泡沫水泥輕質(zhì)土在軟土路基處理中的應(yīng)用

銀彥鵬

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

軟弱路基一般由軟弱淤泥、淤泥質(zhì)土等軟土組成，它具有高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度和低透水性等特點(diǎn)。軟弱路基對(duì)公路工程的危害主要體現(xiàn)在造成路基的失穩(wěn)和大范圍的不均勻沉降[1]，過(guò)大的沉降將引起路面的開(kāi)裂，影響道路的使用性能和壽命。通常的軟弱路基的處理方法包括置換法、砂墊層法、加固土樁法、預(yù)壓法、反壓護(hù)道法、強(qiáng)夯法等。這些方法能夠在一定程度上減少軟弱路基對(duì)道路的影響，但是這些處治方法存在諸多不足。如利用粉煤灰置換軟弱土可以達(dá)到減少路基永久荷載的目的，但是該種方法具有粉煤灰使用量大、開(kāi)挖量大、對(duì)環(huán)境有污染和造價(jià)高等特點(diǎn)。又如使用高壓旋噴樁的處治方法，雖然無(wú)需開(kāi)挖路基，但是該種方法質(zhì)量難以控制，并且造價(jià)高。

泡沫水泥輕質(zhì)土，是利用氣泡機(jī)的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑充分發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿充分均勻混合，然后經(jīng)過(guò)發(fā)泡機(jī)的泵送系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)澆施工，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)保溫材料。它具有輕質(zhì)性、高流動(dòng)性、易于施工等特點(diǎn)。泡沫水泥輕質(zhì)土工程性質(zhì)的優(yōu)越性得到了一些學(xué)者的重視，泡沫水泥輕質(zhì)土也在工程實(shí)際中得到了應(yīng)用。王新岐[2]對(duì)泡沫輕質(zhì)土填筑、粉煤灰填筑、水泥攪拌樁等處理方法進(jìn)行了對(duì)比研究，研究表明：同樣填筑高度路基，由于泡沫水泥輕質(zhì)土較好的整體性及輕質(zhì)性，對(duì)其上荷載有很好的分擔(dān)作用，泡沫輕質(zhì)土填筑路基基底壓應(yīng)力很小，而采用灰土或粉煤灰填筑的路基其基底壓應(yīng)力較大，說(shuō)明泡沫輕質(zhì)土具有很好的分擔(dān)荷載的能力。盛斌[3]基于廣東某高速公路泡沫輕質(zhì)土路基回填工程，研究了泡沫輕質(zhì)土的設(shè)計(jì)方案，研究表明針對(duì)高速公路的加寬和特殊路基的處理，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行泡沫水泥輕質(zhì)土配合比調(diào)整，容重可以控制在5～6.5 kN/m3，7 d抗壓強(qiáng)度可控制在0.6～0.8 MPa，強(qiáng)度后期還會(huì)增長(zhǎng)，28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到0.7～1.6 MPa，滿足路基填筑要求。本文基于前人對(duì)泡沫水泥輕質(zhì)土理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合某高速公路軟基處理工程實(shí)際，比較了泡沫水泥輕質(zhì)土、粉煤灰、水泥攪拌樁和預(yù)應(yīng)力樁4種軟基處理方案，為以后類似工程利用泡沫水泥輕質(zhì)土提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 基本性質(zhì)

泡沫水泥輕質(zhì)土主要由膠凝材料、發(fā)泡劑、水、泥土、砂等構(gòu)成。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為改變泡沫水泥輕質(zhì)土的性狀，經(jīng)常在泡沫水泥輕質(zhì)土中加入爐渣灰、石粉、粉煤灰等黏性土或微粒狀固體材料。

a）輕質(zhì)性。由于發(fā)泡劑的存在，使得泡沫水泥輕質(zhì)土的容重較其他材料較輕（如表1），相當(dāng)于普通水泥混凝土的1/5～1/8左右，可以大大減少路基的永久荷載。有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)泡沫水泥輕質(zhì)土的容重，可以適當(dāng)增加泡沫量，也可以通過(guò)調(diào)整濕密度達(dá)到目的。用在路基中的泡沫水泥輕質(zhì)土，容重一般控制在5～6.5 kg/m3。

表1 常見(jiàn)土建材料容重 kg/m3

b）流動(dòng)性。泡沫水泥輕質(zhì)土具有較高的流動(dòng)性，若通過(guò)泵送的方式運(yùn)送，其最大運(yùn)送距離可達(dá)1 500 m。流動(dòng)性通常用擴(kuò)展度來(lái)表征，影響流動(dòng)性的主要因素是含水量和含氣量。工程中，含水量主要是通過(guò)水灰比來(lái)控制。隨著水灰比的增加，流變性逐漸增大，而強(qiáng)度也與水灰比有關(guān)，因此工程中在達(dá)到流變性要求的同時(shí)，要考慮水灰比對(duì)于強(qiáng)度的影響。一般將施工時(shí)的泡沫水泥輕質(zhì)土擴(kuò)展度控制在180±20 mm左右。另一方面，減小泡沫水泥輕質(zhì)土的含氣量會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)展度的增大，但是也會(huì)使其表觀密度增大。因此在施工中，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定泡沫量。

c）自立性。泡沫水泥輕質(zhì)土具有自硬能力，固化劑在初凝后可固化自立，對(duì)擋土結(jié)構(gòu)物側(cè)壓力很小。

d）透水特性。由于含有大量泡沫，所以泡沫水泥輕質(zhì)土是一種不飽和土,一般其透水系數(shù)為10-6cm/s。并且，隨著泡沫水泥輕質(zhì)土養(yǎng)護(hù)齡期的增大，其透水系數(shù)逐漸降低。同時(shí)，氣泡混水泥輕質(zhì)土吸水性較小，相對(duì)獨(dú)立的封閉氣泡及良好的整體性，使其具有良好防水性能。

e）強(qiáng)度和變形。泡沫水泥輕質(zhì)土的單軸抗壓強(qiáng)度[4-5]可在1 MPa左右自由制作，其單軸抗壓強(qiáng)度與泡沫混合比、膠凝材料、含水量等有關(guān)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[6]：泡沫水泥輕質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的比值分別為 0.173、0.197，比混凝土的0.1大。

2 施工工藝

2.1 泡沫水泥輕質(zhì)土的生產(chǎn)流程（如圖1）

圖1 泡沫水泥輕質(zhì)土生產(chǎn)流程圖

泡沫水泥輕質(zhì)土的制備流程主要包括4個(gè)部分：a）泡沫生成；b）水泥漿（砂漿）制備；c）泡沫與水泥（砂）漿的混合；d）澆筑施工。

2.2 泡沫水泥輕質(zhì)土施工流程（如圖2所示）

2.3 泡沫水泥輕質(zhì)土的施工質(zhì)量控制

圖2 泡沫水泥輕質(zhì)土施工流程圖

a）材料。含水量對(duì)泡沫水泥輕質(zhì)土影響較大。尤其是攪拌砂性土?xí)r，很難做到含水率和砂性土成分達(dá)到同一標(biāo)準(zhǔn)。因此需要每天檢驗(yàn)一次砂性土的含水量，及時(shí)調(diào)整配合比。同時(shí)，發(fā)泡液、空氣的動(dòng)態(tài)流量和壓力應(yīng)保證連續(xù)穩(wěn)定。氣泡群密度應(yīng)控制在48～52 kg/m3范圍內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)氣泡柱靜置1 h的沉降距應(yīng)不大于5 mm、泌水量應(yīng)不大于25 mL。

b）攪拌。和水泥混凝土一樣，泡沫水泥輕質(zhì)土應(yīng)該攪拌均勻、無(wú)沉積。拌合所有的水不應(yīng)含有影響泡沫穩(wěn)定性、泡沫水泥輕質(zhì)土的強(qiáng)度和耐久性的雜質(zhì)。泡沫水泥輕質(zhì)土在攪拌時(shí)，應(yīng)按照配合比控制其濕表觀密度、含氣量、擴(kuò)散度等，以保證拌合質(zhì)量。

c）澆筑。由于泡沫水泥輕質(zhì)土中有大量的氣泡，因此澆筑時(shí)不宜過(guò)度振動(dòng)。澆筑時(shí)，應(yīng)該避免雨天施工，因?yàn)橛鏊畷?huì)使得氣泡消解，從而影響其性能。同時(shí)，澆筑厚度應(yīng)控制在0.25～1 m范圍內(nèi)，因?yàn)檫^(guò)高的澆筑厚度會(huì)加強(qiáng)泡沫水泥輕質(zhì)土自身重量對(duì)其性能的影響，使得氣泡壓縮和消泡。

3 工程應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

3.1 工程概況

某高速公路某一標(biāo)段，需對(duì)軟弱路基進(jìn)行處理。該標(biāo)段土層分布情況為：3 m厚亞黏土硬殼層，其下為厚約22.5 m的淤泥質(zhì)亞黏土軟弱層，軟弱層下為亞黏土。由于工期緊迫，采用超載預(yù)壓的方法，無(wú)法達(dá)到工期要求。而采用路基超高填筑的方法，也難以從根本上解決問(wèn)題。因此提出了使用泡沫水泥輕質(zhì)土、粉煤灰、水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力管樁4種方法處理軟土路基。

3.2 方案比選

3.2.1 造價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，各種處治方案的預(yù)算如表2所示。其中，預(yù)應(yīng)力管樁的綜合單價(jià)為1 709元/m2，水泥攪拌樁的綜合單價(jià)為1 540元/m2,泡沫水泥輕質(zhì)土的綜合單價(jià)為582元/m2,粉煤灰的綜合單價(jià)為980 元 /m2。

表2 各種方案造價(jià) 萬(wàn)元

由表2可知，使用粉煤灰的造價(jià)最高，其次是預(yù)應(yīng)力管樁，使用泡沫水泥輕質(zhì)土的造價(jià)最節(jié)約，約為粉煤灰的59%，預(yù)應(yīng)力管樁的80%。從造價(jià)的角度出發(fā)，可以考慮使用泡沫水泥輕質(zhì)土的方法。

3.2.2 工期

各種處治方案的預(yù)計(jì)工期如表3所示。

表3 各種方案工期 月

由表3可知，各種處治方案中，采用粉煤灰和預(yù)應(yīng)力管樁的工期相近，采用泡沫水泥輕質(zhì)土和水泥攪拌樁的方法工期相近且最少。從達(dá)到工期要求的角度出發(fā)，應(yīng)該優(yōu)先選擇泡沫水泥輕質(zhì)土和水泥攪拌樁的方法。

3.2.3 優(yōu)點(diǎn)

若采用粉煤灰的方法，可以有效減小永久荷載，減小路基的附加應(yīng)力，達(dá)到處治軟弱路基的目的。

若采用預(yù)應(yīng)力管樁的方法，通過(guò)增加地基的方式也可以達(dá)到處治軟弱路基的目的。

若采用水泥攪拌樁可以通過(guò)固化劑和軟土間所產(chǎn)生的一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基強(qiáng)度和增大變形模量，達(dá)到處治軟弱路基的目的。

若采用泡沫水泥輕質(zhì)土的方法，通過(guò)減小永久荷載的方式達(dá)到處治目的。并且使用泡沫水泥輕質(zhì)土開(kāi)挖量少，取材方便。

3.2.4 缺點(diǎn)

使用粉煤灰，開(kāi)挖量大，用量大，短期內(nèi)難以保證持續(xù)供給，影響工期且易污染環(huán)境。

使用預(yù)應(yīng)力管樁，土石方量巨大，且工程質(zhì)量難以控制，處理效果難以保證。

使用水泥攪拌樁，質(zhì)量難以控制，處治效果難以保證。

從處理效果上來(lái)說(shuō)，采用泡沫水泥輕質(zhì)土、粉煤灰、水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力管樁4種方法均可以達(dá)到處治軟弱路基的目的。但是工程造價(jià)、工期、施工難易程度、對(duì)環(huán)境污染程度、材料供給等方面綜合考慮，建議采用使用泡沫水泥輕質(zhì)土，本工程采用的泡沫水泥輕質(zhì)土的具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

由于工程所在地雨季時(shí)間長(zhǎng)，采用泡沫水泥輕質(zhì)土的處治方法時(shí)，澆筑泡沫水泥輕質(zhì)土之前，要做好防、排水等施工準(zhǔn)備，未固化的泡沫水泥輕質(zhì)土表面應(yīng)采取避雨措施，防止雨水消泡，影響其質(zhì)量。

表4 泡沫水泥輕質(zhì)土技術(shù)指標(biāo)

3.3 效果評(píng)價(jià)

實(shí)際工程中，在路基面中心及兩側(cè)路肩處各設(shè)路基面沉降觀測(cè)樁，觀測(cè)樁縱向間距不大于100 m，并保證每個(gè)工點(diǎn)至少有1個(gè)觀測(cè)斷面。在施工中，應(yīng)至少每日觀測(cè)1次。暫停施工時(shí)，至少2 d觀測(cè)1次。完成施工前15 d，每2 d觀測(cè)1次，若沉降趨于穩(wěn)定，以后可1周觀測(cè)1次。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，原設(shè)計(jì)方案中路段超載高度為1.12 m，實(shí)測(cè)累計(jì)沉降量為2 740 mm，已經(jīng)超出設(shè)計(jì)預(yù)期理論沉降量269 mm。沉降速率與月數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示。觀測(cè)從2010年1月開(kāi)始，5月份開(kāi)始改用泡沫水泥輕質(zhì)土換填，兩個(gè)月后換填完成。由圖3可知，從7月開(kāi)始，沉降曲線趨于平穩(wěn)，且沉降量接近零，處理效果良好。

圖3 沉降速率與月數(shù)關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

泡沫水泥輕質(zhì)土具有輕質(zhì)、自立、流動(dòng)性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，正是因?yàn)榫邆溥@些特點(diǎn)，使得它能夠通過(guò)減小永久荷載和附加應(yīng)力的方式來(lái)控制沉降。在施工中，要把握好泡沫水泥輕質(zhì)土材料選擇、攪拌、澆筑等過(guò)程，全方位控制泡沫水泥輕質(zhì)土的質(zhì)量。結(jié)合某高速公路軟弱路基處理的工程實(shí)例，分析比較了采用泡沫水泥輕質(zhì)土、粉煤灰、水泥攪拌樁和預(yù)應(yīng)力樁4種方案，泡沫水泥輕質(zhì)土在工程性質(zhì)、造價(jià)、工期等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際施工中，要注意雨水對(duì)泡沫水泥輕質(zhì)土的影響，做好防排水工程。實(shí)體工程觀測(cè)表明，采用泡沫水泥輕質(zhì)土換填后路基沉降曲線趨于平穩(wěn)，且沉降量接近零。