高速公路改擴建工程氣泡輕質土設計與優(yōu)化

范鵬舉，武 楊，張 磊

(1. 江蘇省地下空間探測技術工程實驗室，南京 210000； 2. 蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

高速公路改擴建工程中,部分高填方路段用地受限，不易大面積振搗碾壓施工，采用傳統的路基拓寬方式具有一定的局限性。氣泡輕質土技術為解決上述問題提供了新的思路。氣泡輕質土在國外已有30年使用歷史，具有施工工期短、可直立澆筑減少征地、輕質自立的技術優(yōu)勢。我國于上世紀八十年代從歐洲引入氣泡輕質土技術，但施工工藝、質量控制方法等國家標準體系尚未建立，已有工程經驗參考價值有限，且施工尚無可循規(guī)范。

同時，改擴建工程中氣泡輕質土主要用于解決高填方等用地受限難題，穩(wěn)定性問題較為突出，接觸面是其薄弱環(huán)節(jié)。為此，本文結合工程特點，通過經驗總結、試驗研究和理論研究等措施，在現有設計的基礎上，有針對性地對氣泡輕質土的設計要點(配合比設計和拼接路基設計)進行了研究和優(yōu)化[1]。

1 配合比設計與優(yōu)化

改擴建工程中，氣泡輕質土主要用于高填方等用地受限路段的路基填筑，氣泡輕質土主要用作承重層。因此，在進行配合比設計時,應考慮抗壓強度作為首要設計指標，同時根據氣泡輕質土材料特點，對容重和流動度指標進行設計[2]。

1.1 強度指標

依托工程為一級高速公路，路床部分要求不小于0.6 MPa，其余部分要求不小于0.5 MPa，考慮一定的安全儲備，實際施工時要求頂層80 cm以內抗壓強度不小于0.8 MPa，其余部分不小于0.6 MPa，如表1所示。參照強度等級表，分別要求氣泡輕質土等級為CF0.8和CF0.6。

表1 氣泡輕質土強度要求

1.2 容重指標

容重指標包括：濕容重、干容重和表干容重。濕容重指氣泡輕質土漿料的初始容重；干容重指養(yǎng)護后產品的絕干容重，主要由水泥等原材料的水化產物和殘留物組成；表干容重指氣泡輕質土終凝后的表觀重量，是體現氣泡輕質土固化后的容重指標。容重是保證氣泡輕質土輕質特性的需要，也是配合比設計的基礎。

根據《氣泡混合輕質土填筑工程技術規(guī)程》(DBJ15-58—2008)和《公路工程泡沫混凝土設計與施工技術指南》(2012年版)等規(guī)范中的相關內容，在已有容重等級劃分的基礎上，結合工程實際和試驗研究結果，結論如下：

(1) 在自然環(huán)境中進行保濕養(yǎng)護時，表干容重

略低于濕容重；前期試驗結果也表明，設計配合比的氣泡輕質土表干容重較濕容重降低了10%左右；因此，建議氣泡輕質土容重在進行等級劃分的同時，兼顧表干容重和濕容重，以表干容重為主，濕容重為輔。

(2) 施工過程中，濕容重因環(huán)境變化產生細微變化。濕容重越輕，氣泡含有量越多。在同等體積條件下，濕容重變化率越大，反之，濕容重變化率則越小。根據以往施工經驗和試驗數據，濕容重允許偏差宜統一按±0.5 kN/m3控制。

(3) 公路工程中氣泡輕質土表干容重為3～9 kN/m3時，具有較好的工程適用性。綜合考慮工程經驗，建議氣泡輕質土容重等級在3～9 kN/m3的范圍內進行劃分。

(4) 強度和容重具有一定的相關性，相同條件下，容重越大，強度越高。因此，建議容重等級劃分時考慮強度等級。

綜上所述，建議氣泡輕質土容重等級按其標準養(yǎng)護28天時的表干容重進行劃分，可分為7個等級，分別用符號A03、A04、A05、A06、A07、A08、A09表示，干容重和濕容重的變化范圍可按表2的規(guī)定執(zhí)行。根據已有工程經驗，改擴建工程中氣泡輕質土容重等級不超過A05級。

表2 公路工程中氣泡輕質土容重等級劃分

1.3 流動度指標

在氣泡輕質土施工過程中，流動性是保證施工可操作性的一個基本前提，也是控制氣泡輕質土澆筑質量的一個重要手段。流動性用流動度來衡量。流動度通過圓筒試驗來測定。

改擴建工程中，氣泡輕質土澆筑點較偏僻，部分位于山里，施工場地受限，因此需泵送較遠距離，加之北方寒區(qū)，氣溫較低，在設計時，應保證較高的流動性。已有工程經驗表明，氣泡輕質土流動為160～200 mm較為適宜。試驗段施工經驗也表明，改擴建工程中氣泡輕質土流動度宜為180 mm。

2 材料性能試驗

氣泡輕質土強度、容重和流動度指標與各組成材料的配比密切相關，可根據配比及時調整材料性能。呼包路改擴建工程中，原設計配合比按照水、水泥、發(fā)泡劑3種材料質量比為1∶1.65∶0.006進行控制，抗壓強度指標分別為0.8 MPa和0.6 MPa，濕容重指標分別為0.6 kN/m3和5.5 kN/m3，流動度指標控制為180 mm。實際工程中，受環(huán)境條件、設計施工水平、設備材料等條件制約，還需對材料配比進行微調。課題在前期設計配合比的基礎上，開展了大量的配合比試驗研究，為改擴建工程中氣泡輕質土的配合比調整提供依據[3]。

2.1 濕容重和表干容重

(1) 在流動度、含氣量都接近的情況下，水泥含量不同，氣泡輕質土濕容重變化幅度不大。這是因為氣泡輕質土漿料中氣泡群多而水泥漿料少，水泥用量對氣泡輕質土濕容重影響小。

(2) 圖1為根據試驗結果整理的氣泡輕質土濕容重與含氣量的關系圖，濕容重隨含氣量增加逐漸減少，從形態(tài)上，近似呈直線下降。含氣量每增加10%，濕容重降低20%～30%，因此，可以認為，氣泡輕質土濕容重對含氣量較為敏感。這一規(guī)律對于指導改擴建工程實踐具有重要意義，表明通過加入氣泡來實現氣泡輕質土的輕量化是可行的。

圖1 濕容重與含氣量的關系

(3) 圖2為氣泡輕質土表干容重與養(yǎng)護齡期的關系圖，氣泡輕質土隨著養(yǎng)護時間的增加，表干容重逐漸降低，在初期降低速度最快，后期趨緩，這與一般混凝土材料類似。這是因為影響氣泡輕質土表干容重的主要因素是水泥水化和自由水的蒸發(fā)引起的水分流失，該過程主要發(fā)生在養(yǎng)護初期。

圖2 表干容重與養(yǎng)護齡期的關系

2.2 抗壓強度

氣泡輕質土抗壓強度受水灰比、含氣量、養(yǎng)護齡期和養(yǎng)護環(huán)境等因素的制約，它們之間的相互聯系、相互影響，構成了氣泡輕質土強度的規(guī)律性和復雜性。

(1) 氣泡輕質土中水泥含量越高，抗壓強度越大。與含氣量相比，氣泡輕質土受水灰比影響與含氣量大致相同。

(2) 抗壓強度與含氣量的關系如圖3所示。隨著含氣量的增加，氣泡輕質土抗壓強度迅速降低，以水灰比1∶1.65為例，含氣量增加26.5%后，氣泡輕質土抗壓強度降低了約46%。

(3) 圖4為氣泡輕質土抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關系圖。氣泡輕質土抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長逐漸增大，7天強度約為28天強度的1/3～1/2，這與一般混凝土相比，前期強度增長較快，是因為漿料氣泡的存在大大增加了比表面積，使得水泥水化更充分。

圖3 抗壓強度與含氣量的關系

圖4 抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關系

(4) 由于分層澆筑，氣泡輕質土在下部氣泡輕質土凝固并產生一定強度后，才能進行上部澆筑。工程實際中，規(guī)范并沒有給出具體養(yǎng)護時間。有鑒于此，課題組專門跟蹤試樣6養(yǎng)護1天、2天、3天后的抗壓強度。試樣6養(yǎng)護1天后，抗壓強度為0.07 MPa，2天后抗壓強度為0.186 MPa，3天后抗壓強度為0.297 MPa。因此，氣泡輕質土下部澆筑完成1～2天后，就可以進行上部澆筑。

(5) 工程實際中，氣泡輕質土的使用環(huán)境多種多樣，后期養(yǎng)護環(huán)境對氣泡輕質土抗壓強度也是有影響的。結果表明，氣泡輕質土強度隨養(yǎng)護時間逐漸增長，30天后強度為初始強度的1.8倍；養(yǎng)護環(huán)境對強度影響明顯，浸泡環(huán)境下強度損失較大，與常規(guī)養(yǎng)護環(huán)境相比，同齡期試樣強度損失約35%；隨著齡期的增長，浸泡環(huán)境下氣泡輕質土強度逐漸降低，降低幅度趨于穩(wěn)定，連續(xù)浸泡30天后強度仍在0.8 MPa以上，如圖5所示，滿足路用要求。

圖5 抗壓強度與養(yǎng)護環(huán)境的關系

3 快速經驗計算法

目前氣泡輕質土設計中多采用濕容重作為設計和驗算指標，但實際表干容重略低于濕容重，因此采用濕容重指標方法不夠科學，偏于保守。工程經驗還表明濕容重法計算繁瑣，對工程實際指導意義有限，因此，課題在試驗研究和經驗總結的基礎上，提出了一種基于表干容重的快速經驗計算方法。

該方法是按標準養(yǎng)護28天后的表干容重指標進行配合比計算。與濕容重法類似，計算仍采用重量法計算各原材料用量。

(1)

式中,Vk為每立方氣泡輕質土的氣泡群體積；mc，mm，mw分別為泥、外摻料和水的用量；ρc、ρm、ρm分別為泥、外摻料和水的密度。

δcmc+δmmm=100r干

(2)

(3)

式中,δc為水泥水化修正系數，經驗選取1.2～1.5，根據水泥類型，熟料含量越多，水化修正系數越大；δm為外摻料修正系數，經驗選取細砂為1.0～1.1，粉煤灰和礦粉為1.2；r濕為氣泡輕質土的28天表干容重。

泥、外摻料和水的用量按下式計算：

(4)

(5)

mw=w(mc+mm)

(6)

氣泡輕質土濕容重按式(7)計算：

(7)

與常規(guī)濕容重法相比，該方法更加快速、直觀，計算量小，從表干容重出發(fā)，設計更為合理。

4 拼接路基設計與優(yōu)化

(1) 斷面設計形式

改擴建工程中斷面采用直立型斷面形式，該斷面形式如圖6所示，直立型斷面主要用于高填深挖等用地受限路段，主要目的是減少土體下滑，提高穩(wěn)定性，簡化擋墻處理，保持原有地貌，方便施工。氣泡輕質土與老路基通過臺階連接，拼接部位作抗滑處理；氣泡輕質土外側直立澆筑，支護面板兼有澆筑模板和保護擋墻的作用。氣泡輕質土底部基礎作抗滑處理。

采用直立澆筑，在填筑高度較高時，可能存在由于縱向結合部剛柔突變引起的路面變形不協調，進而產生裂縫。因此，課題建議氣泡輕質土縱斷面宜以臺階過渡銜接，如圖7所示。當填筑高度不超過3 m時，才可采用在老路基原有地貌的基礎上放坡或直立澆筑。

圖7 縱斷面臺階過渡示意圖

(2) 路基拼接設計

路基拼接技術主要包括：防排水設計、抗滑設計和臺階開挖。

在防排水設計方面，主要利用防水土工布結合排水設施進行防排水。同時為排除路基滲水，建議在填筑體與地基之間設置碎石墊層或碎石盲溝，填筑體低面設置碎石墊層時，墊層厚度控制在25 cm以內，為使排水順暢，碎石墊層應超過支護面板基礎外緣，且墊層頂高度不高于支護面板基礎底。特別需要指出的是，當不能確定背面填土的滲水是否會對氣泡輕質土造成影響時，宜采用防水板[4]。

在抗滑設計方面，建議采用設置抗滑固件的方法，如圖8所示。

圖8 防排水設計參考

通過在新老路基拼接處垂直打入抗滑樁，提高氣泡輕質土填筑體和老路基的整體性。若穩(wěn)定性不夠時，可根據需要調整抗滑樁的截面和間隔，使之滿足穩(wěn)定性要求。

在臺階開挖方面，參考國內其他高速公路改擴建工程采用的臺階開挖方案，雖然各工程采用的開挖方案都有區(qū)別，但臺階高度大多控制在100 cm以內，第一級臺階開挖高度一般在0.8～1.5 m，逐級開挖臺階，避免一次開挖臺階過高、過陡臺階容易坍塌，臺階寬度根據坡比和臺階開挖形式確定，同時臺階尺寸還和老路邊坡的填筑材料、壓實度等有關。根據改擴建工程實際情況，建議改擴建工程中路基拼接采用多級臺階形式，每個坡面視具體情況設置1～3個臺階。每個臺階面寬度不超過1.5 m，臺階高度不超過1 m。

5 結論

立足試驗研究和理論分析，課題對氣泡輕質土材料性能和設計進行了系統深入研究，主要結論如下：

(1) 對已有配合比設計指標進行了優(yōu)化，提出了基于表干容重的劃分方法；建議依托工程中氣泡輕質土配合比設計強度按路床CF0.8和路堤CF0.6級別選取，容重可定為不超過A05級，流動度為180 mm。

(2) 開展了大量材料性能試驗，為依托工程提供了參考建議，包括：濕容重、表干容重和抗壓強度。提出了一種基于表干容重的經驗計算法，相較于一般濕容重法具有快速，簡單的優(yōu)勢。

(3) 對拓寬工程中氣泡輕質土路基典型斷面進行設計優(yōu)化，分析了不同斷面的變形和穩(wěn)定特征，建議依托工程縱向銜接臺階過渡。

(4) 研究了拼接過程中的防排水設計、抗滑設計和臺階開挖，建議依托工程路基拼接采用多級臺階形式，每個坡面視具體情況設置1～3個臺階。每個臺階面寬度不超過1.5 m，臺階高度不超過1 m。