泡沫輕質(zhì)土在路基加寬中的應(yīng)用

李陽鋒

（山西路橋第八工程有限公司，山西 運(yùn)城 044000）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們出行次數(shù)和頻率日益增大，造成國內(nèi)交通量增長迅速，原有的公路通行能力難以滿足現(xiàn)有的車輛通行能力要求，新建或者改擴(kuò)建道路的工程越來越多。

1 道路改擴(kuò)建存在的問題

1.1 道路改擴(kuò)建存在的問題

在道路改擴(kuò)建中，雖然能夠較好地減少征拆面積，降低工程總造價(jià)，但也存在一定的問題。

1.1.1 地基承載力問題

此類問題主要出現(xiàn)在有軟弱下臥層的道路。在前期道路修建過程中已經(jīng)通過對(duì)道路的路基進(jìn)行了換填、設(shè)置樁基等多種手段來提高地層的承載力，使其能夠滿足道路建設(shè)的需求。要在這類地質(zhì)上進(jìn)行道路拓寬，不可避免地要再次進(jìn)行工程處理，從而使改擴(kuò)建工程造價(jià)大幅增加［1-2］。

1.1.2 征地問題

道路拓寬存在新征地的問題。尤其是高填方道路，為了保證路基邊坡的穩(wěn)定性，往往坡率設(shè)置較緩，導(dǎo)致道路加寬過程中路基邊坡外延過大，征地范圍大，拆遷數(shù)量多等諸多問題，也會(huì)提高工程的總造價(jià)。高填方由于填土量大，施工時(shí)間長，往往其質(zhì)量難以保證。

1.1.3 路面沉降問題

路面沉降是道路改擴(kuò)建中最重要最核心的問題。由于舊路基經(jīng)過多年的通車運(yùn)行，其路基填土壓實(shí)度高、固結(jié)沉降基本已經(jīng)全部完成。在道路擴(kuò)建通車后，由于新舊路基填料的力學(xué)性能存在較大差異，因此，在車輛荷載作用下，舊路基沉降小、新路基沉降大、路基土沉降變形不一致，從而導(dǎo)致新舊路基搭接處往往會(huì)產(chǎn)生沿道路縱向方向上的拉裂縫。

1.2 傳統(tǒng)回填存在的問題

在長期的工程實(shí)踐中，采用合格土石填筑加寬路基具有造價(jià)小、施工技術(shù)要求低等優(yōu)點(diǎn)，是比較常見的做法。為了解決常規(guī)合格土石加寬路基中的不均勻沉降等問題，往往會(huì)在新舊路基搭接處設(shè)置土工格柵、埋設(shè)防滑鋼筋等多種工程措施，針對(duì)加寬路基邊坡坡率較陡的情況往往還會(huì)采取設(shè)置護(hù)腳墻等支護(hù)措施，從而降低了傳統(tǒng)回填土的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

1.3 泡沫輕質(zhì)土在道路拓寬中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

泡沫輕質(zhì)土是一種由氣泡摻和形成的新型混凝土材料，具有密度小、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。在路基下有軟弱結(jié)構(gòu)層的情況時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)泡沫的充入量，改變輕質(zhì)土的重度，從而達(dá)到減小對(duì)地基承載力要求的目的［3-5］。泡沫輕質(zhì)土有混凝土的性質(zhì)，能夠直立澆筑，而且由于泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度高，彈性模量大，對(duì)新舊路基的不均勻沉降具有減緩作用。

2 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目所在地范圍內(nèi)主要為素填土、粉質(zhì)黏土和粉砂質(zhì)泥巖。土層層位比較穩(wěn)定，素填土土層厚度約為2 m，粉質(zhì)黏土層厚度約為6 m，其下為粉砂質(zhì)泥巖。某擬加寬道路位于填方區(qū)。填方高度8 m，雙向四車道，道路紅線寬度20 m，道路橫斷面布置形式為1.5 m 人行道+7.5 m 車行道+2 m 綠化帶+7.5 m車行道+1.5 m 人行道。道路路基邊坡為掛網(wǎng)植草防護(hù)，坡1∶1.75，通車時(shí)間較長，路基填土基本已經(jīng)完成固結(jié)，壓實(shí)度高。公路兩側(cè)坡腳處種植了行道樹，距路基坡腳外側(cè)10 m 為基本農(nóng)田，填方路基橫斷面見圖1。

圖1 填方路基橫斷面

3 加寬方案

根據(jù)該公路的交通量增長需要以及遠(yuǎn)期的公路提升改造，擬對(duì)該公路進(jìn)行拓寬，拓寬紅線寬度為15 m，征地范圍暫不受限制，可根據(jù)拓寬方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行征地。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，提出兩種道路拓寬方案。

3.1 方案一：傳統(tǒng)回填

此處不存在特殊路基及軟弱下臥層，可采用一般的回填加寬的設(shè)計(jì)方案?；靥钐盍喜捎煤细裢潦?，填方高度為8 m，回填路基坡率設(shè)計(jì)為1∶1.75，上頂紅線寬度15 m，路基底面寬度為29 m，挖設(shè)高2 m、寬3.5 m 的臺(tái)階，并在最上面一級(jí)臺(tái)階內(nèi)設(shè)置土工格柵減小路面的不均勻沉降，坡面采用掛三維網(wǎng)植草防護(hù)。據(jù)此單位長度回填土方量為236 m3。該回填方案具有施工難度低、簡(jiǎn)單易操作等特點(diǎn)，但回填土方量大，征地范圍廣等問題，方案設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 方案一設(shè)計(jì)橫斷面

3.2 方案二：泡沫輕質(zhì)土填筑

為了克服方案一的問題，減小征地范圍及回填土方量，提出了采用泡沫輕質(zhì)土加寬道路的方案二。

3.2.1 設(shè)計(jì)原則

泡沫輕質(zhì)土具有密度可調(diào)、強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性、高流動(dòng)性及可直立施工性等優(yōu)點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)泡沫輕質(zhì)土填筑路基的過程中應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮泡沫輕質(zhì)土的工程性能，提出安全經(jīng)濟(jì)、技術(shù)合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，在完成道路拓寬的工程建設(shè)目標(biāo)的同時(shí)，減小道路拓寬中常見的不均勻沉降等工程危害，提高工程的使用年限。

3.2.2 設(shè)計(jì)方案

泡沫輕質(zhì)土在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)提出完整的設(shè)計(jì)參數(shù)，保括性能設(shè)計(jì)、形態(tài)設(shè)計(jì)和輔助工程設(shè)計(jì)，保證泡沫輕質(zhì)土施工的可操作性。根據(jù)《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)章程》（CECS 249—2008）相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際工程特點(diǎn)，提出泡沫輕質(zhì)土的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，并驗(yàn)算泡沫輕質(zhì)土回填的整體穩(wěn)定性和抗滑性等，由于本位于地下水位以上，只要做好地表水的處理即可不考慮泡沫輕質(zhì)土的抗浮驗(yàn)算。

（1）技術(shù)指標(biāo)及基本要求

泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度等級(jí)為F1.0，密度為D700（本次設(shè)計(jì)為700 kg/m3），泡沫標(biāo)準(zhǔn)密度為50 kg/m3，發(fā)泡倍率≮1 000。泡沫輕質(zhì)土道路路基邊坡坡率為1∶0.75，據(jù)此單位長度泡沫輕質(zhì)土回填土方量為144 m3。

（2）輔助工程設(shè)計(jì)

在泡沫輕質(zhì)土的頂面鋪設(shè)防水土工布，避免雨水下滲，同時(shí)在泡沫輕質(zhì)土底面和新舊道路搭接處設(shè)置DN20 鍍鋅抗滑水管，提高泡沫輕質(zhì)土的抗滑性。在泡沫輕質(zhì)土頂面0.5 ～1.0m 范圍內(nèi)設(shè)置1 ～2層金屬網(wǎng)，在新舊道路搭接處的臺(tái)階及其上1 m 設(shè)置一層金屬網(wǎng)?？v向上每隔20 m 設(shè)置一道伸縮縫。泡沫輕質(zhì)土外側(cè)設(shè)置厚度15 cm 的混凝土薄壁面層，可根據(jù)需要進(jìn)行浮雕設(shè)計(jì)，提高道路的景觀性。方案設(shè)計(jì)橫斷面見圖3。

圖3 方案二設(shè)計(jì)橫斷面

3.3 方案對(duì)比分析

3.3.1 沉降分析

建立兩種方案的有限元模型，并計(jì)算兩種方案下的路面沉降與不均勻沉降結(jié)果，見圖4、圖5。

圖4 常規(guī)方案拓寬道路沉降云圖

圖5 泡沫輕質(zhì)土拓寬道路沉降云圖

從圖4 和圖5 可以看出：（1）無論采用常規(guī)合格土回填還是泡沫輕質(zhì)土，道路拓寬的路面沉降均表現(xiàn)為舊路堤路面沉降較小，新路堤沉降較大的變化規(guī)律。全新路堤沉降曲線通常為“U”型沉降盆，而舊路拓寬則由于拓寬后舊路堤沉降小、新路堤沉降大，表現(xiàn)為單向的滑梯狀沉降曲線。（2）常規(guī)方案加寬路堤時(shí)新路基部分沉降變化比泡沫輕質(zhì)土大，泡沫輕質(zhì)土的“滑梯”底部比較平緩，證明在新路基范圍內(nèi)，路面的沉降差異不大，即路面的沉降差較小，能夠有效降低因?yàn)槌两挡痪鶆驇淼穆访骈_裂的風(fēng)險(xiǎn)。

從圖4 可以看出，利用常規(guī)合格土石回填拓寬道路時(shí)，在通車后路面的沉降最大值為64 mm，發(fā)生在新加寬路面右側(cè)；路面最小沉降值為0.9 mm，發(fā)生在舊路基左路肩位置。沉降差值達(dá)到63 mm，而采用泡沫輕質(zhì)土后，路面的最大沉降為13.6 mm，最小沉降為0.2 mm，沉降差僅為13.4 mm。由此可見使用泡沫輕質(zhì)土能夠有效減小路面的不均勻沉降。

提取兩種方案下的路堤穩(wěn)定性系數(shù)，得到常規(guī)方案和泡沫輕質(zhì)土加寬道路下的安全系數(shù)分別為1.43 和1.67，第二種方案下的道路穩(wěn)定性提高了16.8%?？梢钥闯觯捎谂菽p質(zhì)土具有較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度，雖然拓寬路基邊坡坡率更陡，也能更好地保證道路路基邊坡的穩(wěn)定性。

3.3.2 綜合對(duì)比分析

采用泡沫輕質(zhì)土?xí)r能夠有效減小路面的沉降及不均勻沉降，降低后期路面開裂的風(fēng)險(xiǎn)，減小后期道路的養(yǎng)護(hù)運(yùn)營成本。常規(guī)合格回填料和泡沫輕質(zhì)土拓寬道路的方案對(duì)比見表1。

表1 兩種方案綜合對(duì)比分析

從表2 可以看出，采用常規(guī)合格土石進(jìn)行道路拓寬時(shí)具有施工復(fù)雜程度相對(duì)較低、綜合造價(jià)相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)，但是存在明顯的征地范圍大、地基要求高等缺點(diǎn)，尤其是針對(duì)本項(xiàng)目，道路外側(cè)即是基本農(nóng)田的情況下，采用常規(guī)回填方案存在占用基本農(nóng)田的最大問題。經(jīng)過專家評(píng)審，認(rèn)為目前泡沫輕質(zhì)土技術(shù)比較成熟，推薦采用泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行道路拓寬，既能規(guī)避征地困難的問題，又能提高道路行車質(zhì)量。

3.4 方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

泡沫輕質(zhì)土本質(zhì)上仍然為混凝土結(jié)構(gòu)，其抗拉裂能力有限，因此，在方案二中可在路面結(jié)構(gòu)層以下多設(shè)置幾層金屬網(wǎng)，甚至可根據(jù)交通類型將金屬網(wǎng)改為鋼筋網(wǎng)，提高泡沫輕質(zhì)土的抗拉能力，進(jìn)一步提高道路的使用年限。

4 結(jié)語

（1）常規(guī)回填土和泡沫輕質(zhì)土加寬道路時(shí)，路面均表現(xiàn)為“滑梯”狀的沉降曲線。常規(guī)回填土和泡沫輕質(zhì)土加寬道路時(shí)其路面最大沉降差分別為63 mm 和13.6 mm，泡沫輕質(zhì)土對(duì)沉降的控制效果更好。（2）泡沫輕質(zhì)土抗剪強(qiáng)度高，加寬道路時(shí)其路基穩(wěn)定性高于常規(guī)合格土回填。（3）泡沫輕質(zhì)土能夠減小征地范圍，提高拓寬道路的路基質(zhì)量，相比常規(guī)合格土回填具有明顯的優(yōu)勢(shì)。