泡沫輕質(zhì)土在軟土地基道路改擴(kuò)建中的應(yīng)用

楊 偉

（洛陽璟信公路工程科技發(fā)展有限公司，河南洛陽471000）

我國高速公路發(fā)展初期，受經(jīng)濟(jì)能力和設(shè)計思想的限制，道路設(shè)計多為雙向四車道方案。但隨著交通量的不斷增長，高速公路擁堵情況日益嚴(yán)重，高速公路改擴(kuò)建成為發(fā)展趨勢。道路擴(kuò)建的關(guān)鍵技術(shù)是控制新老路基的差異沉降[1]，差異沉降過大會導(dǎo)致拼接處結(jié)構(gòu)性破壞，出現(xiàn)縱向開裂，雨水下滲進(jìn)而影響路基穩(wěn)定性[2]。實際工程中若遇到軟土地基，因為其承載能力難以滿足工程需求，需要進(jìn)行改良處理，常見方式有排水固結(jié)、淺層換填、復(fù)合地基等[3-4]。對傳統(tǒng)換填材料的沉降特點研究已經(jīng)取得了豐富的經(jīng)驗、形成可靠的理論體系，但是由于軟土的復(fù)雜性，傳統(tǒng)填料應(yīng)用到軟土地基的沉降計算精確性較差，因此許多改擴(kuò)建工程考慮應(yīng)用泡沫輕質(zhì)土作為換填材料[5-7]。泡沫輕質(zhì)土是用起泡劑制備泡沫，與基質(zhì)土、膠結(jié)材料、水、摻合料按一定比例混合而成的高壓縮模量輕質(zhì)填筑材料，相較傳統(tǒng)填筑材料容重更小，對地基的荷載應(yīng)力更小[8]。目前對泡沫輕質(zhì)土的研究主要是材料生產(chǎn)、全路幅施工技術(shù)，對于改擴(kuò)建工程中路基拓寬施工研究并不全面[9]，必要研究如何控制改擴(kuò)建中泡沫輕質(zhì)土置換軟土地基施工質(zhì)量。本文通過實體工程研究泡沫輕質(zhì)土的生產(chǎn)制備、澆筑工藝、路基拼接技術(shù)、防水處理，為同類型工程提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

廣東省珠三角地區(qū)某高速公路全長41.6km，于1997年通車。由于受當(dāng)時經(jīng)濟(jì)能力、規(guī)劃思路的影響，路基寬度僅18m。其中有7.36km的軟基路段未經(jīng)過深層處理，僅換填5m厚碎石，累計沉降量較大，路面破損嚴(yán)重。經(jīng)過技術(shù)驗證，決定采用泡沫輕質(zhì)土對舊路外側(cè)10m寬的范圍內(nèi)進(jìn)行換填，拓寬后路基寬度為38m，路面結(jié)構(gòu)層具體設(shè)計見表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)Table 1 Pavement structure

2 軟土地基改擴(kuò)建中泡沫輕質(zhì)施工技術(shù)

2.1 原材料

（1）基質(zhì)土

泡沫輕質(zhì)土常用砂性、粉性、粘性土，通過解泥和篩分處理使土顆粒直徑小于5mm，和膠結(jié)材料、氣泡均勻混合時能保證泡沫輕質(zhì)土的流動性和穩(wěn)定性。本文所用基質(zhì)土為當(dāng)?shù)赝两üこ虖U棄的粘性土，經(jīng)過預(yù)處理后符合顆粒直徑小于5mm的要求

（2）起泡劑

起泡劑由物理作用和化學(xué)作用分為兩種，但由于化學(xué)起泡劑產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性受溫度濕度影響，本工程選用性能較為穩(wěn)定的物理起泡劑。常見的物理起泡劑又分為界面活性類、動物蛋白類、樹脂類等。動物蛋白類易變質(zhì)，對存放溫度和時間要求較高，所以在施工中禁止使用[10]。本工程選用起泡效果好的復(fù)合型起泡劑，其性能檢測結(jié)果和起泡劑技術(shù)指標(biāo)建議值見表2。

表2 起泡劑性能檢測結(jié)果和技術(shù)指標(biāo)建議值Table 2 Test results of foaming agent performance and recommended values of technical indexes

（3）膠結(jié)材料

水泥是泡沫輕質(zhì)土主要膠凝材料，起到固結(jié)和加固骨架的作用。泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部的氣泡會降低強(qiáng)度，為保證其強(qiáng)度能夠滿足工程要求，應(yīng)選用高標(biāo)號、凝結(jié)時間快、密度大的普通硅酸鹽水泥，也可選用高爐礦渣水泥或火山灰硅酸鹽水泥。石膏粉和硅粉作為輔助材料，用來催化、早凝、減少主劑。本工程選用標(biāo)號42.5的普通硅酸鹽水泥作主要膠結(jié)材料，其主要性能指標(biāo)見表3。

表3 水泥主要性能指標(biāo)Table 3 Main performance indexes of cement

（4）摻合料

粉煤灰可以起到改善泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度低、容重大等缺點的作用，能夠替代一部分水泥，從而降低施工成本、節(jié)約能源。泡沫輕質(zhì)土所用的粉煤灰要求所含有的游離CaO含量較低，以保證泡沫輕質(zhì)土的流動性和內(nèi)部泡沫的穩(wěn)定性，應(yīng)選用以無煙煤和煙煤為原料生產(chǎn)的粉煤灰，禁止選用由次煙煤或褐煤生產(chǎn)的粉煤灰。本工程選用符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）技術(shù)要求的粉煤灰，其主要技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 粉煤灰主要技術(shù)指標(biāo)Table 4 Main technical indexes of fly ash

（5）配合比設(shè)計

泡沫輕質(zhì)土的主要性能指標(biāo)是容重和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等，進(jìn)行配合比設(shè)計時要滿足容重、無側(cè)限抗壓強(qiáng)渡、濕重比、流值等要求（見表5）。由配合比試驗確定發(fā)泡劑、膠結(jié)材料、基質(zhì)土、摻加料、水的用量（見表6）。

表5 泡沫輕質(zhì)土性能技術(shù)指標(biāo)Table 5 Performance index of foamed lightweight soil

表6 泡沫輕質(zhì)土配合比Table 6 Mixing ratio of foamed lightweight soil

（6）泡沫輕質(zhì)土制備

在施工現(xiàn)場制備時，向解泥和篩分處理后的基質(zhì)土摻加水泥、粉煤灰和水，混合攪拌形成水泥-土漿；將起泡劑按配合比確定稀釋倍率用水稀釋后，泵送到起泡機(jī)中與壓縮空氣充分混合，形成大量致密均勻、直徑約為30m～300m左右微小氣泡的泡沫；將泡沫與水泥-土漿混合均勻，進(jìn)行物理性能檢測合格后，現(xiàn)場通過泵送澆筑。

2.2 施工技術(shù)

（1）路基拼接

對老路邊坡進(jìn)行削坡處理，開挖出適當(dāng)寬度和高度的臺階，臺階寬度應(yīng)大于2m。在加寬區(qū)泡沫輕質(zhì)土填筑前應(yīng)鋪設(shè)碎石或砂墊層，拼接面各臺階頂面鋪設(shè)土工格柵并用鋼釘錨固，約束拼接處新老路基的相對位移，防止拼接處產(chǎn)生相對位移反射到瀝青面層產(chǎn)生縱向裂縫。

（2）泡沫輕質(zhì)土的澆筑

澆筑前應(yīng)在基底鋪設(shè)塑料土工膜和金屬網(wǎng)。澆筑時根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況確定澆筑區(qū)和澆筑層的劃分。澆筑區(qū)通過砼擋墻劃分，起到模板和加固作用，單層澆筑方量不超過200m3。澆筑層過薄會影響泡沫輕質(zhì)土的整體性和消泡，過厚會導(dǎo)致消泡及壓縮氣泡導(dǎo)致的濕容重增加的現(xiàn)象，因此單層澆筑厚度應(yīng)控制在0.3m～1.0m，建議為0.5m，下層泡沫輕質(zhì)土終凝后再澆筑上一層，間隔時間控制在8h以內(nèi)。禁止在雨天澆筑，若養(yǎng)護(hù)時有降雨天氣應(yīng)鋪塑料膜遮雨，防止出現(xiàn)消泡現(xiàn)象。澆筑完畢后，表面強(qiáng)度≥0.4MPa、彎沉滿足要求即可進(jìn)行上層道路結(jié)構(gòu)的施工，通過水穩(wěn)碎石層調(diào)整橫坡。

（3）防水處理

浸水會導(dǎo)致泡沫輕質(zhì)土的容重增加和抗壓強(qiáng)度降低，若填筑層在地下水位上，應(yīng)清除基底積水并鋪設(shè)碎石或砂墊層；若填筑層在地下水位以下或滲透壓力≤30kpa，應(yīng)先在基底鋪設(shè)排水墊層，再對泡沫輕質(zhì)土填筑層的上下面和路基拼接處鋪設(shè)防水土工布；若填筑層在地下水位3m以下或滲透壓力≥30kpa，常規(guī)防水措施效果有限，應(yīng)針對泡沫輕質(zhì)土自身性能進(jìn)行改良，濕密度≥900kg/m3，強(qiáng)度等級≥1.0MPa。

3 施工質(zhì)量檢測

為了檢驗泡沫輕質(zhì)土施工質(zhì)量，本工程設(shè)置200m的實驗檢測斷面，在實驗檢測斷面隨機(jī)抽取6個橫斷面，在距離路面3m深度依次由拼接位置向新路基邊緣每隔2m埋設(shè)多點位移計，即從距離舊路道路中線8m開始，每隔2m設(shè)置檢測點。根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTGD30-2015）制定拓寬路基的沉降控制值，并結(jié)合《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基設(shè)計施工技術(shù)規(guī)程》（TJG F10 01-2011）以及已有改擴(kuò)建工程的控制標(biāo)準(zhǔn)做綜合考慮，得沉降控制值50mm和橫坡坡度變化量≤0.5%的雙重控制指標(biāo)[11]。

（1）橫向差異沉降

提取6個橫斷面通車14個月后的累計沉降數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖1。

圖1 橫向差異沉降檢測結(jié)果Fig.1 Test results of lateral differential settlement

由圖1可知，距離舊路中線14m處的累計沉降量最大，該處水平位置在路基拼接區(qū)域以外，是擴(kuò)建路面新車道范圍，在車輛荷載作用下沉降量較大；8m處沉降量最小，水平位置位于新舊路基拼接處，結(jié)合拓寬區(qū)域施工高程按漸進(jìn)式過度處理工藝，能夠有效保證路面橫坡坡度變化量。實際觀測得出，6個截面的橫坡坡度變化量最大為0.36%，遠(yuǎn)小于質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)0.5%，新舊路拼接處過渡良好，路面無明顯縱向開裂，拼接施工效果良好。

（2）沉降-時間關(guān)系

對沉降量最大的14m處，每隔2個月提取沉降量數(shù)據(jù)，沉降-時間關(guān)系監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖2 沉降-時間關(guān)系Fig.2 Relationship between settlement and time

由圖2可知，該實驗檢測路段的沉降量整體看來，在通車6個月后累計沉降的增長緩慢，均控制在35mm以內(nèi)，明顯低于質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)50mm的要求。這是由于泡沫輕質(zhì)土容重比常規(guī)填筑材料小得多，路面材料對軟土地基的附加荷載明顯減小，說明泡沫輕質(zhì)土能有效改善軟土地基施工質(zhì)量。

4 結(jié)論

在軟土地基道路改擴(kuò)建工程中，針對軟土地基改善處理和新舊路基拼接質(zhì)量最為關(guān)鍵，若處置不當(dāng)，會產(chǎn)生嚴(yán)重的工后差異沉降和縱向裂縫。本文對泡沫輕質(zhì)土在改擴(kuò)建工程中改良軟土地基的施工技術(shù)進(jìn)行研究，實體工程采取上述質(zhì)量控制技術(shù)，通車后持續(xù)監(jiān)測結(jié)果表明：

（1）采用臺階式削坡和鋪設(shè)土工格柵的拼接面處置工藝，結(jié)合加寬區(qū)高程漸進(jìn)式過度，能夠保證新舊路面工后差異沉降較小，橫坡度變化量最大為0.36%，遠(yuǎn)小于質(zhì)量控制要求0.5%。

（2）泡沫輕質(zhì)土對軟土地基的荷載應(yīng)力較小，應(yīng)用泡沫輕質(zhì)土后，通車14個月最大累計沉降量為34mm，遠(yuǎn)小于質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)50mm，對軟土地基的處置效果良好。