)禁大型設(shè)備直接在泡沫輕質(zhì)土頂面走動(dòng)，若局部地段無(wú)法回避時(shí)，應(yīng)在合適位置鋪設(shè)臨時(shí)保護(hù)層以便設(shè)備通行。

5 應(yīng)用效果及監(jiān)測(cè)

5.1 室內(nèi)試驗(yàn)分析

為了預(yù)測(cè)輕質(zhì)土現(xiàn)場(chǎng)使用的效果，按照相似原則進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。水泥、礦粉、粉煤灰等材料以及各材料配合比均與施工現(xiàn)場(chǎng)相同。泡沫輕質(zhì)土的試件尺寸為100mm×100mm×100mm，放置在（20±2）℃溫度、98%的恒溫恒濕條件下養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期（28d）。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得試樣的平均密度為603kg·m－3，平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.37MPa，以上試驗(yàn)結(jié)果可以較好地滿足工程需求。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

（1）經(jīng)密度測(cè)量?jī)x測(cè)試，輕質(zhì)土的密度平均值為606kg·m－3，較普通土的豎向土體壓力降低了65.9%。

（2）現(xiàn)場(chǎng)將混合攪拌好的輕質(zhì)土裝入尺寸為100mm×100mm×100mm的模具中制成試塊，進(jìn)行齡期為7d和28d的養(yǎng)護(hù)。經(jīng)抗壓強(qiáng)度測(cè)試，7d和28d的強(qiáng)度分別為0.89MPa和1.49MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）在填筑完畢后的8～12h內(nèi)進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，其沉陷距小于3cm、開裂寬度小于2mm，均滿足性能指標(biāo)要求，輕質(zhì)土路基頂面高程及其長(zhǎng)度和寬度也滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 監(jiān)測(cè)情況分析

為保證道路安全運(yùn)營(yíng)，分析泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)用效果，在道路沿線布置4個(gè)沉降監(jiān)測(cè)斷面。據(jù)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，深厚軟土地基經(jīng)泡沫輕質(zhì)土置換處理后，既有道路和拓寬道路的最大沉降量分別為8.96mm和9.23mm，最小沉降量分別為0.78mm和7.54mm，通車后新舊道路的工后沉降很小?？梢?，泡沫輕質(zhì)土路基可以降低加寬路基引起的附加應(yīng)力，減小拓寬路基沉降變形，同時(shí)避免施工對(duì)既有道路的擾動(dòng)，保證了既有道路的安全。

6 結(jié) 語(yǔ)

以某道路擴(kuò)建工程為依托，介紹泡沫輕質(zhì)土的基本特性、應(yīng)用狀況、設(shè)計(jì)方案、施工工藝和控制要點(diǎn)等，結(jié)合泡沫輕質(zhì)土在工程中的實(shí)際應(yīng)用，得出如下結(jié)論。

（1）現(xiàn)場(chǎng)施工獲得的泡沫輕質(zhì)土密度為606 kg·m－3，強(qiáng)度為1.49MPa，較普通土的豎向土體壓力降低了65.9%，有效減輕了新路基填筑荷載，提升了地基整體強(qiáng)度。

（2）采用泡沫輕質(zhì)土處理深厚軟土地基時(shí)，以密度小的填筑材料置換密度大的原狀土體，使地基軟土層的附加應(yīng)力小于有效應(yīng)力，軟土地基竣工時(shí)最大沉降僅有9.23mm，同時(shí)施工過(guò)程中對(duì)土層擾動(dòng)小，對(duì)既有道路的影響較小，保證了工程質(zhì)量。

（3）結(jié)合泡沫輕質(zhì)土在道路改擴(kuò)建工程中應(yīng)用，從置換厚度、強(qiáng)度、抗浮穩(wěn)定性和腐蝕性等方面分析輕質(zhì)土路基設(shè)計(jì)方案，并對(duì)施工控制要點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)類似深厚軟基道路擴(kuò)建工程中輕質(zhì)土設(shè)計(jì)和施工具有一定的借鑒意義。