泡沫轻质土在桥头路段软基处理中的应用技术

泡沫轻质土在桥头路段软基处理中的应用技术

应家永

武汉衡通公路勘察设计院有限公司，湖北省武汉市430000

摘要：桥头跳车问题是高等级公路建设中的一大难题，已成为高等级公路的三大质量通病之一。在我国公路建设实践中，由于多方面的原因，桥头跳车问题并未得到很好的解决。投入使用的高等级公路由于桥头跳车导致的维护费用也很高，而且妨碍了正常高速行车，降低了行车舒适性，甚至引发交通事故，造成巨大的经济损失。基于此，本文首先分析对比几种常规桥头路段软基处理技术，然后着重探讨泡沫轻质土的特点、设计施工要点，旨在进一步促进泡沫轻质土的推广应用。

关键词：泡沫轻质土；桥头路基；软基处理；应用技术

引言

我国持续提升的经济实力和现代化科学技术的不断优化升级及广泛应用，为建筑行业及相关产业的繁荣发展提供了巨大助力，从而促进了各种新型绿色施工材料的应运而生。泡沫轻质土作为一类新型的轻质环保材料，是由水泥、气泡群、水等材料按一定比例所组成的，具有低渗透性、高流动性、轻质性、隔热性佳、耐久性好、强度高且可调节以及施工简单等众多优点。相比之下，泡沫轻质土对路基改良加固效果也十分显著，更能体现出比较理想的应用效果，因此有必要针对软土地基处理中泡沫轻质土应用技术进行深入探讨。

1.软土地区桥头路基处理技术比较

目前国内常用的高等级公路桥头路基处理方法有排水固结法、水泥土搅拌桩法、预应力管桩法及轻质路堤法。

（1）排水固结法

对于饱和软黏土地基上的桥头路基，使饱和黏性土地基排水固结是防止桥头跳车的关键。事实上，根据上海地区已建成的几条高速公路的工后沉降量的观测结果来看, 不论采用何种排水固结处治方式（堆载预压、真空预压、堆载真空联合预压法），短期内都不能根本消除饱和软黏土地基工后沉降现象。排水固结法可以减少软基沉降，但不能彻底根治桥头跳车问题。

（3）水泥搅拌桩法

水泥搅拌桩法主要是利用水泥与软黏土发生水化反应和火山灰反应，反应的结果使软土中大量的自由水被吸收成结晶水并生成一定的胶结产物，从而形成具有一定强度的柱体，起到加固地基的作用，是目前比较常用的软土路基加固方法。水泥搅拌桩固化过程的物理化学机理与混凝土的硬化机理不同，水泥土固化过程中由于水泥掺入量很少，固化速度慢，强度亦低，并随含水量的变化而改变，而且不适宜于在高液限软土中使用，且水泥搅拌桩质量受施工因素的影响较大，不易控制，处理深度有限，处理的最大深度不超过15m。

（4）预应力管桩法

预应力管桩法是通过在软基中插打高强度的预应力管桩，达到减少沉降的目的。预应力管桩是一种具有高粘结强度的刚性桩体，可在全桩长范围内发挥其侧摩阻力和端承力，避免散体材料桩(碎石桩、砂桩)及低强度材料桩(石灰桩、水泥土搅拌桩)由于桩身强度的限制而使荷载传递深度有限的缺陷，处理深度可以达到几十米。但其造价高昂，实际设计中往往没穿透软基，故当路基填料容重大、附加应力大时，下卧层未加固区沉降仍会较大。

（5）轻质路堤法

近年来一些国家在解决桥背填筑时采用刚性EPS块体、泡沫混凝土和EPS 颗粒混合土等轻质材料填筑路堤，对降低台背与路基的差异沉降具有明显的效果。

① EPS块体轻质路堤

诸多学者已经总结了刚性轻质EPS块体的用途，认为EPS块体作为轻质回填材料, 可以消除台背与路基间的差异沉降，降低工程的维护费用，从而减少了工程的寿命周期费用。20 世纪50 年代末期, 德国开始使用刚性EPS块体作为筑路材料；随后德国公路交通协会(FGSV)专门设立了EPS块体作为轻质筑路材料的工作委员会,于1995年出版了EPS块体筑路指南，并在德国西部的A31高速公路上开辟了刚性EPS块体作为轻质筑路材料的试验路段。测量结果表明，是否采用刚性EPS块体的路面弯沉值均无明显变化，刚性EPS块体回填路段的路面承载能力完全满足设计要求。在国内，浙江大学对杭甬高速路望童桥桥头的沉降进行了有限元分析，通过比较相同状态下分别用刚性EPS块体、粉煤灰、一般黏性土作填料时的路堤沉降值，发现刚性EPS块体在减少台背与路堤的差异沉降方面具有明显的优越性。

②泡沫轻质土路堤

采用泡沫轻质土换填台后原路基土，可最大限度控制工后沉降。与水泥搅拌桩等方法相比，其施工不是隐蔽施工，具有很强的质量可靠度，且适度向原地面以下换填，可确保地基土在工程改造后处于超固结状态，以尽可能避免工后沉降的发生。泡沫轻质土因固化后可直立，其对桥台的侧向土压力几乎为0，这对于桥台的受力是极其有利的。采用泡沫轻质土后，桥台及桥台桩基可进行简化，由此节省了造价。施工方面，泡沫轻质土制备和浇筑便捷高效，在浇筑完毕后7-14天即可进行后续路面施工，与桥台桩基及桥台施工不存在先后次序等冲突，同时新制备的泡沫轻质土具有流动性，浇筑后无需碾压，避免了桥台背后极容易出现的碾压死角。总体上，采用合适的泡沫轻质土路堤可以非常有效地解决软土地区桥头路基所遇到的技术问题，且施工简便，节省投资，值得大力推广。

③ EPS颗粒混合土轻质路堤

EPS颗粒混合土是将原料土、EPS颗粒、固化材料和水混合搅拌均匀后，经固化作用形成的一种改性土。同样具有密度小、强度高、强度可调节、经济性好的优点。在国外，这项技术主要用于软弱地基处理、桥台及挡土墙填土、道路拓宽等。1988年，日本神户首次采用EPS颗粒混和轻质土减小桥台背面的土压力，修复岸壁，获得成功。随后日本东京都荒川区、宫城县志田郡、宫城县黑田郡均成功运用EPS颗粒混和轻质土技术解决了高速公路桥头跳车问题。我国在2004年为解决甫余线洋溪河东桥头路堤工程施工工期短、路基地质条件差、路基不能满足稳定性要求的问题，浙江省交通规划设计研究院设计采用了EPS颗粒混合土轻质路堤处理，此亦是国内首次使用。随后在104国道台州境内桥头软基路段、温州飞云江大桥接线工程中获得应用。总体上看，碾压型EPS颗粒混合土应用于软土地区桥头路基处理时，还存在一些技术问题：由于桥台背后往往存在碾压死角，因此碾压型EPS颗粒混合土的碾压质量难以保证；碾压机械或者震动夯实机的荷载会使EPS颗粒混合土对桥台产生较大的土压力，不利于桥台受力安全；EPS颗粒混合轻质土中的EPS颗粒在很高的碾压压力下会产生塑性压缩变形，使其达不到“轻”的目的，所以尚需研制适合于它的轻型碾压机械。

综上所述，要在紧迫的施工工期内从根本上解决软土（超软土）地区桥头路基可能存在的桥头跳车等病害，较为经济合理的方案就是采用轻质路堤法，代表了未来软土（超软土）地区桥头路基的发展方向。在轻质路堤法中，碾压型EPS颗粒混合土轻质路堤在施工中也还存在一些技术问题，相比而言，刚性EPS块体轻质路堤和泡沫轻质土路堤的质量标准更容易保证，目前来看是软土（超软土）地区桥头路基的不错选择。而泡沫轻质土路堤造价更低，施工操作更方便。

2.泡沫轻质土特点

①高强轻质。泡沫轻质土的最关键技术优势是可以随意调控的干容重，而且其质量性能不受任何影响，比其它类型的回填土强度更强。这种随意调控的使用性能，让它在多种路基作业中具备广泛的普适性，使不同类型土质的路基得到有效加固，这是它高强度和轻质的最好体现。它部要求路基土质有过高的承载力，大幅缩减处理路基作业的庞大工程量，其超轻质优势不会给处理完成的路基带来过大附加荷载，尤其在路基扩建作业中的应用，可确保路基不会出现差距过大的不均匀沉降；②弹性模量较大。泡沫轻质土在用作路基回填作业时，它的弹性模量远高于常规材料，填完之后不会严重变形，超轻材质拉低了后期沉降量，对路基的半刚性结构填充尤其适用；③较好的施工性。泡沫轻质土内泡沫含量丰富，使它的流动性更强，成型材料可达到180到200毫米的流动度，现浇作业时通过自流即可达到想要的平整度，对所有不规则空间均可密实填充。它的输送作业通过软管即可实现，无须施工过程另辟通道，与其它作业工序无任何冲突，即使距离用料现场达到800米的超长长度距离，也可实现轻易泵送，每个工作日能实现接近300立方米的作业量，施工机械体积小，重量轻，无须大型机械，作业现场的设备载荷大幅降低，对周边结构安全不会造成破坏；④直立性。轻质土材料制作用固化剂是水泥基材质，成型后可确保直立性，土石材料用量大幅缩减，相关成本被压缩。其直立性能无须占用过多农田和周边构筑物，符合国家发展方略。固化直立性能使护面受到的填充材料侧向压力大幅降低，防护设施得以缩小规模；⑤隔热保温。泡沫轻质土内部结构中气泡含量很大，优化其固化效果和发泡剂，让气泡随意调控的体积比能达到40%到70%，产生很小的导数系数，保温隔热，隔音以及抗冻性能都很理想。

2.泡沫轻质土在软土路基中的应用现状

在国外，泡沫轻质土在软土路基中己有几十年的应用历史。日本东名高速公路和京叶公路拓宽工程中遇到了以下问题：公路靠近民房和街道，施工场地狭窄，交通量大，施工和材料的运输都很困难；只能在现有场地条件下拓宽，不能增加用地面积；拓宽时引起的地基变形对原有道路和临近建筑物的影响尽可能小。根据以上情况采用泡沫轻质土进行处理，由于材料的轻质性以及自立性，可很好解决上述问题，且施工简便，节省投资。

国内最早于2001年由广东冠生土木工程技术有限公司从日本引进发泡剂及施工技术，并对发泡剂及设备进行了国产化。在2003年3月到2005年12月，广东省将泡沫混凝土技术成果应用于中江高速公路台背浇筑、广佛高速公路扩建工程、惠深高速公路惠州段的扩建工程，解决差异沉降。近年来，浙江等地也开始对泡沫混凝土技术进行研究，并在申嘉湖杭高速公路练杭段、嘉绍跨江公路通道南岸接线、绍诸高速公路等工程中获得成功应用。

3.泡沫轻质土浇筑施工

①浇筑分区和分层方法

路基通常是大工程量施工，要保证浇筑作业质量，最好采取分区方式，区域划分时须小于等于400平方米，分区浇筑时再进行分层浇筑形式，各浇筑分层以0.5导1米为标准区间。作业过程中，以路基宽度为匝道互通区域作业单区的横向宽度，沿浇筑区域20米的纵向长度开始浇筑，控制0.9米的标准高度，各区段浇筑作业都要严格控制作业质量，本区段浇筑结束，经检测达标后再开始后续浇筑直至完成。

②变形缝及施工缝的设置

纵向方向路基以10米为标准间隔设置横向变形缝，变形缝材料是泡沫塑料板，厚度规格是2厘米，确保填塞紧密。横向区段的浇筑作业还要完成施工缝的设置，以适用规格竹胶板进行临时安装，后续浇筑作业开始之前须拆除该施工缝。

③泡沫轻质土浇筑

第一，准备工作。对路基底部进行详细检查和彻底清理，确保无积水和任何杂物，对基底进行标高和平面尺寸检测，确保全部达标，分段检测基底的压实度，较宽路基要保证大于等于90%的压实度，其余路段保大于等于87%的压实度；第二，浇筑。以碎石土为回填材料对拼宽连接部位和桥头路段进行30厘米厚度的回填，随后完成土工格栅铺设，再实施泡沫轻质土浇筑作业。土工格栅的铺设须保证与下承层贴合紧密，全部铺平拉直，搭接的土工格栅以U形筋牢固固定，须保证30到60厘米的搭接长度。如果浇筑作业方式是一条管，则顺长轴向由起始端开始到结束浇筑。如果浇筑管道大于等于2条，须从起始端排成一列同步推进。路面下方开挖台阶的区域浇筑前须提前完成电焊钢丝网的铺设，规格直径3.2毫米，保证大于等于每米200千牛的抗拉强度。浇筑作业的注意事项是：首先，同区段的分层浇筑须严格控制层间浇筑时间间隔，须保证大于等于6小时，具体时长以实际情况为准；其次，分层浇筑保证小于等于3小时的时长，避免因泥浆达到初凝期给作业过程和最终质量带来负面影响；最后，对浇筑作业的出料口进行位置上的严格控制，须保证距离作业面小于等于2米的距离，一旦超高则易诱发离析，如果浇筑过程需要移动管道，限制在前后移动形式，确有必要左右移动时，管道须适度高提移动，不得触碰轻质土。

④面板勾缝及养护

面板施工通常会留下拼缝，这是施工过程的关键细节，通常需要进行勾缝处理，勾缝用泥浆为M7.5砂浆，于凹缝处均匀勾勒，确保横平竖直的美观效果有交接的部位需要涂抹压光，确保平整度和坚固性。浇筑作业最后达到设计标高，要及时以塑料薄膜进行全面覆盖并洒水保湿，保证大于等于7天的养护期，确保泡沫轻质土达到理想的成型效果。

4.路堤沉降的计算

完成分层浇筑施工后，及时记录沉降数据，与常规的土石料填筑相比可以发现，传统堆载预压沉降量大小通常在0.5～1.5m左右，而采用泡沫轻质土取值则大多不超过其一半。而当填土较高时，可以作相应预压处理。如此一来，路基的工后沉降可以很好的保证，桥头跳车问题可以很好的解决。

结束语：鉴于我国软土地区分布极为广泛，软土地区基础设施建设力度日益加大，科学地进行软土地区桥头路基处理显得日益迫切。泡沫轻质土可以更好的适用于软土地区桥头路基处理或对沉降控制比较严格的软土地区路堤（非桥头）处理，应用范围十分广泛，应用前景非常可观。

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