泡沫輕質(zhì)土在高速公路施工中的應(yīng)用

盧春莎

泡沫輕質(zhì)土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)良特性，對(duì)于高速公路的路基沉降具有一定的減緩作用。文章介紹了泡沫輕質(zhì)土的制備工藝流程，分析了其技術(shù)特性，并通過試驗(yàn)對(duì)泡沫輕質(zhì)土的密度與抗壓度指標(biāo)進(jìn)行了綜合論證。試驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫輕質(zhì)土對(duì)于高速公路的路基沉降具有一定的抑制作用，工程應(yīng)用價(jià)值顯著。

泡沫輕質(zhì)土;高速公路;施工

U416.211-A-07-021-3

0?引言

軟土地質(zhì)構(gòu)造一般具有低強(qiáng)度和低滲透性等特點(diǎn)，隨著高速公路車輛載荷的不斷增加，對(duì)于高速公路車輛日常通行的安全性帶來(lái)一定隱患。為此，應(yīng)充分重視高速公路施工中軟土路基的工后沉降情況。目前，在高速公路施工中較為常見的做法是通過對(duì)地基改良和優(yōu)化的方式來(lái)減少工后沉降，但對(duì)于軟土較深的區(qū)域而言，其工程量大、造價(jià)高、施工周期長(zhǎng)，且最終的處理效果不是十分理想。而泡沫輕質(zhì)土是通過物理方式將發(fā)泡劑的水溶液制備成泡沫，并與水泥基膠凝原料、水、拌和料以及外加劑按一定配比進(jìn)行混合攪拌，最終形成一種工程性能較為優(yōu)良的輕質(zhì)施工材料。本文將泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用到高速公路的路基填筑施工中，為有效控制軟土區(qū)域高速公路路基的沉降開辟了新的研究思路[1]。

1?泡沫輕質(zhì)土工藝流程和技術(shù)特性

1.1?工藝流程

泡沫輕質(zhì)土是一種新型的輕質(zhì)施工材料，由特定生產(chǎn)設(shè)備將發(fā)泡劑溶液制成泡沫，并與水泥基膠凝材料、可選集料、拌和料、添加劑等按一定比例混合組成，澆筑硬化后的強(qiáng)度能夠滿足施工需求。其制作的工藝流程如圖1所示。

1.2?技術(shù)特性

泡沫輕質(zhì)土主要由氣體、液體以及固體等多相介質(zhì)組成，屬于多孔的介質(zhì)材料，其硬化后含有大量、致密、微小的密閉氣泡群，且這類微小孔隙彼此不聯(lián)通，受力骨架為膠凝材料以及拌和料硬化后形成，多孔性是其主要結(jié)構(gòu)特性。由于泡沫輕質(zhì)土屬于水泥類材料的一種，因此，在制備和使用的過程中具有水泥類材料的工程特性，即凝結(jié)性，包括初凝和終凝時(shí)間。泡沫輕質(zhì)土屬水硬性材料，增重系數(shù)隨著齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)[2]。泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部分布大量閉合的膠質(zhì)氣泡使得其比重相對(duì)于常規(guī)施工材料較小，由于各類工程的特殊需要，可通過調(diào)整材料中氣泡、固化劑以及土的比例來(lái)達(dá)到工程應(yīng)用的目的。泡沫輕質(zhì)土容重一般介于5～12 kN/m3。常見施工材料的容重對(duì)比分析如表1所示。

2?泡沫輕質(zhì)土密度與抗壓度性能分析

泡沫輕質(zhì)土澆筑在地下水位之上時(shí)，其濕密度可由膠凝原料、水以及泡沫量多少而進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。但在地下水位之下進(jìn)行澆筑并伴有水浸泡的情況時(shí)，應(yīng)首先考慮水分對(duì)其密度和抗壓度的影響。

2.1?試驗(yàn)過程

為研究泡沫輕質(zhì)土密度和抗壓度與浸水天數(shù)之間的關(guān)系，擬配置3種級(jí)別的濕密度，分別在水中浸泡1周、4周、8周和12周，監(jiān)測(cè)其浸水后密度的變化情況，并對(duì)其進(jìn)行極限抗壓度試驗(yàn)。本次試驗(yàn)過程中，水灰比為0.5，選取水泥漿液質(zhì)量的0.5%來(lái)作為減水劑用量，而發(fā)泡劑濃度選為2%，但穩(wěn)泡劑應(yīng)控制在發(fā)泡劑水溶液的0.1%以內(nèi)。另外，為獲得各種密度的泡沫輕質(zhì)土試驗(yàn)樣本，應(yīng)變化泡沫與漿液之間的質(zhì)量比，且為有效屏蔽試驗(yàn)過程中的離散特性，應(yīng)分別制備5組試驗(yàn)塊，各組分配3個(gè)平行試驗(yàn)塊，使用其中1組試驗(yàn)塊來(lái)分析浸水天數(shù)與增重情況的關(guān)系，另外4組試驗(yàn)塊用來(lái)測(cè)量浸水1周、4周、8周和12周的極限抗壓度，最終取3個(gè)平行試驗(yàn)塊的均值作為試驗(yàn)結(jié)果[3]。

2.2?試驗(yàn)結(jié)果

不同試驗(yàn)塊在浸水1周、4周、8周和12周后的濕密度變化情況如表2所示。

由表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，泡沫輕質(zhì)土在浸水后由于吸水使得其容重增加，且泡沫輕質(zhì)土的增重系數(shù)隨時(shí)間的增加而減小，增重系數(shù)所增加的幅度也隨著時(shí)間的增加而變小，反映了泡沫輕質(zhì)土在浸水后的變化特性，最終逐漸接近飽和的穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果說明：濕密度為541.2 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土經(jīng)過1～12周的浸水后，增重系數(shù)為14.67%～25.06%;濕密度為642.3 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土經(jīng)過1～12周的浸水后，增重系數(shù)為12.19%～20.69%;濕密度為761.9 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土經(jīng)過1～12周的浸水后，增重系數(shù)為9.61%～18.77%[4]。

3?有限元模型分析

3.1?有限元模型搭建

泡沫輕質(zhì)土具有密度低、強(qiáng)度高等優(yōu)良工程特性?；谂菽p質(zhì)土的輕質(zhì)、高強(qiáng)特性，通過ABAQUS有限元分析軟件來(lái)搭建填土堆載模型，對(duì)高速公路軟土路基進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析泡沫輕質(zhì)土填料在高速公路軟土路基施工后的沉降程度，進(jìn)而驗(yàn)證采用泡沫輕質(zhì)土填料在軟土路基施工中的優(yōu)勢(shì)[5]。

3.2?模型基本假定

通常情況下，軟土地基的沉降問題中包括形變和滲流等三維空間問題，但在路基堆載情況下，軟土地基沉降問題則轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變的滲流問題。為此，在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)應(yīng)做以下基本假定：

（1）土體是均勻、同性并且飽和的。

（2）沉降過程中土體滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)均為常數(shù)。

（3）土顆粒以及孔隙水不可壓縮，而孔隙體積的減小決定了土體的壓縮程度。

（4）忽略其他部分的沉降，僅考慮軟土地基的沉降。

（5）孔隙水滲透流動(dòng)滿足達(dá)西定律。

3.3?計(jì)算步驟

由同類工程施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻(xiàn)可知，在有限元模型計(jì)算過程中，所選取的材料力學(xué)參照指標(biāo)如下頁(yè)表3所示。通過對(duì)比該參照指標(biāo)列表，能夠分析出有限元模擬過程中的計(jì)算偏差，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)糾正后得出較為精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.4?填土堆載分析

在對(duì)高速公路路基填筑過程進(jìn)行模擬分析時(shí)，應(yīng)考慮其實(shí)際加載過程的連續(xù)性，對(duì)有限元分析模型使用分階段加載方式，利用ABAQUS軟件自帶的判據(jù)單元特性，將填土作為新增單元，由具體的模擬時(shí)長(zhǎng)來(lái)完成計(jì)算過程。計(jì)算過程中采用五級(jí)式方案施加路基填土，計(jì)劃在第58 d完成路基填土，第71 d開始進(jìn)行高速公路載荷能力試驗(yàn)，以第70 d為起點(diǎn)分析高速公路路基的工后沉降。填土?xí)r間、填土高度以及累計(jì)填土高度數(shù)據(jù)如表4所示。路基填筑過程的高度變化如圖2所示。

由圖2可知，路基的填筑高度在各個(gè)時(shí)間段中較為均勻，經(jīng)過70 d的填筑工序，使路基最終填筑高度為4.6 m。

4?高速公路泡沫輕質(zhì)土路基沉降分析

圖3為泡沫輕質(zhì)土路基最終的縱向應(yīng)力云圖。由圖3可知，泡沫輕質(zhì)土路基縱向應(yīng)力主要分布在車輛下方載荷位置的兩側(cè)，一般情況下為均勻分布。這一方面說明泡沫輕質(zhì)土路基在高速公路車輛載荷作用下的受力較為均勻，且由載荷中心位置向兩側(cè)延伸;另一方面說明了泡沫輕質(zhì)土對(duì)于高速公路路基的進(jìn)一步沉降具有一定的抑制作用，工程應(yīng)用效果較為明顯。

圖3?泡沫輕質(zhì)土路基最終縱向應(yīng)力云圖

圖4為泡沫輕質(zhì)土路基頂部最終縱向應(yīng)力的橫向曲線圖。由圖4可知，路基最大的縱向應(yīng)力出現(xiàn)在中心下方路基頂部，其值約為36.2 kPa，相對(duì)于泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度較低。這表明在采用泡沫輕質(zhì)土實(shí)現(xiàn)路基的填筑方案中，路基所受的應(yīng)力滿足泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度的要求[6]。

圖4?泡沫輕質(zhì)土路基頂部最終縱向應(yīng)力的橫向曲線圖

5?結(jié)語(yǔ)

高速公路的路基沉降對(duì)于車輛的通行帶來(lái)一定的安全隱患，是近年來(lái)高速公路交通事故的主要原因，尤其是對(duì)于軟土地區(qū)的高速公路而言，這種安全隱患尤為突出。為此，提高高速公路路基的穩(wěn)定性具有重要意義。本文詳細(xì)研究了泡沫輕質(zhì)土的工程特

性，論證了其應(yīng)用于減緩高速公路路基沉降中的可行性，認(rèn)為泡沫輕質(zhì)土可廣泛應(yīng)用于高速公路路基沉降的控制方案中，在軟土地區(qū)的施工中應(yīng)用效果更為明顯。

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