氣泡混合輕質(zhì)土在高速公路中的應(yīng)用

文 / 廣東省長大公路工程有限公司　王佳

我國高速公路總里程數(shù)已居世界前列，但是由此帶來的公路養(yǎng)護和改擴建任務(wù)也十分繁重。氣泡混合輕質(zhì)土自21世紀初被引入我國公路建設(shè)以來，已經(jīng)應(yīng)用于橋臺臺背路基填筑、特殊地帶路堤填筑等多個方面。為了更好地指導(dǎo)氣泡混合輕質(zhì)土的設(shè)計與施工，本文就其組分、物理特性和工程應(yīng)用三方面進行介紹。

氣泡混合輕質(zhì)土及其組分

氣泡混合輕質(zhì)土是一種容重可自由調(diào)節(jié)的新型輕質(zhì)填土材料，其基本原理是將一定的泡沫顆粒摻入到工程土（黏土或砂土等）中，從而大大減輕地基上部或橋背填土的自重作用。與傳統(tǒng)路基填筑和處置方法相比，具有自身質(zhì)量較輕、施工工法簡單、所需作業(yè)面小、且強度較高的特點，能夠顯著降低工程費用和維修成本，同時也具有一定的環(huán)境效益。其主要的組成成分可分為以下幾類：

發(fā)泡劑，通過物理手段在發(fā)泡劑稀釋液中引入空氣，從而產(chǎn)生大量的泡沫顆粒，其評價指標主要考慮發(fā)泡能力和泡沫的穩(wěn)定性，這也是影響固化后材料的容重和強度的重要因素。

固化劑，用于增強土體骨架自身的固結(jié)能力和強度，一般多采用水泥類材料，通過混合攪拌將其水化作用產(chǎn)物與黏土或砂土顆粒形成水泥漿。

其他可選組分，如外摻劑和細集料等，用于降低材料成本，或提高混合輕質(zhì)土的某些性能。

氣泡混合輕質(zhì)土的物理性質(zhì)

氣泡混合輕質(zhì)土內(nèi)部具有一定比例的氣泡，可以節(jié)約土方的使用，且具有與普通土建材料相似的一般力學特性。為了更好地將其應(yīng)用于工程實踐，了解其基本的物理力學性能是十分必要的，結(jié)合現(xiàn)有研究資料，總結(jié)出其主要的物理特性如下：

容重特性。輕質(zhì)土的容重可以根據(jù)實際工程要求，通過改變材料配比（泡沫顆粒比例、水泥摻量、含水率等）來自由調(diào)控，其容重的調(diào)控范圍在5kN/m3～16kN/m3之間。同時，在工程應(yīng)用中，輕質(zhì)土單次澆筑的高度也對容重有一定影響，在土自重作用下材料沿高度方向的容重呈不均勻分布，若澆筑高度過高，則上下容重差異明顯，因此在施工過程中需要嚴格控制輕質(zhì)土每次澆筑的高度。

滲透特性。本項目組通過室內(nèi)測定氣泡輕質(zhì)土的滲透系數(shù)發(fā)現(xiàn)，試驗采用的三種不同配比的輕質(zhì)土滲透系數(shù)在0.15cm/s～9.3×10-5cm/s之間，且隨著容重的減小，材料的滲透系數(shù)增大。試驗結(jié)果說明水在氣泡輕質(zhì)土中的擴散速度與泡沫顆粒的比例有關(guān)，氣泡占有率越大，試件內(nèi)連通的孔隙，材料的抗?jié)B透能力越差。因此，若實際工程對防水要求較高或長期浸水條件下，在控制容重的同時還需采取一定的抗?jié)B措施。

干縮特性。干縮是水泥基材料不可避免的一種體積減縮現(xiàn)象，容易引起土體的早期開裂，在氣泡輕質(zhì)土中摻入一定量的細集料（細砂）能夠緩解由于干縮造成的體積減小的問題，因此，在施工過程中可以考慮采用一定量的細沙來規(guī)避土基的龜裂，從而提高路基的使用性能。

熱學特性。由于在氣泡混合輕質(zhì)土中封閉了大量氣泡，大幅度阻礙了熱量在空氣中的對流交換，從而使得土體具有較佳的保溫隔熱性能。當氣泡含有率為體積的40%～70%時，其導(dǎo)熱系數(shù)在0.11W/(m·K)～0.23W/(m·K)之間，且隨著泡沫顆粒含量的增加其導(dǎo)熱系數(shù)減小。因此，在實際工程中，氣泡混合輕質(zhì)土的這一優(yōu)勢可在特殊氣候環(huán)境（凍土地區(qū)）下路基土體的凍脹翻漿處置中得到應(yīng)用。

氣泡混合輕質(zhì)土在公路工程領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展

氣泡混合輕質(zhì)土具有優(yōu)異的物理特性，由于其輕質(zhì)可調(diào)、易于施工及隔熱等特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于我國的高速公路路基填筑與處置等方面的實體工程中，并取得了一系列研究成果。

氣泡輕質(zhì)混合土

橋臺臺背路基填筑

上世紀八十年代，氣泡混合輕質(zhì)土在日本和荷蘭被作為填土的替代物而研發(fā)出來?；谄渚哂休p質(zhì)的特點，能夠極大地減輕路堤的自重，1988年在東京首次將其應(yīng)用于橋臺臺背的填筑施工，結(jié)果證明該工藝降低了施工后的不均勻沉降，實現(xiàn)了橋頭的柔性過渡；其后被引進回國內(nèi)，輕質(zhì)土技術(shù)被用于北京、廣州和上海等多項道路工程標段的橋頭臺背設(shè)計的優(yōu)化和施工；本項目組在廣佛肇第C標段采用氣泡輕質(zhì)土技術(shù)，優(yōu)化橋臺為樁柱式橋臺，進行現(xiàn)場施工應(yīng)用，通過工后檢測結(jié)果可知，輕質(zhì)土處置后路基強度符合規(guī)范要求，且與另一相對優(yōu)化施工方案的造價相比，經(jīng)濟效益顯著。

特殊地帶路堤填筑

我國山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是西南地區(qū)，公路建設(shè)需要在滑坡、陡峭等特殊地帶填筑路堤，采用輕質(zhì)土技術(shù)能夠大大減輕荷重，減少路基自身的滑動力矩，提高界面摩擦性能，從而增強路基的抗滑穩(wěn)定性，避免了高填方帶來的穩(wěn)定性問題及因大量占用土地資源造成的環(huán)境破壞問題。已有研究對四川某公路改建中氣泡輕質(zhì)土施工的工程量和經(jīng)濟性進行分析，結(jié)果顯示隨著填筑高度的增加，輕質(zhì)土的單價優(yōu)勢越來越明顯且與其他方法相比能極大縮短工期。該項目組在廣佛肇試驗段檢測發(fā)現(xiàn)，輕質(zhì)土與砂土接觸面黏聚力為2kPa～13kPa，內(nèi)摩擦角為36.7?！?7.6。，相對土體而言具備更好的抗滑性，另外輔以開挖平臺、在坡面打設(shè)短錨桿等措施，進一步提高了陡坡路堤安全程度。

改擴建新路堤填筑

目前，在改擴建過程中，由于路基的不均勻沉降引起的道路破壞是一個重要的工程問題。與以往的路基填筑加寬方式相比較，氣泡輕質(zhì)土路堤利用該材料的輕質(zhì)高強、保溫隔熱和抗震性等特點，可以有效降低地基應(yīng)力并減少不均勻沉降，同時能很好地解決用地限制和工程造價偏高的問題。氣泡輕質(zhì)土技術(shù)在我國的湖南（蓮株高速公路）和廣東（京珠高速公路）等地區(qū)的改擴建工程中得到了應(yīng)用，采用該技術(shù)對路基進行收坡處理后，不需占用企業(yè)用地，節(jié)約了施工和征地成本，取得了較好的工程應(yīng)用和經(jīng)濟效益。

實體工程應(yīng)用效益評價

本節(jié)主要針對廣東省廣佛肇高速公路實體工程的應(yīng)用經(jīng)濟性開展研究。廣佛肇高速公路是一條典型的山丘地區(qū)高速公路，C標段（K80+373.000～K121+140.550），線路全長40.757km，共有橋梁33座，隧道1座?，F(xiàn)以某一具體路段為例，說明氣泡輕質(zhì)土處理地基的應(yīng)用效益。

試驗段輕質(zhì)土填筑高度平均約9m，屬于高填筑，填筑平均底寬6.5m，橫向平均頂寬15.8m，臺階平均高度4m，整體性良好。該段輕質(zhì)土路堤于2015年10月開始澆筑，過程順利，高峰期每日可澆筑200m3左右，2015年11月全部澆筑完畢。采用輕質(zhì)土作為路堤填筑材料，在主線范圍內(nèi)垂直立起，未額外增加用地；施工過程中，由于其輕質(zhì)性和整體性，未發(fā)生地基沉降及土體失穩(wěn)現(xiàn)象；流動性強，直接泵送澆筑，施工快捷方便，效率高；施工過程的檢查及澆筑完畢驗收，其強度100%合格且外觀良好。施工期間，安全措施到位，做到了文明施工，未對當?shù)丨h(huán)境造成污染及破壞。從質(zhì)量、外觀、施工效率及現(xiàn)場文明施工等方面，廣受監(jiān)理單位、設(shè)計院、業(yè)主及其他相關(guān)單位的好評。

結(jié)語

本文依托廣東省廣佛肇高速公路工程，分析了氣泡混合輕質(zhì)土的容重、滲透、干縮、熱學等物理特性，并結(jié)合相關(guān)應(yīng)用案例介紹了其應(yīng)用成果，結(jié)果表明，氣泡混合輕質(zhì)土可大幅度提高路堤填筑的施工質(zhì)量和環(huán)境保護水平，而且避免或減少了道路營運期的過大沉降和不均勻沉降，延長道路的使用壽命，在高速公路建設(shè)中推廣前景廣闊。