某國際主題樂園項目中土工泡沫的性能研究及應用

胡曉瑩

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

1 土工泡沫的含義及基本性能

1.1 定義

土工泡沫是一種輕型高分子聚合物，它是采用聚苯乙烯樹脂加入發(fā)泡劑進行加熱軟化，產生氣體，形成一種硬質具有壁孔結構的泡沫塑料。

美國材料與試驗協(xié)會標準Standard Specification for Rigid Cellular Polystyrene Geofoam（ASTM D6817/D6817M-17）中將聚苯乙烯土工泡沫定義為用于巖土工程中的剛性塊體或平面多孔聚合物材料，由聚苯乙烯樹脂珠或顆粒通過模塑膨脹成型而成（EPS）或通過擠壓膨脹而成（XPS）[1]。

聚苯乙烯土工泡沫是一種有機材料，具有可燃性，運輸、儲存及使用中應采取保護措施，遠離明火、易燃物品及高溫熱源。

1.2 基本性能

Standard Specification for Rigid Cellular Polystyrene Geofoam（ASTM D6817/D6817M-17）中規(guī)定了聚苯乙烯土工泡沫的基本性能要求，如表1所示。

表1 聚苯乙烯土工泡沫的物理性能要求

由表1可知，一方面，由于土工泡沫密度小，其重量約為普通土體的1%，作為巖土工程回填材料時，可有效減小基礎底面壓力值。同時，其抗壓強度相對較大，且不受吸水、低溫、凍融循環(huán)等不利條件影響，可以滿足上部堆載要求[2]。另一方面，由于土工泡沫的泊松比在彈性范圍內近似為0.07～0.11，其側向變形較小，故不易傳遞側向壓力[3]。

2013年，學者Ertugrul和Trandafir[4]針對土工泡沫對擋土墻側向土壓力的影響進行了實驗研究。將EPS土工泡沫置于懸臂擋土墻與無黏性回填土之間，通過改變土工泡沫的厚度來監(jiān)測擋土墻不同標高點位處的墻體位移以及側向土壓力，實驗結果如圖1所示。圖1中，Z為監(jiān)測點位的標高；h為擋土墻高度；σxx為側向土壓力；σyy為豎向覆土壓力；t為土工泡沫厚度。

圖1 土工泡沫對擋土墻側向土壓力影響實驗結果

根據Ertugrul和Trandafir的研究可知，當擋土墻墻背后設置厚度為t的土工泡沫層時，擋土墻受到的側向土壓力相較于未設置土工泡沫的工況顯著減小。隨著土工泡沫厚度t的增大，側向土壓力逐漸減?。划攖與擋土墻高度h的比值達到0.14時，側向土壓力僅為無土工泡沫工況的50%左右。由此可見，土工泡沫的應用可以有效卸載土壓力。

由于具備質量輕、側向變形小等特性，土工泡沫在道路、堤壩、擋土墻、隧道、涵洞等工程領域具有較為廣泛的應用。

2 土工泡沫項目應用

2.1 項目背景

某國際主題樂園位于上海市浦東區(qū)川沙縣，內部分為7大主題園區(qū)，總占地面積約1.16km2。

樂園內部設計有大量的景觀擋土墻，以供游客觀賞以及園內各個主題園區(qū)的區(qū)塊分隔。一方面，由于此類主題樂園項目中通常有較多的游藝設施以及景觀種植池，場地內密布大量的電氣、灌溉以及市政管線，極易與擋土墻基礎發(fā)生碰撞。另一方面，當擋土墻作為景觀觀賞構件呈現(xiàn)給游客時，墻厚不宜過大。因此，當設計中面臨著基礎與墻厚均受限的情況時，可以考慮在擋土墻墻背后回填土工泡沫[5]。

2.2 結構計算

現(xiàn)取園區(qū)場地中的一段高度為5m的擋土墻進行計算分析，考慮到墻背后有大面積草木種植，種植土厚度要求不應小于1.5m，因此在采用土工泡沫回填的方案中，土工泡沫的回填范圍需低于場地完成面以下1.5m。計算中，土壓力系數(shù)取0.5，填土的重度取18kN/m3。

（1）擋土墻墻背后回填土。回填土時擋土墻受力示意圖如圖2所示。擋土墻所受側向土壓力；擋土墻根部所受彎矩。

圖2 擋土墻受力示意圖（回填土）（單位：mm）

（2）擋土墻墻背后回填土工泡沫?；靥钔凉づ菽瓡r，擋土墻受力示意圖如圖3所示。設計中基于安全因素考慮，不計入土工泡沫對側向土壓力的卸載作用，僅考慮土工泡沫自身對墻體無側壓力作用。擋土墻所受側向土壓力擋土墻根部所受彎矩。

圖3 擋土墻受力示意圖（回填土工泡沫）（單位：mm）

由上述計算分析可知，擋土墻墻背后回填土工泡沫時，擋土墻所受的側向土壓力以及根部彎矩相較于回填土工況顯著減小。故擋土墻基礎尺寸、擋土墻厚度及配筋均可減小，不僅有利于場地設計各專業(yè)之間的協(xié)調布置，同時能夠降低鋼筋混凝土的用量及造價。

2.3 設計應用

根據業(yè)主提供的技術規(guī)格書，該項目采用的土工泡沫塊體應滿足以下設計要求：密度不低于20kg/m3；試件應變5%對應的抗壓強度不小于100kPa。故選用EPS22型號的土工泡沫作為回填材料，且應保證材料能夠滿足平整度及燃燒自滅性的要求[6]。

（1）土工泡沫深化。施工前需對土工泡沫回填進行細部深化，如圖4所示。根據施工圖中的場地完成面標高和基礎頂標高確定土工泡沫的回填范圍，從而確定土工泡沫的層數(shù)以及每層塊體的尺寸。當擋土墻背后填土的完成面標高隨坡度變化較大時，可將土工泡沫隨坡按階梯狀鋪設，逐層深化，尺寸可按需求現(xiàn)場切割。施工時根據深化圖紙將土工泡沫塊體自下而上逐層錯縫鋪設，底層土工泡沫塊體采用L型栓釘連接件與基底連接，頂層土工泡沫與表面填土之間可以針刺聚酯短纖維無紡布隔開，土工泡沫塊體之間采用具有一定強度的單面或雙面爪型連接件，連接件應進行防銹處理。

圖4 土工泡沫施工深化圖（單位：mm）

（2）土工泡沫排水。土工泡沫屬于輕質材料，為避免水浮力產生的影響，設計時應采取有效的排水措施。擋土墻背排水詳圖如圖5所示。此外，施工期間還應做好防護措施，避免雨污水對土工泡沫塊體的浸泡。

圖5 土工泡沫排水做法圖

（3）土工泡沫回填。土工泡沫回填前，應進行場地平整，將原始場地內的淤泥、腐殖土、雜草、耕植土等進行清理和修整，場地壓實系數(shù)應滿足規(guī)范要求?；靥顣r，土工泡沫應鋪設在中粗砂墊層的施工基面上，施工基面必須保持干燥狀態(tài)；鋪設時，不允許任何重型機械直接在土工泡沫塊體上行駛；鋪設完成后應進行變形檢測，滿足技術規(guī)格要求后方能進行上部種植土的回填工作。土工泡沫現(xiàn)場施工圖如圖6所示。

圖6 土工泡沫現(xiàn)場施工圖

3 土工泡沫技術優(yōu)缺點分析

目前，土工泡沫被越來越多地運用于道路、橋梁、巖土以及建筑結構領域中。作為回填材料，土工泡沫具有以下優(yōu)點：（1）質量輕，運輸便捷，由自重產生的壓力?。唬?）無須專業(yè)施工設備，安裝方便，施工速度快；（3）吸水率低且不溶于水，可有效釋放靜水壓力，抗凍性好；（4）側向變形小，可有效卸載側向土壓力。

同時，土工泡沫也具有如下缺點：（1）可燃，不耐有機溶劑，不能直接暴露于明火中，需安全運輸保存；（2）暴露在紫外線下會導致變色，施工時應加以防護；（3）產品價格較高。

綜上，在未來的工程應用中，應根據不同的工程概況，充分考慮土工泡沫的優(yōu)缺點進行設計。

4 結論

（1）土工泡沫質量輕、抗壓強度大，作為巖土工程回填材料時，不僅可有效減小基礎底面壓力值，還能夠滿足上部堆載要求，且不受吸水、低溫、凍融循環(huán)等不利條件影響。（2）土工泡沫側向變形較小，不易傳遞側向壓力，用于擋土墻墻背回填時，可以顯著降低側向土壓力，從而縮小擋土墻基礎的設計尺寸，有效避讓場地管線布置。（3）施工前需對土工泡沫回填進行細部深化，確定土工泡沫的回填范圍，并采取有效的排水措施避免水浮力的影響。

目前，市場上的土工泡沫產品價格較高，同時國內也沒有系統(tǒng)的規(guī)范標準定義土工泡沫的性能和計算，因此在我國土工泡沫的用途并沒有普及。由于土工泡沫作為回填材料不僅性能優(yōu)良，還具有熱傳導率極低、保溫隔熱性能良好的特點，在未來的研究中，若能有效地平衡工程復雜性以及建筑效果與工程造價的關系，土工泡沫技術將在建筑工程中得到更為廣泛的應用[7]。