高速鐵路泡沫輕質(zhì)土路基施工關(guān)鍵控制技術(shù)

李 斯，姚建平，龐 帥，程冠之，熊亞軍

(1.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081； 3.北京鐵科特種工程技術(shù)開發(fā)公司，北京 100081)

2017年底，我國鐵路營業(yè)里程達(dá)到12.7萬km，其中高速鐵路2.5萬km，中西部地區(qū)(含東三省)鐵路營業(yè)里程達(dá)9.7萬km。目前，我國高速鐵路已基本形成“八縱八橫”的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)。隨著路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，新線接入既有高速鐵路所需的路基幫寬工程逐漸增多，線路沉降和變形難以控制。常規(guī)填土工法會大幅提高路基荷載，并會對路基產(chǎn)生豎向荷載和側(cè)向壓力，造成鐵路路段差異沉降[1]。

泡沫輕質(zhì)土具有多孔性、輕質(zhì)性、密度和強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性、耐久性、施工無擾動、自密實(shí)、固化后可自立等優(yōu)良特性[2]。高速鐵路泡沫輕質(zhì)土路基是指“將現(xiàn)場制備的泡沫輕質(zhì)土澆筑到高速鐵路路基中充當(dāng)全部或部分路基填料，并滿足高速鐵路路基材料性能、結(jié)構(gòu)形式、受力特征、耐久性指標(biāo)”的新型、輕質(zhì)、高強(qiáng)鐵路路基，可用于解決高速鐵路路基幫寬工程和過渡段、軟土地基、陡坡路段等的沉降變形控制難題。

我國對泡沫輕質(zhì)土的材料性能和工程應(yīng)用進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]研究了水膠比、濕密度、減水劑等不同制備參數(shù)對泡沫輕質(zhì)土工作性能和力學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)[4-5]研究了玻璃纖維和聚丙烯纖維對泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能的改良作用。文獻(xiàn)[6-7]研究了泡沫輕質(zhì)土在不同環(huán)境下的耐久性能。文獻(xiàn)[8-9]針對高速鐵路路基幫寬和軟基處理工程開展了研究和應(yīng)用。目前，對泡沫輕質(zhì)土的材料性能和改良方法的研究比較深入，但對通過施工過程確保泡沫輕質(zhì)土澆筑品質(zhì)的研究相對薄弱。鑒于此，本文通過分析泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度形成機(jī)理，提出控制指標(biāo)，并結(jié)合工程案例探討施工關(guān)鍵參數(shù)的控制。

1 泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度形成機(jī)理

泡沫輕質(zhì)土是用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料。泡沫輕質(zhì)土經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成其作為輕質(zhì)路基材料的服役強(qiáng)度，輕質(zhì)土強(qiáng)度形成主要分為初始階段(Ⅰ)、反應(yīng)階段(Ⅱ)、硬化階段(Ⅲ)3個過程，強(qiáng)度形成曲線如圖1所示[10]。

圖1 泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度形成曲線

1.1 初始階段

液膜外表面排列著表面活性劑分子，部分凝膠材料顆粒被吸附到液膜表面形成包裹層，部分凝膠材料顆粒散布在氣泡間隙的漿液中。重力排液、表面張力排液、泡內(nèi)氣體擴(kuò)散排液3種作用互相疊加，使氣泡上部、相鄰氣泡結(jié)合部的液膜逐漸變薄，小氣泡內(nèi)的氣體向大氣泡擴(kuò)散。為保證泡沫輕質(zhì)土的穩(wěn)定性，需提高泡沫的穩(wěn)定性，降低泡沫泌水率，保證氣泡泡徑小而均勻。

1.2 反應(yīng)階段

在該過程中，泡沫輕質(zhì)土多相體系的穩(wěn)定性從早期由液膜支撐逐漸過渡由水化凝膠材料骨架支撐。其間，漿體水化反應(yīng)不斷進(jìn)行并產(chǎn)生大量水化熱，體系中部分水以蒸汽的形式排出輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)體外，同時帶走大部分熱量。液膜全部破壞，輕質(zhì)土的強(qiáng)度全部由凝膠提供。

氣泡液膜逐漸失水并被水化凝膠層取代的固泡過程和凝膠材料吸收漿體中的水分進(jìn)行水化反應(yīng)形成凝膠的稠化過程同時發(fā)生。為保證泡沫輕質(zhì)土良好的孔隙結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生“塌模”，需延長泡沫穩(wěn)定時間，提高稠化速度，并減少水化放熱。

1.3 硬化階段

在泡沫輕質(zhì)土硬化早期，其強(qiáng)度尚不能滿足大型機(jī)械的碾壓和振動，故須避免大型機(jī)械對硬化早期輕質(zhì)土孔隙結(jié)構(gòu)的損傷。同時做好泡沫輕質(zhì)土的防水封閉措施，減弱水導(dǎo)致的泡沫輕質(zhì)土的長期服役性能的劣化。

2 泡沫輕質(zhì)土路基控制標(biāo)準(zhǔn)與要求

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

路基主體工程應(yīng)按土工結(jié)構(gòu)物進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)為100年。路基基床結(jié)構(gòu)的剛度應(yīng)滿足將列車運(yùn)行時產(chǎn)生的彈性變形控制在一定范圍內(nèi)的要求；其強(qiáng)度應(yīng)能承受列車荷載的長期作用；其厚度應(yīng)使擴(kuò)散到其底層面上的動應(yīng)力不超過基床底層土的長期承載力。

2.2 工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

路基工后沉降值應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)，并進(jìn)行系統(tǒng)的沉降觀測。

無砟軌道路基工后沉降應(yīng)符合線路平順性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和扣件調(diào)整能力的要求。工后沉降不宜超過15 mm；沉降比較均勻并且調(diào)整軌面高程后豎曲線半徑Rsh≥0.4V2(V為設(shè)計(jì)最高速度)時，允許的工后沉降為30 mm。路基與橋梁、隧道或橫向結(jié)構(gòu)物交界處的工后差異沉降不應(yīng)大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不應(yīng)大于1/1 000。

有砟軌道正線路基工后沉降應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

2.3 強(qiáng)度與密度要求

路基是軌道的基礎(chǔ)，同時承受動、靜荷載作用。靜荷載主要指路基上部軌道結(jié)構(gòu)和附屬構(gòu)筑物作用于路基的荷載，軌道、列車和填土作用于地基的荷載。動荷載為列車通過軌道結(jié)構(gòu)傳遞并作用于路基面的循環(huán)荷載。隨著運(yùn)行速度的提高，列車動荷載也隨之增大。路基的上部受動力作用強(qiáng)烈的部分為基床。泡沫輕質(zhì)土路基作為軌道基礎(chǔ)的土工結(jié)構(gòu)物，必須能夠承受路基荷載作用及其他各種環(huán)境因素的作用并保持其設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的正常使用。

鐵路路基(路堤結(jié)構(gòu)形式)由基床表層、基床底層和路基本體(基床以下路堤)構(gòu)成，其中基床表層厚度無砟軌道為0.4 m，有砟軌道為0.7 m，基床底層厚度為2.3 m。依據(jù)工程地質(zhì)環(huán)境的最大土壤凍結(jié)深度和路基不同層位，泡沫輕質(zhì)土路基強(qiáng)度和密度建議值見表2 和表3。

表2 非凍融環(huán)境泡沫輕質(zhì)土路基強(qiáng)度及密度建議值

表3 凍融環(huán)境泡沫輕質(zhì)土路基強(qiáng)度及密度建議值

2.4 耐久性指標(biāo)

泡沫輕質(zhì)土路基受到的長期作用主要包括荷載作用和環(huán)境作用。依據(jù)列車運(yùn)行荷載、工程地質(zhì)條件、氣候環(huán)境等，對泡沫輕質(zhì)土耐久性指標(biāo)進(jìn)行必要設(shè)計(jì)，以滿足泡沫輕質(zhì)土路基的長期服役性能。材料耐久性評價指標(biāo)見表4。

表4 材料耐久性評價指標(biāo)

3 泡沫輕質(zhì)土施工關(guān)鍵參數(shù)控制

結(jié)合一高速鐵路路基幫填泡沫輕質(zhì)土工程施工案例，對泡沫輕質(zhì)土的施工關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制，以確保泡沫輕質(zhì)土檢驗(yàn)品質(zhì)。

3.1 水泥比表面積

泡沫輕質(zhì)土原材料進(jìn)場后，須對其水泥比表面積進(jìn)行檢驗(yàn)，TB/T 3275—2011《鐵路混凝土》中要求水泥的比表面積為300～350 m2/kg。水泥比表面積低于300 m2/kg時水化反應(yīng)活性較低[11]；高于350 m2/kg時拌和同樣流值的輕質(zhì)土用水量增加，在輕質(zhì)土強(qiáng)度形成的第Ⅰ階段和第Ⅱ階段都會因?yàn)檩p質(zhì)土含水量過高造成不同程度的泌水現(xiàn)象，嚴(yán)重者造成泌水通道層或者泌水薄弱夾層(圖2)，劣化輕質(zhì)土的結(jié)構(gòu)性能和受力性能。

圖2 嚴(yán)重泌水現(xiàn)象

3.2 工藝性試驗(yàn)

泡沫輕質(zhì)土施工前，應(yīng)依據(jù)設(shè)計(jì)要求開展配合比試驗(yàn)，配合比試驗(yàn)選取施工用水泥、水、發(fā)泡劑、纖維、粉煤灰等，確定輕質(zhì)土濕密度、流值、7 d和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、濕密度增加率、標(biāo)準(zhǔn)沉陷率、設(shè)計(jì)耐久性指標(biāo)。

配合比試驗(yàn)完成后，仍須在現(xiàn)場澆筑區(qū)完成澆筑工藝性試驗(yàn)(圖3)，消除現(xiàn)場大尺寸輕質(zhì)土與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)樣品的誤差，確定現(xiàn)場施工用配合比、原材料澆筑性能、澆筑層厚、澆筑時間間隔等施工工藝參數(shù)。

圖3 現(xiàn)場工藝性試驗(yàn)

3.3 水化熱控制

在輕質(zhì)土強(qiáng)度形成的反應(yīng)階段，主要是水泥水化硬化形成輕質(zhì)土骨架結(jié)構(gòu)。在該過程中若水化熱釋放過快，則影響氣泡穩(wěn)定性，加快液膜失水，加速氣泡破裂，最終導(dǎo)致“塌?！辟|(zhì)量事故；若水化熱釋放過慢，則影響輕質(zhì)土早期強(qiáng)度形成，延長第Ⅱ階段持續(xù)時間，使得分層澆筑時間間隔延長，浪費(fèi)工期。

為保證泡沫輕質(zhì)土澆筑質(zhì)量，可采取以下措施：①采用高穩(wěn)定性發(fā)泡劑，生產(chǎn)泡徑小而均勻的氣泡，降低泡沫的溫度敏感性，使其在強(qiáng)烈的水化反應(yīng)下仍保持良好的穩(wěn)定性；②摻加適量的粉煤灰，依據(jù)環(huán)境情況和水泥成分適當(dāng)調(diào)整水化反應(yīng)劇烈程度，粉煤灰的摻量宜在0～30%。

3.4 支模分隔工藝

傳統(tǒng)的大體積泡沫輕質(zhì)土澆筑采用支木模分區(qū)澆筑，奇數(shù)區(qū)硬化后拆模澆筑偶數(shù)區(qū)，待偶數(shù)區(qū)硬化后重新對奇數(shù)區(qū)支模澆筑，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)式快速施工，導(dǎo)致分層澆筑時間間隔延長，浪費(fèi)工期。通過砌筑加氣混凝土塊快速分區(qū)澆筑輕質(zhì)土(圖4)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)式快速澆筑施工，縮短澆筑時間間隔40%左右。

圖4 連續(xù)式快速分區(qū)施工工藝

加氣混凝土塊與泡沫輕質(zhì)土材料、結(jié)構(gòu)、受力性能類似，具有生產(chǎn)工藝成熟、價格相對較低、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，可作為泡沫輕質(zhì)土澆筑中木模分區(qū)替代工藝實(shí)現(xiàn)連續(xù)式快速分區(qū)澆筑施工。

4 結(jié)論

1)揭示了泡沫輕質(zhì)土3階段的強(qiáng)度形成機(jī)理，為泡沫輕質(zhì)土施工控制提供理論依據(jù)。

2)提出了輕質(zhì)土路基從結(jié)構(gòu)、工后沉降、強(qiáng)度與密度、耐久性指標(biāo)等方面的具體要求。

3)結(jié)合案例，對水泥比表面積、工藝性試驗(yàn)、水化熱控制、支模分區(qū)工藝等泡沫輕質(zhì)土施工關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制，為類似工程提供參考。