氣泡輕質(zhì)混合土在山區(qū)城市道路高填方設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

汪旻磊

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 研究背景

1.1 山區(qū)城市特點(diǎn)

山區(qū)城市與大多數(shù)其他城市相比具有城區(qū)內(nèi)地勢起伏明顯，可利用有效面積少，土地資源愈顯珍貴，往往出現(xiàn)在狹小的空間中布設(shè)有大量城市市政、生活設(shè)施與管線的現(xiàn)象。

隨著城市發(fā)展的深入，對既有城區(qū)進(jìn)行改建提升的呼聲迫切而強(qiáng)烈，但由此也產(chǎn)生了不少山區(qū)城市特有的困難。在實(shí)施較大規(guī)模的市政工程時(shí)，不可避免的要面臨在起伏劇烈的地形基礎(chǔ)上進(jìn)行高填深挖和局促狹小用地內(nèi)保護(hù)其他用地和管線設(shè)施之間的矛盾。簡而言之，就是高填方所帶來的地基承載力、荷載提高與現(xiàn)有地質(zhì)條件，地下管線之間的矛盾，和高填方所帶來的放坡用地與現(xiàn)狀緊張的用地條件之間的矛盾。

1.2 氣泡輕質(zhì)混合土簡介

用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑等按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料。

氣泡輕質(zhì)混合土具有多種特性

（1）輕質(zhì)性：常用于施工的濕容重為5.5～6.5 kN/m3；

（2）多孔性：其孔隙率可達(dá)到60%～70%；

（3）強(qiáng)度特性：抗壓強(qiáng)度優(yōu)于一般路基填料；

（4）流動性：具有較好的流動性，可自流平；

（5）自立性：固化后垂直臨空面?zhèn)葔毫?。

2 工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性控制要素[1，2]

2.1 天然地基承載力和地基承載力特征值fa

地基承載力特征值是指由載荷試驗(yàn)確定的地基土壓力變形曲線線性變形段內(nèi)規(guī)定的變形所對應(yīng)的壓力值，其最大值為比例界限值。通常用于檢驗(yàn)各類構(gòu)筑物是否具有放置于現(xiàn)狀地質(zhì)上的條件并判斷是否需要進(jìn)行進(jìn)一步地基處理，在實(shí)際設(shè)計(jì)，施工過程中還需進(jìn)行進(jìn)一步修整

式中：fa為修正后的地基承載力特征值；fak為地基承載力特征值；ηb、ηd為基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù)；γ為基礎(chǔ)底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；b為基礎(chǔ)底面寬度，m；γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度；d為基礎(chǔ)埋置深度，m。

2.2 管線等構(gòu)筑物現(xiàn)狀荷載條件

在已建城區(qū)多采用現(xiàn)狀管線局部搬遷或增設(shè)保護(hù)設(shè)施等方式減少工程建設(shè)對現(xiàn)有地下設(shè)施的影響。尤其在山區(qū)城市的高填方工況，更應(yīng)核對新增填土荷載對地下現(xiàn)有管線造成的影響，評估設(shè)施保護(hù)方案，增設(shè)保護(hù)設(shè)施或者對高填方路基進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，采用先卸載再采用特殊材料進(jìn)行填筑，確保新舊路基荷載基本一致，減少不利影響。

路基整體穩(wěn)定性：山區(qū)城市其自身特點(diǎn)決定了其地勢起伏較大，加之工程自身填土等工況，確保路基或其邊坡支擋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，對于工程建設(shè)安全具有重大的意義。在計(jì)算整體穩(wěn)定性時(shí)，通常采用滑動面系數(shù)穩(wěn)定法，對土體進(jìn)行多點(diǎn)圓心，多種半徑的全局搜索后確定穩(wěn)定系數(shù)最小的滑動面作為最不利滑動面。

3 廣西柳州某工程實(shí)踐案例

3.1 工程現(xiàn)場場地概況

本文設(shè)計(jì)案例為廣西柳州某大型路橋項(xiàng)目工程，柳州市為河流階地地貌與巖溶地貌迭加，故工程所在地地勢起伏明顯，工程某路段現(xiàn)場，沿道路前進(jìn)方向200 m距離內(nèi)天然地形落差達(dá)20 m余，經(jīng)工程方案設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)標(biāo)高距天然地坪仍有10 m以上高差，屬高填方路基。在周邊用地條件方面，高填方路段沿線為現(xiàn)狀市政污水廠設(shè)施，用地資源十分受限；工程場地下方分別有柳州城北地區(qū)最大的污水暗涵和污水廠新建的箱涵，十字交叉，且埋設(shè)達(dá)8～10 m，箱涵現(xiàn)狀荷載堆土頂標(biāo)高與本工程實(shí)際需要堆土高度相差約5～6 m。

3.2 方案設(shè)計(jì)

3.2.1 總體方案設(shè)計(jì)

（1）總體布置方案

本工程具有工程現(xiàn)場地勢起伏劇烈，地下管線、設(shè)施復(fù)雜，周邊用地緊張3大難點(diǎn)。其中地下設(shè)施走向曲折且兩條管線呈十字上下交叉的狀態(tài)使采用新建外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)的方式難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)現(xiàn)狀管線設(shè)計(jì)堆土荷載與工程實(shí)際需求值之間有著較大的差距，加之用地條件受限，傳統(tǒng)的路基填土放坡的填筑方式也難以契合本工程的需求。故幾經(jīng)方案比較和專家論證，最終采用氣泡輕質(zhì)混合土進(jìn)行超挖卸載后再換填的方式進(jìn)行高路堤建設(shè)并在邊坡處用垂直扶壁式擋土墻進(jìn)行支護(hù)。

氣泡輕質(zhì)混合土填筑平面范圍：地下涵洞平面位置及其深度擴(kuò)散角范圍均進(jìn)行換填。

超挖換填深度：現(xiàn)狀管線實(shí)際管頂覆土厚度2.0 m，設(shè)計(jì)覆土厚度3.0 m。當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀素土重度為18 kN/m3，則現(xiàn)狀管頂設(shè)計(jì)荷載為P源=γ素×H1=48 kPa。換填氣泡輕質(zhì)混合土選用W6.0型，即重度γ換為6.0 kN/m3，需要換填的高度為 γ換×H2≤P原，則 H2限制高度為8.0 m以內(nèi)?，F(xiàn)狀荷載堆土頂標(biāo)高與本工程實(shí)際需要堆土高度相差約5～6 m，可采用超挖2.0 m+新增填髙6.0 m，總計(jì)8.0 m正好與當(dāng)前管頂荷載基本相當(dāng)，見圖1。

圖1 氣泡輕質(zhì)混合土填筑示意圖

（2）設(shè)計(jì)要求

a.氣泡混合輕質(zhì)土地面需鋪設(shè)20 cm的級配碎石作為防水隔離層兼做調(diào)平層，墊層頂部設(shè)置一層防滲土工布。

b.為保護(hù)氣泡混合輕質(zhì)土，減少吸水后自重增加，換填開挖基坑側(cè)壁應(yīng)設(shè)置防滲土工布。

c.氣泡混合輕質(zhì)土應(yīng)分層澆筑，每次澆筑高度0.5 m。氣泡混合輕質(zhì)土澆筑體底部應(yīng)設(shè)置兩層鋼絲網(wǎng)，設(shè)置在距底部上方40～60 cm范圍之內(nèi)。澆筑體頂面也設(shè)置兩層鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)設(shè)置在距頂部下方40～60 cm位置。頂部與底部鋼絲網(wǎng)間每隔5 m高度水平鋪設(shè)兩層鋼絲網(wǎng)；焊接鋼絲網(wǎng)的鋼絲直徑 ?3.0～?6.0mm，邊長50mm×50mm或100mm×100 mm。相鄰兩層鋼絲網(wǎng)間距宜為30～50 cm。鋼絲網(wǎng)搭接時(shí)，相鄰兩塊鋼絲網(wǎng)間的重疊寬度應(yīng)為20～30 cm，并用鍍鋅鋼絲綁扎連接。

3.2.2 荷載相關(guān)驗(yàn)算

（1）地基承載力檢驗(yàn)

按照工程相關(guān)材料及工藝要求，施工后氣泡輕質(zhì)混合土的承載力應(yīng)不小于120 kPa。扶壁式擋墻埋置深度不小于1.5 m。按照地基承載力修正公式

扶壁式擋土墻地板寬度長度8.0～12.0 m，墻高8.0～10.0 m，擋墻本身支擋高度較高，但墻背填料也均采用輕質(zhì)填料，自立性較好，對擋墻的側(cè)向壓力較小，經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證墻底地基承載力不應(yīng)小于100 kPa。則修正后的氣泡輕質(zhì)混合土所提供的承載滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

整體穩(wěn)定性驗(yàn)算采用常用的圓弧滑動法進(jìn)行分析，抗滑力矩MR和滑動力矩MS之比，即為擋墻所在的穩(wěn)定安全系數(shù)FS。在工程計(jì)算中采用簡化BISHOP法，使用理正巖土計(jì)算程序進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，地震工況下安全系數(shù)計(jì)算為6.931，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

通過工程實(shí)踐，氣泡輕質(zhì)混合土作為對荷載條件、用地條件較為苛刻的山區(qū)城市地區(qū)的路基填筑是一種較能滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)需求的材料，在材料強(qiáng)度，重量和自立性等方面均具有良好的表現(xiàn)，且山區(qū)地區(qū)普遍地下水位較低，材料抗浮穩(wěn)定性上也具有一定的保障?？紤]到氣泡輕質(zhì)混合土的綜合單價(jià)較高，如大范圍普通路段內(nèi)采用則工程整體造價(jià)過高，經(jīng)濟(jì)性上有所欠缺，但對于有特定環(huán)境和特殊需求性的局部山區(qū)城市市政建設(shè)，仍具有極其可觀的實(shí)用價(jià)值，值得在更大的范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。