泡沫輕質(zhì)土路堤應(yīng)用探討

唐明亮，黃黎明，李侑軍

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

泡沫輕質(zhì)土是由制備的氣泡群、水泥、水以及添加材料按一定配合比例混合制成的微孔類材料，具有質(zhì)量輕、抗壓強(qiáng)度高、整體性好、凝結(jié)自立性以及保溫隔熱等特點(diǎn)，可用于臺(tái)背回填、陡坡路堤、軟土路基減荷和隧道空洞注漿等工程。

泡沫輕質(zhì)土于2001年由日本引入我國(guó)廣東，經(jīng)過(guò)近20年的研究應(yīng)用，已逐漸發(fā)展為一項(xiàng)成熟的技術(shù)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，泡沫輕質(zhì)土具有工期短、對(duì)周邊環(huán)境影響小、人工用量少等明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能解決橋頭跳車、新舊路基沉降、軟土路基和陡坡路堤穩(wěn)定性等問(wèn)題。隨著應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，泡沫輕質(zhì)土單價(jià)呈下降趨勢(shì)，而普通路基的人工成本和征拆費(fèi)用卻在不斷上漲，使輕質(zhì)土路基經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，且還能減少后續(xù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用，綜合效益顯著。

1 工程概況

擬建高速公路路基K79+560～K79+886段位于煤礦回填區(qū)，為廢棄的人工采煤坑洼地，地面標(biāo)高在1 621.80～1 632.40 m之間，路基長(zhǎng)度為326 m，最大填高約25.45 m。項(xiàng)目區(qū)地貌單元屬構(gòu)造侵蝕丘崗地貌，現(xiàn)狀地勢(shì)較開(kāi)闊，整體地形起伏不大，周邊為種植坡地，地形坡度約5°～10°。由于采煤后地勢(shì)較低，周邊降水匯集于此形成水塘，整個(gè)水塘面積約30 000 m2。煤坑水塘水位受季節(jié)性降雨影響，變化較明顯，漲落差約1.50 m。勘察期間該水塘大部分區(qū)域已被施工回填，現(xiàn)右側(cè)水塘水面標(biāo)高為1 620.13 m，水塘水面最高水位為1 621.124 m。

根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪及鉆探揭露，地層主要為采礦回填的素填土、第四系殘坡積黏性土(Q4)和第三系(N2)泥、頁(yè)巖。如表1所示。

表1 擬建場(chǎng)地不良地質(zhì)一覽表

2 處治方案比選

2.1 設(shè)計(jì)原則

(1)技術(shù)可行：采用工藝經(jīng)驗(yàn)成熟、治理效果可靠的設(shè)計(jì)方案，確保路堤自身穩(wěn)定性及工后沉降符合要求。

(2)經(jīng)濟(jì)合理：根據(jù)場(chǎng)區(qū)不良地質(zhì)形態(tài)規(guī)模、工程地質(zhì)環(huán)境條件，因地制宜，優(yōu)選、優(yōu)化治理工程設(shè)計(jì)方案，節(jié)約投資。

(3)施工方便：綜合考慮地質(zhì)環(huán)境條件及施工場(chǎng)地條件等因素，設(shè)計(jì)方案便于施工。

2.2 設(shè)計(jì)方案比選(表2)

方案一：清除人工填土+強(qiáng)夯碎石樁+路堤沖擊補(bǔ)壓加筋。

方案二：清除人工填土+地基強(qiáng)夯+素混凝土樁+路堤沖擊補(bǔ)壓加筋。

方案三：清除人工填土+預(yù)應(yīng)力管樁+路堤沖擊補(bǔ)壓加筋。

方案四：清除人工填土+地基強(qiáng)夯+輕質(zhì)土路堤。

(1)清除人工填土：根據(jù)現(xiàn)有補(bǔ)充勘察資料可知，人工填土標(biāo)貫擊數(shù)N=4，對(duì)應(yīng)地基承載力基本容許值fa0=80kPa，修正后也無(wú)法滿足地基承載力要求。人工填土來(lái)源復(fù)雜，含大量第三系泥巖、炭質(zhì)泥巖等適用性差的巖土填料，液限、CBR等重要指標(biāo)均不能滿足要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料及場(chǎng)地平整度要求，擬以1 617m為整平標(biāo)高，挖除部分人工填土。

(2)強(qiáng)夯處置：該方法將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為沖擊能及振動(dòng)，反復(fù)夯打地基土，從而提高地基土的承載力，降低地基土的壓縮模量。擬在路基范圍及坡腳外5m鋪設(shè)1.0m片石層后進(jìn)行強(qiáng)夯處理，浸水路段需先清除淤泥、淤泥質(zhì)黏土并進(jìn)行回填、強(qiáng)夯。地基強(qiáng)夯最后兩擊平均夯沉量≤50mm。

(3)強(qiáng)夯碎石樁：強(qiáng)夯完成后鋪設(shè)50cm級(jí)配碎石墊層，并在路基范圍及坡腳外5m布設(shè)碎石樁，平均樁長(zhǎng)為12m，樁徑d=0.5m，樁間距為0.9m。

(4)素混凝土樁：強(qiáng)夯完成后鋪設(shè)50cm級(jí)配碎石墊層，并在路基范圍及坡腳外5m布設(shè)素混凝土樁，平均樁長(zhǎng)為12m，樁徑d=0.5m，樁間距為0.9m。

(5)預(yù)應(yīng)力管樁：在路基范圍及坡腳外5m布設(shè)AB型預(yù)應(yīng)力管樁，平均樁長(zhǎng)為21.8m，樁徑d=0.4m，樁間距為2.0m。

(6)路堤沖擊補(bǔ)壓加筋：地基處理完成后進(jìn)行路堤填筑，每隔2m采用沖擊式壓路機(jī)補(bǔ)壓20遍，同時(shí)對(duì)上路堤150cm部分頂面(94區(qū))補(bǔ)壓20遍，每2m設(shè)一層土工格室，格室高度為50mm，以增強(qiáng)路堤自身變形模量。

(7)輕質(zhì)路堤：路堤采用泡沫輕質(zhì)土，干容重要求≤6.5kN/m3，28d抗壓強(qiáng)度≥0.6MPa，以減小填筑路堤產(chǎn)生的附加應(yīng)力。

表2 方案比選表

綜合上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)可知，采用方案四施工相對(duì)簡(jiǎn)單，工后沉降少，又能減少占地和節(jié)省投資，故推薦輕質(zhì)土路堤方案。

3 施工圖設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案

3.1.1 場(chǎng)地平整

當(dāng)前場(chǎng)地標(biāo)高范圍為1 625.00～1 627.50m，局部位置低洼，考慮到棄土困難，將場(chǎng)地平整標(biāo)高提高至1 625.00m，再采用大能級(jí)強(qiáng)夯以減少地基工后沉降。挖方區(qū)原地面整平后壓實(shí)；填方區(qū)原地面初平壓實(shí)后再分層壓實(shí)回填，壓實(shí)度均為90%。

3.1.2 強(qiáng)夯處置

在路基范圍及坡腳外6m鋪設(shè)1.0m片石層，采用8 000kN·m強(qiáng)夯處治，最后兩擊的平均夯沉量≤20cm。夯擊遍數(shù)為2遍，第一遍夯點(diǎn)間距為夯錘直徑的2.5倍，第二遍夯擊點(diǎn)位于第一遍夯擊點(diǎn)之間，夯擊點(diǎn)正方形布置，以消除12m深度范圍內(nèi)新填土變形，并形成硬殼層，增加地基承載力，減少路基沉降。

3.1.3 輕質(zhì)土路基

采用容重≤6kN/m3泡沫輕質(zhì)土路基減輕路基重量，降低路基對(duì)地基承載力要求，控制路基沉降變形。泡沫輕質(zhì)土路基采用垂直填筑，可減少征地。

(1)強(qiáng)度等級(jí)：路床80cm范圍內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.2MPa，路堤范圍內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.8MPa。

(2)濕容重：路床80cm范圍內(nèi)濕容重為6kN/m3/，路堤范圍內(nèi)濕容重為5kN/m3。

(3)防排水：場(chǎng)地強(qiáng)夯后鋪設(shè)30cm厚黏層，壓實(shí)度為90%，減少雨水下滲。路基兩側(cè)設(shè)置排水邊溝，收集周邊匯水。輕質(zhì)土路基底部鋪設(shè)50cm厚碎石墊層，兩側(cè)設(shè)置PVC排水管，導(dǎo)出路基底部積水至邊溝。

(4)施工順序：平整場(chǎng)地→壓路機(jī)壓實(shí)→第一遍強(qiáng)夯(充填片石)→場(chǎng)地整平→第二遍強(qiáng)夯(充填片石)→場(chǎng)地整平壓實(shí)→回填碎石→施工輕質(zhì)土面板→澆筑輕質(zhì)土→施工路面結(jié)構(gòu)層。

3.2 工后沉降計(jì)算

3.2.1 荷載(表3)

表3 荷載一覽表

3.2.2 計(jì)算假定

8 000kN·m級(jí)夯擊能的影響深度為12m，假定10m范圍內(nèi)土體為硬殼層，不計(jì)工后沉降量，僅計(jì)算10m深度以下工后沉降。

按分層總和法計(jì)算復(fù)合地基以下的土層固結(jié)沉降量：

(1)

固結(jié)沉降修正經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ξ取1.2。根據(jù)地勘報(bào)告孔隙比，推測(cè)松填土最不利情況的固結(jié)壓縮的e-p曲線，采用分段擬合進(jìn)行工后沉降計(jì)算。如圖1、表4所示。

圖1 沉降固結(jié)曲線圖

表4 沉降計(jì)算結(jié)果表

工后沉降S=1.2×9.9=11.88cm，小于一般路段沉降量容許值，即≤20cm，滿足規(guī)范中路基工后沉降量的要求。

3.3 工程數(shù)量及預(yù)算

工程數(shù)量及預(yù)算如表5所示。

表5 工程數(shù)量及預(yù)算表

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本項(xiàng)目的軟基處治設(shè)計(jì)方案比選及工后沉降計(jì)算，經(jīng)分析總結(jié)后主要?dú)w納以下三點(diǎn)結(jié)論：

(1)泡沫輕質(zhì)土具有顯著的輕質(zhì)性和自立性，對(duì)地基承載力和不均勻沉降要求較低，且能進(jìn)行垂直填筑，減少占地。

(2)采用泡沫輕質(zhì)土路堤能大幅減少路基荷載，提高路堤的穩(wěn)定性和耐久性。

(3)輕質(zhì)路堤填方量少，不需要大型機(jī)械，可在狹窄場(chǎng)地施工，具有工期短、投資省、工后沉降小及安全環(huán)保等顯著優(yōu)勢(shì)。