泡沫輕質(zhì)土處治新舊路基差異沉降性能的研究

甄俊杰

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，一些原有道路的通行能力已不能滿足需求，對舊路的改擴(kuò)建是一種經(jīng)濟(jì)、快速、實(shí)用的解決方法[1]。舊路的改擴(kuò)建是在原有道路基礎(chǔ)上對路基進(jìn)行加寬和拼接以增加道路的通行能力。其加寬過程中必然會涉及到新老路基的差異沉降問題。新舊路基的差異沉降會引起路基的分離、路面開裂，對道路的施工及養(yǎng)護(hù)造成重大的影響[2]。

目前，新舊路基差異沉降通常可采用拋石擠淤、基底處理、基底換填、堆載預(yù)壓、舊路削坡處理和加鋪土工格柵等方法[3-4]。其中，泡沫輕質(zhì)土是一種新型的路基填料，在進(jìn)行擴(kuò)幅填土?xí)r可大幅度地降低填土荷重減少新老路基的差異沉降。本文將在前人的研究成果上對泡沫輕質(zhì)土的物理性質(zhì)及無側(cè)向壓縮特性做深入研究，并分析了泡沫輕質(zhì)土用于控制新舊路基的差異沉降的機(jī)理。

1 泡沫輕質(zhì)土的物理特性

1.1 輕質(zhì)性

1.2 流動性

為研究泡沫輕質(zhì)土的流動性，可通過流動性實(shí)驗(yàn)確定擴(kuò)展度的值。將用鍍鋅薄鐵皮做成的內(nèi)徑0.08 m、高0.08 m的圓筒裝滿試料并放在光滑平面上，其中氣泡水泥漿液體積比為40%。實(shí)驗(yàn)開始后，迅速向上提起圓筒，1 min后，對攤開試料的兩邊直徑進(jìn)行測量并取平均值作為泡沫輕質(zhì)土的擴(kuò)展度。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 泡沫輕質(zhì)土水灰比與擴(kuò)展度關(guān)系圖

由圖1試驗(yàn)結(jié)果可知，泡沫輕質(zhì)土的流動性與擴(kuò)展度大致呈線性關(guān)系。影響流動性的另一個因素是氣泡含有量，氣泡在泡沫輕質(zhì)土中起到增加黏滯性的作用，因此擴(kuò)展度將隨著含氣量的增加逐漸減小。泡沫輕質(zhì)土的流動性好，施工時，便于泵送。

1.3 吸水性

用泡沫輕質(zhì)土對內(nèi)徑0.08 m、高0.08 m的鍍鋅薄鐵皮做成的圓筒進(jìn)行澆筑，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)過后，對不同初始容重的試塊進(jìn)行浸水試驗(yàn)，觀察其密度變化，得到圖2試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 浸水天數(shù)與密度變化

由圖2可知，初始容重在8～11 kN/m3之間，浸水后，容重都會發(fā)生相應(yīng)的變化，且變化不超過26%。泡沫輕質(zhì)土在浸水情況下，其容重會隨浸水深度的增大而升高，但不會一直升高。因此，工程應(yīng)用中，在可能產(chǎn)生浸水的環(huán)境中，應(yīng)該考慮采取防水措施。

2 泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限壓縮特性

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能的最基本評價指標(biāo)。泡沫輕質(zhì)土用于處治新舊路基差異沉降的工程中，其力學(xué)性能直接關(guān)系到新舊路基拼接后路基承載能力的好壞。研究泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)特性的影響因素，對制定泡沫輕質(zhì)土的最佳配合比及提高路基承載力有重大的意義。

2.1 氣泡含有率、原料土對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為研究泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受砂與水泥質(zhì)量比、氣泡含有率的影響。擬定如下試驗(yàn)，水泥標(biāo)號取32.5 R，固定原料土中的砂與水泥的質(zhì)量比，取6 組質(zhì)量比分別為 F1、F2、F3、F4、F5、F6。只改變氣泡含有率，對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的試塊進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在氣泡含有率一定時，砂與水泥的質(zhì)量比越大，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越低；當(dāng)原料土中的配合比一定時，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會隨著氣泡含有率的增大而逐漸減少，當(dāng)氣泡含有率達(dá)到70%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.5 MPa以下，已無工程意義。

這樣崇高的境界，并非人人都能達(dá)到，但并不影響我們?nèi)プ鲆粋€有益于社會的人。山東煙臺孤寡老人劉盛蘭，花甲之年拾荒助學(xué)，20多年積攢了10萬多元，自己省吃儉用，卻悉數(shù)捐給了全國各地100多個貧困學(xué)子。云南省原政協(xié)副主席楊維駿，頂著巨大壓力和風(fēng)險，堅持實(shí)名舉報原省委書紀(jì)白恩培，為最終擒獲這只惡“虎”立了功。山東老人候井天，離休后以一己之力踏破鐵鞋費(fèi)數(shù)年之功，編著了《聶紺弩舊體詩全編》，功德無量。他們的“夕陽”紅得像朝陽一樣絢麗多彩。

圖3 泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與氣泡含有率的關(guān)系

為進(jìn)一步研究配合比對泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，取定3組不同的配合比H1、H2、H3，其中H1配合比中砂子與水泥的質(zhì)量比為5，H2為3，H3為0，即純水泥泡沫輕質(zhì)土。采用相同的氣泡含有率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如圖4結(jié)果。

圖4 無側(cè)限壓縮破壞試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖4可知，H1、H2、H3三種曲線表現(xiàn)為3種不同特性的破壞，含砂量較多的H1表現(xiàn)為脆性破壞、H2介于脆性破壞與塑性破壞之間、H3表現(xiàn)為塑性破壞。因此，不同配合比下，泡沫輕質(zhì)土的破壞特性也會不同，隨著含砂量的增加，泡沫輕質(zhì)土破壞特性由塑性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)變，在工程應(yīng)用中，應(yīng)選擇最佳配合比。

2.2 固化材料對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為研究不同類型固化材料對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，在配合比及其他原料相同的情況下，取固化材料分別為普通硅酸鹽水泥、高爐礦渣水泥進(jìn)行試驗(yàn)，可得試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與固化材料種類的關(guān)系

分析圖5試驗(yàn)結(jié)果可知，固化材料為高爐礦渣水泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要明顯高于普通硅酸鹽水泥，因此可選用合適的固化材料，增加泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2.3 水泥標(biāo)號對泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

取標(biāo)號分別為52.5 R、42.5 R、32.5 R的普通硅酸鹽水泥進(jìn)行試驗(yàn)，其他原料均相同的情況下，固定3組配合比均為P。對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的試塊進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)，可得圖6結(jié)果。

圖6 不同標(biāo)號水泥對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖6可知，配合比相同的情況下，水泥標(biāo)號越大，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。且標(biāo)號在32.5～42.5 R之間時，強(qiáng)度增長的幅度比42.5～52.5 R時明顯要大。因此，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可通過水泥標(biāo)號來改變，但應(yīng)注意隨著水泥標(biāo)號的增大，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長幅度逐漸減小，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，選用合適的水泥標(biāo)號。

2.4 含水量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

如表1，令泡沫輕質(zhì)土的水泥摻入量、氣泡含量、養(yǎng)護(hù)時間不變，改變含水量。對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的泡沫輕質(zhì)土試塊進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，可得圖7結(jié)果。

表1 不同含水量的泡沫輕質(zhì)土試塊

圖7 含水量對抗壓強(qiáng)度的影響

由圖7可知，隨著含水率的增加，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減少，且降低幅度很大。

2.5 養(yǎng)護(hù)時間對泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

如表2，控制泡沫輕質(zhì)土含水量、氣泡含有量、水泥摻入量不變，以養(yǎng)護(hù)時間為變量。養(yǎng)護(hù)完成后，對試塊進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，可得圖8結(jié)果。

表2 不同養(yǎng)護(hù)時間的泡沫輕質(zhì)土試塊

圖8 養(yǎng)護(hù)時間對抗壓強(qiáng)度的影響

由圖8可知，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性增長。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)確保養(yǎng)護(hù)時間達(dá)到28 d。

3 泡沫輕質(zhì)土處治新舊路基差異沉降的原理及優(yōu)點(diǎn)

在對舊路的改擴(kuò)建工程中，因?yàn)槭芡貙捖返趟a(chǎn)生的影響，舊路堤會朝著新路堤產(chǎn)生沉降，造成舊路堤路表面不平整，路面出現(xiàn)開裂。因此，控制新舊路基差異沉降問題是舊路改擴(kuò)建工程中所要面對的首要問題。日本京葉公路和東名高速公路是采用泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行道路的擴(kuò)寬的典范。經(jīng)研究，泡沫輕質(zhì)土具有如下特點(diǎn)，可有效處治新舊路基的差異沉降。

a）不可壓縮及高強(qiáng)特性 由于不可壓縮及高強(qiáng)的特性，泡沫輕質(zhì)土可有效控制工后沉降。特別是對新建路基的填土進(jìn)行置換后，基底應(yīng)力明顯減少，工后沉降得到有效控制。

b）輕質(zhì)性與固化后自立性 泡沫輕質(zhì)土的表觀密度低但強(qiáng)度高，同時，初凝后就會開始固化自立，可進(jìn)行垂直填土。又由于泡沫輕質(zhì)土施工簡便并且可在場地狹窄的情況下施工。

c）高流動性 泡沫輕質(zhì)土不含粗骨料，流動性比混凝土要高的多，可與舊路基完好銜接。

d）耐久性 泡沫輕質(zhì)土的固化材料為水泥類材料，耐熱、耐久性強(qiáng)。

4 結(jié)語

本文通過對泡沫輕質(zhì)土物理特性和無側(cè)限抗壓特性的研究，分析泡沫輕質(zhì)土處治新舊路基的差異沉降的原理，得到以下結(jié)論：

a）泡沫輕質(zhì)土的流動性隨水灰比的增大而增大，隨氣泡含量的增大而增大；泡沫輕質(zhì)土的容重隨浸水深度的增大而增大但不會一直增大。

b）配合比一定時，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會隨著氣泡含有率的增大而逐漸減少；可選用合適的固化材料、水泥標(biāo)號增加泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水量增加而減少。

c）泡沫輕質(zhì)土可有效控制新舊路基的差異沉降，具有經(jīng)濟(jì)意義和工程意義。