輕質(zhì)泡沫混凝土在地鐵車(chē)站頂板回填中的研究應(yīng)用

汪家雷，劉超 （中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000）

0 引言

某市地鐵8號(hào)線徐東-汪家墩站為長(zhǎng)約1006m的連體車(chē)站，沿東西縱向方向布置。車(chē)站采用半蓋挖順作法施工，半鋪蓋寬9m～11m不等，沿車(chē)站北側(cè)縱向分布。原設(shè)計(jì)為待主體結(jié)構(gòu)施作完成后，交通倒邊破除半鋪蓋結(jié)構(gòu)板，并在主體結(jié)構(gòu)頂板上分層回填土并施作路面。由于徐東—汪家墩站半鋪蓋結(jié)構(gòu)板厚為400mm，縱向長(zhǎng)為1006mm，破除工作量大；鋪蓋距離主體結(jié)構(gòu)頂板3m～3.5m，半鋪蓋寬9m～11m不等，填筑土方方量達(dá)3萬(wàn)m3。

采用原狀土分層回填，分層碾壓的施工方案雖然簡(jiǎn)單，但是拆除鋪蓋占用交通道路，施工時(shí)間長(zhǎng)，施工質(zhì)量不易保證。若采用混凝土回填，雖然施工速度快，但是自重大，對(duì)主體結(jié)構(gòu)頂板產(chǎn)生較大荷載，造價(jià)高。因此，在日益繁忙的城市主干道修建地鐵，研究新的填充材料和施工方法，對(duì)盡快開(kāi)放交通，減少環(huán)境影響將勢(shì)在必行。

1 新式回填方案分析

為了縮短回填施工工期、節(jié)省造價(jià)、保證質(zhì)量，針對(duì)該車(chē)站頂板回填，在不破壞在原有鋪蓋體系情況下，采用吹填砂法、鋪蓋下澆筑EPS顆粒輕質(zhì)混凝土和充填泡沫混凝土均能實(shí)現(xiàn)，但3種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體對(duì)比分析如表1、表2所示。

通過(guò)以上3個(gè)方案的綜合對(duì)比分析，最終選定鋪蓋下充填泡沫混凝土方案。

2 泡沫混凝土的性質(zhì)研究

泡沫混凝土的生產(chǎn)過(guò)程包括泡沫制備、泡沫混凝土混合料備、澆注成型、養(yǎng)護(hù)、檢驗(yàn)，綜合實(shí)際應(yīng)用情況整理出泡沫混凝土四種關(guān)鍵特性分析：①濕容重變化分析、②流動(dòng)性能分析、③抗壓強(qiáng)度性能分析、④耐久性能分析。

2.1 濕容重變化分析

采用 w=300%，c=80kg/m3；w=300%，c=160kg/m3；w=400%，c=80kg/m3；w=400%，c=160kg/m3（w 為含水量，c為水泥含量）共4種不同水、水泥含量試樣，通過(guò)數(shù)控裝置控制發(fā)泡倍率從而得到不同氣泡含量的試塊，對(duì)改變?cè)噳K氣泡含量后對(duì)其濕容重進(jìn)行測(cè)試，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 試驗(yàn)過(guò)程照片

圖2 氣泡量與濕容重關(guān)系

由圖可知，泡沫混凝土濕容重與氣泡含量呈反比關(guān)系。另外含水量越大濕容重越大，含水量為300%時(shí)，水泥含量增加濕容重有明顯增加；當(dāng)含水量達(dá)到400%且氣泡含量小于40%時(shí)，水泥含量對(duì)濕容重影響較小，當(dāng)氣泡含量逐漸增加后水泥含量增加濕容重亦增加。由上述可知，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，對(duì)泡沫土的濕容重參數(shù)控制最直接手段為調(diào)整其氣泡含量來(lái)實(shí)現(xiàn)，在不考慮其他因素的情況下，為了實(shí)現(xiàn)泡沫水泥輕質(zhì)土的輕質(zhì)化，可以直接通過(guò)增加泡沫使用量,也可以通過(guò)控制泡沫混凝土的濕容度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 流動(dòng)性能分析

泡沫混凝土采用泵送，施工過(guò)程中無(wú)需振搗，依靠其自流性達(dá)到密實(shí)效果，流動(dòng)性能直接影響其泵送效果和自流性能。影響泡沫水泥輕質(zhì)土流動(dòng)性的主要因素為施工時(shí)的用水量。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)測(cè)試在不同水灰質(zhì)量比、氣泡和水泥漿液體積比的情況下試樣流動(dòng)指標(biāo)的變化情況，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4和圖5。

填充材料優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析表表1

回填方案綜合對(duì)比分析表表2

圖3 水灰比與流動(dòng)指標(biāo)關(guān)系

圖4 體積比與流動(dòng)指標(biāo)關(guān)系

圖5 表觀密度與流動(dòng)指標(biāo)關(guān)系

通過(guò)圖3可以看出，水灰比與流動(dòng)指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系，水在泡沫土中起到潤(rùn)滑作用，含水量越高泡沫土流動(dòng)性能越好。水灰比小于55%時(shí)隨著水灰比的不斷增加，流動(dòng)性能增加明顯，當(dāng)超過(guò)55%后其流動(dòng)性能增加減弱。在實(shí)際施工過(guò)程中往往就是通過(guò)調(diào)節(jié)水灰比的方式來(lái)達(dá)到其擴(kuò)展度要求，當(dāng)水灰比超過(guò)一定范圍后再繼續(xù)增加效果減弱，應(yīng)該考慮其他方式進(jìn)行調(diào)整。

通過(guò)圖4可以看出，氣泡與水泥漿液體積比對(duì)泡沫混凝土的流動(dòng)性能也有直接影響，兩者基本成負(fù)相關(guān)關(guān)系。氣泡含量增加流動(dòng)度下降，主要是氣泡在泡沫土中起到增加粘滯力的作用。氣泡與水泥漿液體積比小于20時(shí)對(duì)流動(dòng)度基本無(wú)影響，當(dāng)處于20～60時(shí)對(duì)流動(dòng)性能影響較小，當(dāng)超過(guò)60后影響程度明顯增加。由此可以看出，在施工過(guò)程中只有當(dāng)氣泡和水泥漿液體積比接近60時(shí)可以考慮通過(guò)該指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整其流動(dòng)度。

通過(guò)圖5可以看出，流動(dòng)指標(biāo)與表觀密度對(duì)應(yīng)關(guān)系不甚明確，可大致認(rèn)為呈正相關(guān)關(guān)系。

綜上所述泡沫混凝土中水泥、水、氣泡含量對(duì)其表觀密度和流動(dòng)度指標(biāo)都有較明顯影響，在施工過(guò)程中控制泡沫混凝土的表觀密度通過(guò)調(diào)整泡沫含量得以實(shí)現(xiàn)，而這個(gè)過(guò)程中,也會(huì)使其流動(dòng)性發(fā)生改變。由于泡沫混凝土施工控制指標(biāo)與多個(gè)因素關(guān)系密切，現(xiàn)階段對(duì)其理論研究還不夠充分，較難定量計(jì)算出水灰比及泡沫水泥漿液體積比，在實(shí)際施工過(guò)程中一般根據(jù)工程實(shí)際情況，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)相結(jié)合的方法綜合確定其比例關(guān)系。

2.3 抗壓強(qiáng)度性能分析

現(xiàn)場(chǎng)采用 w=400%、c=80kg/m3，w=400%、c=120kg/m3，w=400% 、c=160kg/m3，w=300% 、c=80kg/m3，w=300% 、c=120kg/m3，w=300%、c=160kg/m3共 6種配合比，通過(guò)調(diào)節(jié)氣泡含量控制其濕密度，制作10cm×10cm×10cm試樣，在天然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)至28d，測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖6。

圖6 泡沫混凝土密度與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系

通過(guò)圖6可以看出，試樣密度、水泥用量及含水量都對(duì)試樣單軸抗壓強(qiáng)度有明顯影響。其中，含水量為400%時(shí)，試樣密度超過(guò)1g/cm3時(shí)其抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)；含水量為300%時(shí)密度超過(guò)1.2g/cm3后其強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)；試樣抗壓強(qiáng)度與含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與水泥含量則相反。在實(shí)際施工過(guò)程中，水泥用量、含水量、泡沫用量可進(jìn)行隨意調(diào)配，可以滿(mǎn)足不同強(qiáng)度要求的施工條件。

2.4 耐久性能分析

2.4.1 耐疲勞特性

試驗(yàn)得出：荷載應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度的比值在0.50以下時(shí),100次左右的反復(fù)疲勞荷載對(duì)泡沫混凝土的強(qiáng)度影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)荷載應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度的比值達(dá)到單0.80左右時(shí),大約在800次左右的反復(fù)荷載使地基出現(xiàn)明顯破壞。綜上所述，若將反復(fù)疲勞荷載控制在設(shè)計(jì)單軸抗壓強(qiáng)度的50%左右,其耐疲勞性能很好的滿(mǎn)足工程需要。

2.4.2 干濕循環(huán)的特性

試驗(yàn)以干燥環(huán)境，溫度為20℃，濕度控制在70%的恒溫恒濕室內(nèi)，將試塊置于空氣中1周，然后將試塊全浸水，溫度保持不變的條件下1周，作為干濕循環(huán)試驗(yàn)一個(gè)周期。在每個(gè)周期結(jié)束后對(duì)試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度和變形系數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 強(qiáng)度比及變形系數(shù)比與干濕循環(huán)周期數(shù)關(guān)系圖

通過(guò)圖7可以看出，試樣強(qiáng)度比與變形系數(shù)比變化基本保持同步，在前3個(gè)干濕循環(huán)周期內(nèi)，強(qiáng)度比降低了20%左右，變形系數(shù)比降低了約25%左右；第4個(gè)干濕循環(huán)周期后，強(qiáng)度比和變形模量比逐漸趨于穩(wěn)定，在多次干濕循環(huán)后強(qiáng)度比最終下降約25%左右，而變形系數(shù)比最終下降約32%左右。

3 實(shí)施方案

3.1 回填泡沫混凝土性能指標(biāo)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，最終確定回填泡沫混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)，具體見(jiàn)表3。

3.2 回填方案

采用不破除車(chē)站半鋪蓋系統(tǒng)，對(duì)車(chē)站鋪蓋系統(tǒng)下回填空間支模分段，分段長(zhǎng)度為25～30m，每個(gè)澆筑段開(kāi)鑿一處洞口，洞口尺寸設(shè)置為1500×2000，泡沫混凝土通過(guò)鑿開(kāi)的鋪蓋洞口在地面進(jìn)行澆筑。為保證填筑材料的密實(shí)度和均勻性，每段又分層進(jìn)行澆筑，分層厚度為50～60cm，全段澆筑完成后將開(kāi)鑿孔洞加筋澆筑混凝土封閉，車(chē)站斷面圖如圖8所示。

圖8 地鐵車(chē)站半鋪蓋回填區(qū)域斷面圖

由于鋪蓋下是封閉空間，存在多處交界面，在結(jié)構(gòu)交界面掛設(shè)鋼筋網(wǎng)進(jìn)行加強(qiáng)連接處理，對(duì)澆筑后交界面仍存在空隙的空間，采取壓注水泥漿進(jìn)行充填。

4 實(shí)施效果檢測(cè)

4.1 數(shù)值模擬變形量

采用MIDAS數(shù)值模擬軟件GTS模塊對(duì)鋪蓋下回填泡沫混凝土后的道路、鋪蓋及結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形分析，最大變形量?jī)H為5.3mm，其回填區(qū)域變形云圖如圖9所示。

4.2 數(shù)值模擬變形量

為驗(yàn)證理論沉降量，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋪蓋頂路基進(jìn)行沉降觀測(cè)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反映，回填后的泡沫混凝土沉降量較小，具體監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖10。

圖9 半鋪蓋回填區(qū)域變形云圖

圖10 數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降變形曲線

由圖9可以看出，兩種變化規(guī)律基本同步，在泡沫混凝土范圍內(nèi)沉降變化基本保持均勻變化，超出泡沫混凝土填筑范圍后趨于穩(wěn)定；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較數(shù)值計(jì)算結(jié)果沉降值偏大，這是由于在監(jiān)測(cè)過(guò)程中該路段鋪蓋一直保持行車(chē)，數(shù)值模擬時(shí)未考慮車(chē)輛荷載對(duì)路基沉降的影響。

5 結(jié)論

通過(guò)地鐵車(chē)站半鋪蓋體系回填泡沫混凝土的實(shí)施，效果良好，同時(shí)配制的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，后期的沉降觀測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明沉降量相對(duì)常規(guī)土的回填沉降有大幅度的改善，實(shí)施的工期及造價(jià)對(duì)比，工程造價(jià)節(jié)省30%，工期節(jié)省40%。