泡沫轻质土在某高速公路路基拼宽工程中的应用

■谢子明

（三明厦沙高速公路有限责任公司，三明 365000）

1 引言

随着我国社会和经济的迅速发展，道路交通量与日俱增，现有的公路网络已无法满足其增长需求，故实施道路改扩建工程以提高交通服务能力已成为必然趋势，其中既有道路拼宽方式作为改扩建工程的主要方式之一，尤其在用地范围有限、车流量较大、地质条件较差的工点凸显其优势。

泡沫轻质土是19世纪80年代后期由日本、荷兰等国研制出的用发泡剂水溶液制备成泡沫，与必须组分水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺合料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，形成的一种轻质材料[1]。本文介绍了泡沫轻质土在某高速公路路基拼宽工程中的应用，总结了设计、施工要点，对类似工点的建设具有一定的参考意义。

2 工程概况

2.1 地形地貌

本文依托工点所在场区沿线山岭绵延，山脉主体多呈北东～近南北向延伸，与区内主要构造线相一致，局部由北西向分布。总体地势为东高西低。该路段为剥蚀丘陵地貌，植被较发育。线路横向地形起伏大，山坡自然坡度约 10～45°。

2.2 地层岩性

该高速公路场区地表上覆第四系坡积土（Qdl）、粉质粘土及砂土状地层，厚度约1.4～4.2m，下伏碎块状强风化花岗岩及中风化花岗岩，其中碎块状地层风化裂隙发育，岩芯以碎块状为主，部分呈短柱状；工程所在范围内未见滑坡等不良地质迹象；钻孔揭示地下水位较高，路线位于丘陵斜坡地带，地表径流条件相对较好。

2.3 方案比选及变更过程简介

该段落高速公路原路面宽度为24m，左线路基外侧设计为两级边坡（见图1），第一阶坡率为1∶0.2，坡高为约12m，采用浆砌片石挡墙支挡；第二阶坡率为1∶1.5，坡高约7m。第一阶挡墙外侧为约42m宽斜坡地形，平均坡度约为 15°。

为满足扩建需求，在线路两侧进行拼宽：右侧往里开挖拓宽，左侧采取填方进行拼宽，拼宽宽度1～3m，接入交汇高速匝道。

图1 原线路横断面示意图

针对左幅路基拼宽，共提出三种方案以供比选。

方案一：如图1，在左线路基外侧约42m斜坡范围进行征地，对原路基边坡实施填土反压，填土覆盖原二级边坡。自用地界至拼宽后路肩外侧填筑三级边坡，第一至第三阶坡率分别为 1∶2.0、1∶1.75、1∶1.5， 一阶坡脚设护脚挡墙，段落填土近27000m3。该方案虽通过提供反压力学支撑实现拼宽，使整个路基稳定性增加，但涉及征地范围较大，且需大量填土供应，经济合理性欠缺。同时，该方案施工需修筑大量便道，工期较长，不能尽早实现线路通车，因此提出方案二如下。

方案二：通过现浇C20混凝土及小导管注浆实现拼宽（见图2），在原路肩外侧边缘以台阶方式向下开挖至第一阶挡墙墙顶标高，台阶宽度为2.5m，高度为1m，开挖后立即施打小导管注浆，间距为1.0×1.0m，并采取喷混凝土临时支护。台阶外小导管预留一定长度埋置于现浇混凝土内，开挖完毕后现浇C20混凝土至路面标高。

因新增浇筑混凝土自重较大，对下部挡墙产生一定的水平向附加应力，即其在上部自重的作用下，加之浆砌片石挡墙墙身近直立，较高陡，倾覆破坏的可能性增加，针对上述不利因素，提出在既有挡墙上浇筑锚索地梁，每道地梁设置3排4束预应力锚索，每根锚索提供400kN锚固力，在一定程度上可改善挡墙的抗倾覆能力及整个路基边坡稳定性。由此可见，方案二相对于方案一更具经济性及实现快通车的优势，但因拼宽后填土体量增加且混凝土相对于原路基填土重度较大，即必须考虑其竖向附加应力对挡墙下部地基承载力提出的要求，同时还需考虑拼宽后整幅路基的不均匀沉降问题[2]。即针对现浇C20混凝土重度较大，对既有支挡结构及路基安全性存在一定威胁问题，提出采用能够替代现浇混凝土，重度较小且同样满足强度要求的轻质填料：泡沫轻质土路基方案（方案三）由此推出。

图2 方案二横断面示意图

为保证路基加宽后路堤浆砌片石挡墙的稳定，泡沫轻质土路基方案中保留对原路堤浆砌片石挡墙需采取锚索地梁加强的思路。为最大限度减少填方路基加宽对线路通车的影响，最终确定同意采取泡沫轻质土进行加宽的方案。下文将对泡沫轻质土方案进行详述。

3 设计方案及技术要点

3.1 设计方案简介

根据前文所述，对三种方案进行详细论证，主要对现浇C20混凝土加小导管注浆（方案二）和泡沫轻质土路基方案（方案三）进行比选，得出采用后者不仅能实现减载及强度安全性要求，亦可加快施工工期，同时泡沫轻质土施工工序简单，且经济上合理可行，现对泡沫轻质土路基方案进行详述，方案示意见图3。

（1）现浇泡沫轻质土浇筑路基体高约5～6m；选用泡沫轻质土主要性能参数为：重度6kN/m3，立方体试块抗压强度为1.0MPa；填筑体上部及外侧坡面及底板均浇筑20cm厚C25钢筋混凝土板。

（2）为减小拼宽填筑后对既有路基外侧一阶挡墙稳定性的影响，在挡墙原位设置锚索地梁，通过张拉3排4束锚索进行加固，要求锚索锚固段进入砂土状强风化层以上岩层不小于12m，改善挡墙抗倾覆性的同时提高路基边坡整体稳定性。

图3 轻质泡沫土路基方案横断面示意图

（3）交通管制后，先对原有路基边坡坡面进行清表，清表厚度为50cm；横向沿线路中心线9m位置以台阶形式分级开挖，每级台阶宽2.5m，高1m，纵向开挖坡率及台阶尺寸参照横向开挖要求执行。

（4）因开挖路基台阶阶数较多，为保证开挖台阶面的自稳性，要求开挖一级台阶立即施打小导管注浆，并初次喷射5cm厚C20混凝土作为临时支护，方可继续开挖下一级台阶，重复以上步骤直至到开挖设计标高[3]。开挖完毕后，沿台阶坡面铺设Φ8@10cm×10cm钢筋网，并第二次喷射5cm厚C20混凝土进行封闭。小导管为Φ50mm无缝钢管，壁厚 4mm，间距 1.5m×1.5m，L=8m，进入土体7m，外露段1m留置于泡沫轻质土填料内，外露端头部制成直角弯钩状，见图4所示。

图4 小导管布设示意图

（5）为保证泡沫轻质土保有足够的长期强度，必须对其进行防、隔水处理，并对周边地下水进行疏排，故在泡沫轻质土底板下铺设50cm厚级配碎石垫层（图5），垫层顶面控制出外倾4%坡度，于垫层中部打设Φ10cmPVC管，要求打入至泡沫轻质土填筑内侧壁以内。同时，在泡沫轻质土内侧及底板上方铺设一层防水土工膜以防入渗。为防止垫层碎石中细集料受水流冲刷流失，且提高轻质体的稳定性，在填料坡脚设置一道C25护脚墙，如图5所示。

图5 泡沫轻质土路基方案细部结构图

（6）为提高泡沫轻质土的整体性及抗裂能力，在基底以及外侧墙面设置20cm厚C25钢筋混凝土板 （侧壁），底板及外侧壁板内加设Φ8@10cmx10cm钢筋网 （图5）；泡沫轻质土顶面以下50cm及中部处设置一道Φ8@10cmx10cm钢筋网；外侧壁板施工时，应做好拉结钢筋埋设，拉结筋为Φ12钢筋，长度L=1.5m，间距 1.0m×1.5m（竖直方向1.0m，沿路基方向1.5m），使其与泡沫轻质土拉结。以上工作完毕后，泡沫轻质混凝土应分层分段浇筑。

（7）如图6所示，为保证拼宽后路面与泡沫轻质土填料间排水的通畅，轻质体C25面板在路面范围加高10cm，再铺设级配碎石垫层，轻质土顶面设4%外倾坡度，垫层底部打折排水平孔，垫层外侧浇筑150cm高片砼护肩作护栏基础，同时为控制不均匀沉降及提高整体性，在护肩与路面层内设置连接钢筋。

图6 泡沫轻质土路基顶部细部结构示意图

3.2 设计及施工要点

泡沫轻质土之所以在实现减载，缓解附加应力的应用背景下备受青睐，主要因其自身密度较一般填土小而自身稳定性及强度却较高，因此如何更具针对性地选择泡沫轻质土的性能指标，充分发挥其材料特性优势，优化设计显得尤为重要。参照现有的泡沫轻质土制作技术，其抗压轻度一般在0.4～7.5MPa范围内[4]，已可满足路基强度方面要求，但其表观密度却在250～1650kg/m3范围内，即对于其密度的选择则应因地制宜，综合考虑工点所在的周边环境及工程地质条件。在本案例中，由于泡沫轻质土充当高速公路拼宽部分路基，其强度不应过低，以满足后期在行车振动荷载及地震等不利工况下的强度要求，即本工程取强度指标为1.0MPa。在可达到1.0MPa强度的前提下，综合考虑汛期地下水位过高时浮力对路基的影响，又尽可能实现其减载的设计初衷，工程选用表观密度为600kg/m3，即重度6kN/m3的泡沫轻质土。

（1）泡沫轻质土通过发泡剂实现填料内充满空隙，其吸水性要远大于一般填土，其泡水后重度大幅增加，失去“轻质”的意义，且强度损失，从而产生安全隐患。本工点中，设置钢筋混凝土面板及底板并铺设防水土工膜以实现对轻质填料体的隔、防水保护。同时，设置排水平孔结合路基坡面排水系统对拼宽填料周边地下水进行疏导。此外，泡沫轻质土在拌合制作过程中对含水量的要求较严格，施工遇雨期时，应对材料及浇筑后未固化的泡沫轻质土进行遮挡[5]。

（2）前已述，为保证泡沫轻质土自身以及其与既有路基的整体性，在泡沫轻质土面板与轻质土间设拉结钢筋，小导管预留部分长度浇筑于填料内，施工中应严格根据设计说明施工。

（3）泡沫轻质土虽制备简单，浇筑时间短，但其内部水化热较大，浇筑后温度比普通混凝土要高，因此制作过程及施工工艺应严格控制环境温度、湿度等因素[5]。施工应加强管理，控制浇筑速度，在0.3～0.8m范围，需等上一层浇筑终凝后方可浇筑下一层。

（4）泡沫轻质土路基沿线路纵向应设置沉降缝，本工程中设置沉降缝间距为15m，沉降缝填缝材料采用聚苯乙烯板或10～20mm厚夹板，并应采用止水带进行止水，防止水渗入。

4 结论

本文对某高速公路左幅路基拼宽工程方案比选及变更过程进行说明，对最终所选泡沫轻质土路基方案进行详细说明，同时对泡沫轻质土路基方案的设计、施工控制要点进行总结，为类似工点建设提供一定参考。

（1）现浇泡沫轻质土在类似路基拼宽工程中，充分体现其重度轻，强度高且性能可调等优点[6]；同时，其施工工艺简单快速，有效缓解了通车任务紧急的问题；并在诸如施工场地有限、施工难度大、环境条件差等不利条件下往往作为工程方案首选；

（2）泡沫轻质土设计应考虑其形态要求，确保其整体稳定性，并应做好防水设施；制作过程应加强管理，合理安排工序，严格按设计及规范要求施工；

（3）泡沫轻质土路基在本工程中已投入使用，节省了大量造价，结果印证了其可行性及经济性。

[1]CECS249-2008，现浇泡沫轻质土技术规程[s].

[2]杨春风，庄灿，李洪亮，李宝，高恒楠.泡沫轻质土用于软基路基拓宽时应力应变分析[J].广西大学学报（自然科学版），2016，41（01）：234-245.

[3]GB5008-2001，锚杆喷射混凝土支护技术规范[s].

[4]李一帆，.现浇式泡沫轻质土在南平水东大桥改造工程路基拼宽中的应用[J].福建交通科技，2016（1）.

[5]CJJ/T 177-2012，气泡混合轻质土填筑工程技术规程[S].

[6]陈忠平，孙仲均，钱争晖.泡沫轻质土充填技术及应用[J].施工技术，2011，40（10）：74-76.

[7]JTG D30-2015，公路路基设计规范[S].