刍议泡沫轻质土的应用研究

【概要】本文作者主要对泡沫轻质土进行桥头路基处理来缓解桥头跳车现象的相关问题进行了详细的探讨，供参考。

【关键词】泡沫轻质土；工程特性；轻路堤法

1 上世纪七、八十年代，日本开始将泡沫轻质土大规模应用于替代填土的工程领域：1987年潢浜市内的公路桥维修工程中首次把泡沫轻质土作为填充材料来使用；次年作为道路工程的填土材料使用。此后，随着施工设备及技术标准的不断完善，应用范围迅速扩大，并出版了相关的技术规范。我国于2002年引进并发展了泡沫轻质土技术，目前已在包括北京奥运鸟巢、北京地铁奥运支线、京珠高速公路、汕头中山东路改造、广佛、佛开高速公路拓宽、河北沿海高速公路等大量的基础设施建设工程中得到了成功的应用。

2 泡沫轻质土是“用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与必须组分水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料”。类似的材料有日本的“气泡轻量土”，国内的”泡沫混凝土”等。就硬化成型的过程而言，泡沫轻质土、气泡混合轻质土与泡沫混凝土并无本质区别。但泡沫轻质土的原材料(如集料及掺和料)可用范围更广，力学性能介于土与混凝土之间，使用功能更侧重于替代常规土或砂（不是作为混凝土）用于各种填充或充填。

泡沫轻质土具有如下工程特性：

2.1 轻质性

轻质性是现浇泡沫轻质土最显著的特性，与几种常规土建材料相比，现浇泡沫轻质土的容重相对要低。（见下表）。

几种主要土建材料的容重比较(单位：kN/m3)

2.2 容重和强度可调节性

调整现浇泡沫轻质土的组成成份比例，即调整配合比，现浇泡沫轻质土的容重和强度可根据需要在一定范围内自由调节。工程上，现浇泡沫轻质土的容重一般可在3～12kN/m3之间调节；而无侧限抗压强度的调节范围为0.3～5.0MPa。作为土工填筑材料，现浇泡沫轻质土的无侧限抗压强度通常控制在0.3～1.2MPa。

2.3 良好的施工性

现浇泡沫轻质土的流动性高，可通过软管泵送，现场施工浇注点与制作点可分离，且浇注点占的施工空间极小，可在狭小空间内施工。当作为路基填筑的替代材料时，现浇泡沫轻质土浇注施工无须振捣碾压，施工便捷高效。良好施工性还体现在现浇泡沫轻质土基本可连续浇注施工，无须在施工过程中进行特别的养生处理。

2.4 良好的环保特性

可大量利用粉煤灰等工业废渣做原材料，促进资源的再生利用，有利于环保；与土工泡沫塑料相比，现浇泡沫轻质土属无机质材料，无论用于地上，地下工程，其对环境均无污染作用，环保优势明显；当用于道路扩建、山区陡峭路段等道路工程中，可节省土地资源，避免高填高挖等对环境的破坏，对保护自然生态环境意义重大。

3 泡沫轻质土用于软基路桥过渡段的设计，主要围绕工后沉降满足规范要求，解决泡沫轻质土的换填厚度和换填范围的问题。珠三角的软基一般由饱和软土组成，通常为高压缩性、高孔隙比和高含水量的淤泥或淤泥质土。这类饱和软土，其沉降变形的本质可用有效应力原理来说明：在附加应力的作用下，超孔隙水压力不断消散、有效应力不断增长；与此同时，随超孔压的消散，软土中的自由水不断排出，由此，其体积压缩，表现为沉降的发生。

在这个过程当中，对工程起决定作用的主要是三个方面：

3.1 附加应力

附加应力的大小决定了软土层最终总沉降量的大小：当附加应力全部转化为有效应力时，总沉降完成；故附加应力越大，总沉降越大。

3.2 固结度

固结度Ut可用下式表达:

式中St 当前t时刻已完成沉降；

固结度的意义在于表征了当前时刻已完成沉降占总沉降的比例。

3.3 工后沉降

可见，工后沉降其实就是扣除完工时已完成沉降后的剩余沉降量。工后沉降通常是软基路段重点控制的指标；从设计到施工，软基路段的一个重要任务就是尽可能降低工后沉降，以确保公路工后的正常使用，并减少工后维修费用。

当然，这里的工后沉降系指工后总沉降；工程上，更多使用的概念是基准期内的工后残余沉降。显然，工后总沉降越小，基准期内的残余沉降越小。

由式2-1及式3-1可知，可通过两种途径来降低工后沉降：

3.3.1 通过提高St来提高竣工时的固结度，以此控制工后沉降。

具体的实现方法为排水预压法：通过设置竖向排水体如袋装砂井或塑料排水板，通过堆载预压或真空预压的方式来加快软土层的固结速率，使竣工时的固结度达到足够大，确保工后沉降满足要求。该法的主要特点是具有较好的经济性，缺陷是需要足够的预压时间，且工后沉降大，这通常与项目的工期要求矛盾突出。

3.3.2 降低软土层的附加应力 以降低总沉降 ，以此控制工后沉降。

实现方法有两种方式：

方式一桩式复合地基法

桩式复合地基是设置一定密度的搅拌桩、CFG桩或预应力管桩等强度远较软土层强度要高的桩体，将上覆荷载大部分转移至这些桩体来承受，从而降低软土层所承受的荷载和附加应力，实现控制工后沉降的方法。该工法的优点是时间短，效果显著，但缺陷是造价偏高，同时，桩体施工对周边的临界结构物（如桥台、涵洞等结构物）会产生侧向挤出效应，从而影响临界结构物的安全性。

方式二轻路堤法

该工法直接降低路堤荷载和软土层的附加应力。传统的轻路堤法有EPS路堤等。

泡沫轻质土用于路桥过渡段填筑，属于轻路堤法，其控制工后沉降的原理在于降低附加应力；当用于旧路改造项目时，如换填厚度适当向原地面以下延伸，可使软土层的附加应力小于有效应力，软土层处于超固结状态，从而确保工后沉降为0。汕头市中山东路改造工程，即采用了泡沫轻质土技术对全线软基路堤桥台两侧沿路线纵向各30m范围的路基进行了换填处理，其换填厚度向原地面以下延伸了1m，该范围内没有进行任何软基处理，并取消了常规的桥头搭板。一年多来的使用效果良好。

为缓解软基路堤与桥梁等结构物之间的差异沉降，通常在结构物两侧的一定范围内设置路桥过渡段。公路路基规范规定，应设置必要的工后沉降过渡段来缓解工后桥头跳车现象。

根据《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》的规定，路面设计使用年限内残余沉降（简称工后沉降）应满足下表的要求：

关于路桥工后沉降过渡段的长度控制，国内外大量的工程实践和研究结果表明，应以工后沉降允许值及工后允许纵坡变化率来确定。根据国内相关研究成果, 路桥过渡段差异沉降控制标准如表：

路桥过渡段的差异沉降控制标准

泡沫轻质土的一个显著的特点是其浇筑后可固化直立，并且对桥台的水平力几乎为0，根据这一特点，可将桥台进行优化设计，包括两方面的内容：1）桥台结构优化；2）桥台桩基础优化。

就桥台结构而言，台后直立填筑泡沫轻质土与填筑常规放坡路堤，存在两方面的优化：1）由于直立填筑，桥台耳墙可基本取消；2）由于直立填筑，对桥台台身无侧向压力，可取消桥台台身，近似按桥墩进行桥台设计。

就桥台桩基础而言，其优化思路为：可考虑按单排桩基础设计，但桩径与桥墩桩径相同。

3.4 综合比较

3.4.1 工后沉降

采用泡沫轻质土换填台后原路基土，可最大限度控制工后沉降。与水泥搅拌桩等方法相比，其施工不是隐蔽施工，具有很强的质量可靠度，且适度向原地面以下换填，可确保地基土在工程改造后处于超固结状态，以尽可能避免工后沉降的发生。

3.4.2 桥台所承受的土压

泡沫轻质土因固化后可直立，其对桥台的侧向土压力几乎为0，这对于桥台的受力是极其有利的。采用泡沫轻质土后，桥台及桥台桩基可进行简化，由此节省了造价。并且由于城市桥梁有时需跨越地铁等，基桩跨越距离较大，桥台所承受的上部荷载非常大，台后土压力对桥台的影响也极为不利，这是采用泡沫轻质土的重要优势。

土压接近为0的另一个有利因素是，施工时，扩建段的桥台桩基和桥台可先行施工，由此大幅节省工期。如采用水泥搅拌桩等方法处理台背，则不仅桥台桩基和桥台必须待水泥搅拌桩施工完毕才能施工，否则水泥搅拌桩施工导致的侧向挤出压力会严重威胁原有桥台的安全，很可能会导致原有桥台的侧移甚至破坏。这一点，是水泥搅拌桩等其他软基处理方案无法克服的缺陷，过往一些市政道路、高速公路建设在早期都出现过不少这类失败的案例。

3.4.3 施工工期

泡沫轻质土施工一方面便捷高效，在浇筑完毕后7～14天即可进行后续路面施工，与桥台桩基及桥台施工不存在先后次序等冲突（通常在软基路段进行结构物施工时，应先进行软基处理，待软基沉降稳定后再进行桩基及结构物的施工），并且，由于采用泡沫轻质土时，桥台可采用单排桩柱式桥台，比起双排桩与薄壁式桥台，钻孔灌注桩的施工时间可以减半，而且薄壁式台身的施工时间也比柱式台身更长，这些，决定了泡沫轻质土方案具有较大的工期优势。根据测算，一个桥台台背的处理，采用泡沫轻质土方案，其工期至少较水泥搅拌桩方案节省1～6个月。

3.4.4 造价

因采用泡沫轻质土换填和搅拌桩处理时桥台的形式不同，故比较各方案的造价时，将桥台的造价亦包含到比较表内。桥台由双排桩变为单排桩，薄壁台身变为柱式台身，无论是钻孔灌注桩，承台，还是台身的施工，工程量都大为减少，施工工序也简单化，故造价也因此减少。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文