泡沫水泥轻质土在软土路基处理中的应用

银彦鹏

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

软弱路基一般由软弱淤泥、淤泥质土等软土组成，它具有高含水量、高压缩性、低强度和低透水性等特点。软弱路基对公路工程的危害主要体现在造成路基的失稳和大范围的不均匀沉降[1]，过大的沉降将引起路面的开裂，影响道路的使用性能和寿命。通常的软弱路基的处理方法包括置换法、砂垫层法、加固土桩法、预压法、反压护道法、强夯法等。这些方法能够在一定程度上减少软弱路基对道路的影响，但是这些处治方法存在诸多不足。如利用粉煤灰置换软弱土可以达到减少路基永久荷载的目的，但是该种方法具有粉煤灰使用量大、开挖量大、对环境有污染和造价高等特点。又如使用高压旋喷桩的处治方法，虽然无需开挖路基，但是该种方法质量难以控制，并且造价高。

泡沫水泥轻质土，是利用气泡机的发泡系统将发泡剂充分发泡，并将泡沫与水泥浆充分均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。它具有轻质性、高流动性、易于施工等特点。泡沫水泥轻质土工程性质的优越性得到了一些学者的重视，泡沫水泥轻质土也在工程实际中得到了应用。王新岐[2]对泡沫轻质土填筑、粉煤灰填筑、水泥搅拌桩等处理方法进行了对比研究，研究表明：同样填筑高度路基，由于泡沫水泥轻质土较好的整体性及轻质性，对其上荷载有很好的分担作用，泡沫轻质土填筑路基基底压应力很小，而采用灰土或粉煤灰填筑的路基其基底压应力较大，说明泡沫轻质土具有很好的分担荷载的能力。盛斌[3]基于广东某高速公路泡沫轻质土路基回填工程，研究了泡沫轻质土的设计方案，研究表明针对高速公路的加宽和特殊路基的处理，可根据实际情况进行泡沫水泥轻质土配合比调整，容重可以控制在5～6.5 kN/m3，7 d抗压强度可控制在0.6～0.8 MPa，强度后期还会增长，28 d抗压强度可达到0.7～1.6 MPa，满足路基填筑要求。本文基于前人对泡沫水泥轻质土理论研究的基础上，结合某高速公路软基处理工程实际，比较了泡沫水泥轻质土、粉煤灰、水泥搅拌桩和预应力桩4种软基处理方案，为以后类似工程利用泡沫水泥轻质土提供了实践经验。

1 基本性质

泡沫水泥轻质土主要由胶凝材料、发泡剂、水、泥土、砂等构成。在实际工程应用中，为改变泡沫水泥轻质土的性状，经常在泡沫水泥轻质土中加入炉渣灰、石粉、粉煤灰等黏性土或微粒状固体材料。

a）轻质性。由于发泡剂的存在，使得泡沫水泥轻质土的容重较其他材料较轻（如表1），相当于普通水泥混凝土的1/5～1/8左右，可以大大减少路基的永久荷载。有时为了实现泡沫水泥轻质土的容重，可以适当增加泡沫量，也可以通过调整湿密度达到目的。用在路基中的泡沫水泥轻质土，容重一般控制在5～6.5 kg/m3。

表1 常见土建材料容重 kg/m3

b）流动性。泡沫水泥轻质土具有较高的流动性，若通过泵送的方式运送，其最大运送距离可达1 500 m。流动性通常用扩展度来表征，影响流动性的主要因素是含水量和含气量。工程中，含水量主要是通过水灰比来控制。随着水灰比的增加，流变性逐渐增大，而强度也与水灰比有关，因此工程中在达到流变性要求的同时，要考虑水灰比对于强度的影响。一般将施工时的泡沫水泥轻质土扩展度控制在180±20 mm左右。另一方面，减小泡沫水泥轻质土的含气量会导致扩展度的增大，但是也会使其表观密度增大。因此在施工中，应通过试验确定泡沫量。

c）自立性。泡沫水泥轻质土具有自硬能力，固化剂在初凝后可固化自立，对挡土结构物侧压力很小。

d）透水特性。由于含有大量泡沫，所以泡沫水泥轻质土是一种不饱和土,一般其透水系数为10-6cm/s。并且，随着泡沫水泥轻质土养护龄期的增大，其透水系数逐渐降低。同时，气泡混水泥轻质土吸水性较小，相对独立的封闭气泡及良好的整体性，使其具有良好防水性能。

e）强度和变形。泡沫水泥轻质土的单轴抗压强度[4-5]可在1 MPa左右自由制作，其单轴抗压强度与泡沫混合比、胶凝材料、含水量等有关。试验数据表明[6]：泡沫水泥轻质土的抗剪强度及抗拉强度和抗压强度的比值分别为 0.173、0.197，比混凝土的0.1大。

2 施工工艺

2.1 泡沫水泥轻质土的生产流程（如图1）

图1 泡沫水泥轻质土生产流程图

泡沫水泥轻质土的制备流程主要包括4个部分：a）泡沫生成；b）水泥浆（砂浆）制备；c）泡沫与水泥（砂）浆的混合；d）浇筑施工。

2.2 泡沫水泥轻质土施工流程（如图2所示）

2.3 泡沫水泥轻质土的施工质量控制

图2 泡沫水泥轻质土施工流程图

a）材料。含水量对泡沫水泥轻质土影响较大。尤其是搅拌砂性土时，很难做到含水率和砂性土成分达到同一标准。因此需要每天检验一次砂性土的含水量，及时调整配合比。同时，发泡液、空气的动态流量和压力应保证连续稳定。气泡群密度应控制在48～52 kg/m3范围内。标准气泡柱静置1 h的沉降距应不大于5 mm、泌水量应不大于25 mL。

b）搅拌。和水泥混凝土一样，泡沫水泥轻质土应该搅拌均匀、无沉积。拌合所有的水不应含有影响泡沫稳定性、泡沫水泥轻质土的强度和耐久性的杂质。泡沫水泥轻质土在搅拌时，应按照配合比控制其湿表观密度、含气量、扩散度等，以保证拌合质量。

c）浇筑。由于泡沫水泥轻质土中有大量的气泡，因此浇筑时不宜过度振动。浇筑时，应该避免雨天施工，因为遇水会使得气泡消解，从而影响其性能。同时，浇筑厚度应控制在0.25～1 m范围内，因为过高的浇筑厚度会加强泡沫水泥轻质土自身重量对其性能的影响，使得气泡压缩和消泡。

3 工程应用及效果评价

3.1 工程概况

某高速公路某一标段，需对软弱路基进行处理。该标段土层分布情况为：3 m厚亚黏土硬壳层，其下为厚约22.5 m的淤泥质亚黏土软弱层，软弱层下为亚黏土。由于工期紧迫，采用超载预压的方法，无法达到工期要求。而采用路基超高填筑的方法，也难以从根本上解决问题。因此提出了使用泡沫水泥轻质土、粉煤灰、水泥搅拌桩、预应力管桩4种方法处理软土路基。

3.2 方案比选

3.2.1 造价

根据现场实际情况，各种处治方案的预算如表2所示。其中，预应力管桩的综合单价为1 709元/m2，水泥搅拌桩的综合单价为1 540元/m2,泡沫水泥轻质土的综合单价为582元/m2,粉煤灰的综合单价为980 元 /m2。

表2 各种方案造价 万元

由表2可知，使用粉煤灰的造价最高，其次是预应力管桩，使用泡沫水泥轻质土的造价最节约，约为粉煤灰的59%，预应力管桩的80%。从造价的角度出发，可以考虑使用泡沫水泥轻质土的方法。

3.2.2 工期

各种处治方案的预计工期如表3所示。

表3 各种方案工期 月

由表3可知，各种处治方案中，采用粉煤灰和预应力管桩的工期相近，采用泡沫水泥轻质土和水泥搅拌桩的方法工期相近且最少。从达到工期要求的角度出发，应该优先选择泡沫水泥轻质土和水泥搅拌桩的方法。

3.2.3 优点

若采用粉煤灰的方法，可以有效减小永久荷载，减小路基的附加应力，达到处治软弱路基的目的。

若采用预应力管桩的方法，通过增加地基的方式也可以达到处治软弱路基的目的。

若采用水泥搅拌桩可以通过固化剂和软土间所产生的一系列物理和化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量，达到处治软弱路基的目的。

若采用泡沫水泥轻质土的方法，通过减小永久荷载的方式达到处治目的。并且使用泡沫水泥轻质土开挖量少，取材方便。

3.2.4 缺点

使用粉煤灰，开挖量大，用量大，短期内难以保证持续供给，影响工期且易污染环境。

使用预应力管桩，土石方量巨大，且工程质量难以控制，处理效果难以保证。

使用水泥搅拌桩，质量难以控制，处治效果难以保证。

从处理效果上来说，采用泡沫水泥轻质土、粉煤灰、水泥搅拌桩、预应力管桩4种方法均可以达到处治软弱路基的目的。但是工程造价、工期、施工难易程度、对环境污染程度、材料供给等方面综合考虑，建议采用使用泡沫水泥轻质土，本工程采用的泡沫水泥轻质土的具体技术指标见表4。

由于工程所在地雨季时间长，采用泡沫水泥轻质土的处治方法时，浇筑泡沫水泥轻质土之前，要做好防、排水等施工准备，未固化的泡沫水泥轻质土表面应采取避雨措施，防止雨水消泡，影响其质量。

表4 泡沫水泥轻质土技术指标

3.3 效果评价

实际工程中，在路基面中心及两侧路肩处各设路基面沉降观测桩，观测桩纵向间距不大于100 m，并保证每个工点至少有1个观测断面。在施工中，应至少每日观测1次。暂停施工时，至少2 d观测1次。完成施工前15 d，每2 d观测1次，若沉降趋于稳定，以后可1周观测1次。

根据实测资料，原设计方案中路段超载高度为1.12 m，实测累计沉降量为2 740 mm，已经超出设计预期理论沉降量269 mm。沉降速率与月数的关系曲线如图3所示。观测从2010年1月开始，5月份开始改用泡沫水泥轻质土换填，两个月后换填完成。由图3可知，从7月开始，沉降曲线趋于平稳，且沉降量接近零，处理效果良好。

图3 沉降速率与月数关系曲线

4 结语

泡沫水泥轻质土具有轻质、自立、流动性好、施工方便等优点，正是因为具备这些特点，使得它能够通过减小永久荷载和附加应力的方式来控制沉降。在施工中，要把握好泡沫水泥轻质土材料选择、搅拌、浇筑等过程，全方位控制泡沫水泥轻质土的质量。结合某高速公路软弱路基处理的工程实例，分析比较了采用泡沫水泥轻质土、粉煤灰、水泥搅拌桩和预应力桩4种方案，泡沫水泥轻质土在工程性质、造价、工期等方面均具有显著优势，但是在实际施工中，要注意雨水对泡沫水泥轻质土的影响，做好防排水工程。实体工程观测表明，采用泡沫水泥轻质土换填后路基沉降曲线趋于平稳，且沉降量接近零。