河流沖刷段泡沫混凝土輕質(zhì)路堤施工探討

梅艷婷

（廣州公路工程集團有限公司，廣東 廣州 510030）

1 工程概況

某高速公路第四標段K31+522—K31+584 樁號之間的路基邊坡位于河道灘涂區(qū)域，侵占了部分河道。按照原方案，路基軟基采用預(yù)應(yīng)力管樁處理形式，但是右幅邊坡因河流水勢較大、沖刷嚴重而無法施工預(yù)應(yīng)力管樁。由于其部分承臺位于河道中，結(jié)合測量結(jié)果，河道標高最低為-1.4m，而承臺下部標高為0.5 ～1.0m，按照原方案施工后，必將引發(fā)承臺下部河水沖刷脫空。工程所在地各土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

2 沉降機理及施工方案

2.1 泡沫混凝土路堤沉降機理

使用泡沫輕質(zhì)混凝土填筑原路堤的過程，對于路基而言類似于一個卸載過程，卸載程度及速率對施工質(zhì)量影響較大，為此，本文在施工方案設(shè)計階段采用橢圓-拋物雙屈服面模型[1]分析并確定土體沉降。路堤處理質(zhì)量主要由施工期穩(wěn)定性和工后沉降兩項指標體現(xiàn)，結(jié)合相關(guān)研究，泡沫混凝土填筑后，路基沉降速率會在短時間內(nèi)收斂，并位于0.4 ～0.7mm/d 的變化范圍內(nèi)。為進行路堤填筑后沉降量的分析，根據(jù)施工段土工參數(shù)及土體橢圓-拋物雙屈服面本構(gòu)模型進行了填筑段可能沉降的計算。根據(jù)計算結(jié)果，填筑深度對工后沉降影響較大，當填筑深度為1.0m 時，工后沉降降幅最大；隨著填筑深度的增大，工后沉降降幅緩慢減小。

此處，計算河流沖刷段泡沫混凝土路堤施工后沉降量時主要采用的是Bjerrum 等時e-lgp 曲線理論[2]。由于前期有效固結(jié)應(yīng)力較大，路堤在前期預(yù)壓應(yīng)力的作用下會固結(jié)一段時間，而卸載填筑后路基土則處于超固結(jié)狀態(tài)，結(jié)合Bjerrum 等時壓縮線理論，當換填量較大時，土體附加應(yīng)力便位于300a 等時線上，15a 后達到315a 等時線?？紫侗仁菚r間的對數(shù)函數(shù)，從300a 增大至315a 的次壓縮量非常小，故忽略不計。當填筑深度為3.0m 時，土體15a 次壓縮量較小，工后沉降取0cm。通過分析，泡沫混凝土填筑河流沖刷段軟弱路堤的加固效果主要與土體前期固結(jié)應(yīng)力有關(guān)，路堤換填后基本屬于超固結(jié)土，換填越多，工后次固結(jié)沉降及沉降量便越小。

結(jié)合土體強度理論，當土體承受附加應(yīng)力后，孔隙水應(yīng)力將增大，且隨著孔隙體積的持續(xù)減小，孔隙水應(yīng)力將轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力，土體強度提高。泡沫混凝土用于河流沖刷段路堤填筑時，路基附加應(yīng)力、施工期間和工后沉降均減小，路堤土體強度也會隨之變?。煌ㄜ囘\營后，在交通荷載的反復(fù)作用下，路堤工后沉降有增大趨勢。根據(jù)路堤振動加速度隨基層剛度變化的曲線，交通荷載對路堤的影響隨著基層剛度的增大而減小。這也說明，泡沫混凝土對路堤剛度的提高會使交通荷載對路基的影響弱化[3]，減弱路基土體承載力對工后沉降的不利影響。

2.2 施工方案

經(jīng)過多方論證，決定在路基軟基打設(shè)素混凝土樁，并在樁上增設(shè)樁帽，使樁帽連接承臺，在承臺上方設(shè)置高強鋼絲格柵，下方鋪設(shè)碎石墊層；在承臺中錨入鋼混護面板鋼筋，并埋設(shè)支柱預(yù)埋件。以已經(jīng)澆筑好的承臺為支撐體系，在鋼混護面板設(shè)置支柱連接件并連接支柱，在護欄基底設(shè)置抗滑鋼筋。依次連接處理段、過渡段及銜接段泡沫混凝土槽并澆筑泡沫混凝土，并按要求灑水養(yǎng)生，達到設(shè)計強度后施工面層。以充砂管袋褥墊沉排所形成的褥墊層為防沖刷護岸，在護坡中均勻布設(shè)水生植物生態(tài)袋，后澆筑植生混凝土。

3 施工要點

施工開始前，必須拆除現(xiàn)場障礙物并清理雜物，按照設(shè)計制備泡沫混凝土，充分做好廢料廢水清運準備，保證施工過程滿足環(huán)境保護要求。

3.1 素混凝土樁、碎石墊層及承臺施工

素混凝土樁施工時先進行樁位測放，待機械進場并按要求組裝就位、調(diào)試無誤后埋設(shè)護筒，鉆孔并清孔，按設(shè)計要求澆筑混凝土?；酉阮A(yù)壓后再按照處理段泡沫混凝土槽、過渡段泡沫混凝土槽、銜接段泡沫混凝土槽的次序開挖。

碎石墊層施工選用硬質(zhì)、抗磨、級配良好、透水且遇水后不崩解的塊石、片石或卵石材料。將運至施工現(xiàn)場的碎石料排平后保證大小顆粒處于均布狀態(tài)，攤鋪后碾壓。

將素混凝土樁頭開鑿后安裝樁帽，并加工、安裝承臺鋼筋和模板，埋設(shè)預(yù)埋件并澆筑混凝土，待達到設(shè)計強度后拆模、養(yǎng)護。

3.2 鋼混護面板施工

鋼混護面板鋼筋連接承臺鋼筋，并在護面板中預(yù)埋鋼筋環(huán)，在現(xiàn)澆承臺上鋪設(shè)由升降式滑輪、滑軌、三腳架、操作平臺、模板等組成的整體升降式滑移鋼模板。升降式滑輪固定在型鋼反力梁上，反力梁固定于三腳架槽鋼上；鋼模板頂升及位置調(diào)節(jié)均通過設(shè)置在鋼制滑輪上的千斤頂完成。將滑移鋼模調(diào)整好后，轉(zhuǎn)動端模，通過對拉螺栓便能將兩側(cè)模板連為一體，模板連接完成后澆筑混凝土，待混凝土達設(shè)計強度后整體滑移模板，進行下一段施工。

3.3 泡沫混凝土制備及施工

3.3.1 泡沫混凝土制備

采用水泥砂漿、壓縮空氣和發(fā)泡劑混合制備泡沫混凝土。先將按次序?qū)⑺嗌皾{、水、水泥、外加劑投入攪拌機，持續(xù)攪拌2 ～3min 形成黏稠狀混合水泥砂漿液體；將泡沫劑加入泡沫瓶中并按照泡沫劑量12 ～13 倍的量加水，通過空氣機充氣加壓3 ～5min，等空氣機氣壓升高至0.6 ～0.8MPa 時停止充氣并待用。按照比例將發(fā)泡劑和水泥砂漿輸送至制備站持續(xù)攪拌5 ～6min 制成泡沫混凝土，待混凝土塌落度達到200 ～220mm 時泵送至澆筑施工區(qū)域。

3.3.2 泡沫混凝土澆筑

該工程采用現(xiàn)場配管泵送的方式澆筑泡沫混凝土，泵送前必須保證接頭牢固密封，泵送時澆筑管壓力必須滿足運送距離和揚程的要求。澆筑泵管必須和澆筑面板間保持一定的緩傾角度，避免垂直噴射澆筑，澆筑管應(yīng)埋入泡沫混凝土中10cm，以控制消泡量。泡沫混凝土按照單層澆筑厚度0.3 ～0.8m 分層澆筑，待下一澆筑層達到終凝狀態(tài)后再澆筑上層；單塊澆筑面積根據(jù)澆筑厚度、混凝土生產(chǎn)能力確定。

泡沫混凝土澆筑時應(yīng)沿路堤縱向每10m 間隔設(shè)置橫縫，為適應(yīng)路面橫坡值，還應(yīng)將頂層泡沫混凝土做成臺階形式，寬度為2cm 的沉降縫盡量設(shè)置在施工縫處。斷面突變處還應(yīng)增設(shè)變形縫，并通過10 ～20mm 厚度的木板填充。

3.4 生態(tài)護岸施工

該工程中生態(tài)袋、沉排褥墊層、充砂管袋褥墊沉排、植生混凝土、松木樁等均屬于生態(tài)護岸措施。打設(shè)前將松木樁頂部鋸平，并安裝樁帽和樁箍，對于較為硬質(zhì)的土層，還應(yīng)在樁底端安裝鐵樁尖。進行圓木樁打設(shè)時，必須按要求設(shè)置測控點，并根據(jù)試打情況確定樁長，通過樁船吊鉤從運樁船上吊起圓木樁，緊貼樁架龍口調(diào)整樁架垂直度，定位后落樁帽和樁錘。施打過程中必須加強提錘高度控制，為避免破壞樁身，落錘高度不超出2.0m。將片石拋填于松木樁樁間，拋填高度應(yīng)略微高出樁預(yù)留高度，并通過推土機推平處理。

用土工織物取代鉛絲籠作為充砂管袋褥墊沉排，通過挖掘機挖槽后在管袋褥墊層中充填高濃度砂土泥漿，沉排上部增設(shè)聚酯長纖無紡布沉護褥墊層。在護岸前受溜位置鋪放排體，使其隨著沖刷坑的發(fā)展而緩慢下沉，沉降過程中自行調(diào)整坡度，最終達到穩(wěn)定坡面、防沖刷的目的。

4 現(xiàn)場試驗

為進行河流沖刷段路堤泡沫混凝土施工期和運營期實際情況監(jiān)測，采集了典型斷面沉降數(shù)據(jù)。該工程從2019 年7 月開始填土預(yù)壓，2021 年5 月填筑泡沫混凝土，次月預(yù)壓結(jié)束，并施工結(jié)構(gòu)層和路面，2022 年初通車，觀測持續(xù)至2022 年8 月，觀測期從加載預(yù)壓開始至工后卸載，歷時1100 余天；每個斷面路堤左、中、右側(cè)埋設(shè)3 個沉降管，1 周監(jiān)測1 次。

根據(jù)超載預(yù)壓后換填泡沫混凝土典型斷面卸載前表層沉降-荷載-時間曲線，隨著荷載的增大，表層沉降速率增大后逐漸趨于平緩，沉降速率最大達到13.9mm/d；完成超載預(yù)壓后路堤左、中、右側(cè)累計沉降分別達到1500mm、2389mm和2213mm，且斷面表現(xiàn)為凹形形式。該河流沖刷段路堤軟土層深厚，荷載過快增加必將引發(fā)土體失穩(wěn)以及孔隙水壓力無法及時消散。為此，該工程要求1 個月內(nèi)沉降速率降至5mm/d以下后才能增加下一級荷載，加載期間并未表現(xiàn)出土體失穩(wěn)跡象。逐級加載的過程中，最后兩個月斷面中側(cè)表層沉降速率分別達到2.8mm/月和3.2mm/月，累計沉降分別為2.389m 和1.994m，意味著深厚軟土層預(yù)壓期間沉降較大，此后則基本穩(wěn)定，且明顯收斂。

通過參數(shù)反演法進行了觀測數(shù)據(jù)的擬合分析。結(jié)果顯示，以上對觀測結(jié)果的分析并未考慮泡沫混凝土填筑后因路基結(jié)構(gòu)層剛度提升而引發(fā)的應(yīng)力擴散問題[4]。根據(jù)擬合結(jié)果，泡沫混凝土輕質(zhì)路堤工后沉降明顯比填筑前??；K31+522—K31+559斷面和K31+559—K31+584 斷面分別換填1.5m 和2.0m 厚的泡沫混凝土，中間段采用階梯形過渡形式，根據(jù)擬合結(jié)果，K31+522—K31+559 斷面在1.5m 的填筑深度下使其與鄰近斷面工后的不均勻沉降明顯降低，而K31+559—K31+584 斷面在2.0m 填筑深度下卻加大了工后沉降。這種現(xiàn)象是否會引發(fā)通車后跳車，仍有待進一步研究，但并不影響本工程泡沫混凝土輕質(zhì)路堤施工相關(guān)結(jié)論。

5 結(jié)語

綜上所述，在河道沖刷段路堤管樁難以施工的情況下，改為打設(shè)素混凝土樁，并增設(shè)樁帽，連接承臺，下部鋪設(shè)碎石墊層，上部設(shè)置高強鋼絲格柵，承臺內(nèi)錨固鋼混護面板鋼筋并埋設(shè)支柱預(yù)埋件，同時以澆筑后的承臺為雙側(cè)面滑移支撐體系，可加速鋼混護面板施工進度，并加強質(zhì)量控制。預(yù)壓后開挖路堤階梯槽，并澆筑施工泡沫混凝土，待混凝土終凝后施工面層的做法使填土荷載大幅降低，軟基附加應(yīng)力減小，軟基沉降及側(cè)移均得到有效控制，路堤穩(wěn)定性有保證。此外，這種處理措施還能大大緩解路基和橋臺結(jié)合部材料的剛性變形，消除填料自身壓縮沉降，保證橋臺與路段沉降差變化連續(xù)。