泡沫轻质土在既有软基道路扩建中的应用

李 群，李建宇，杨建辉，王振兴

（1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；2.中电建路桥集团有限公司，北京 100048）

0 引 言

中国道路网建设始于20世纪80年代，如今许多道路相继达到设计使用年限，由于路面破损严重、交通量日益增大，已经难以满足日益增长的区域交通需要，迫切需要对现有道路进行升级扩建。并且软土地区的道路软基处理面临路基承载力不足、沉降过大等问题，目前的处理方法主要有排水固结法、复合地基法、轻质填料法等。对于改扩建工程而言，由于工程造价较高、工期紧、施工场地狭窄，同时要维持既有道路交通的正常运营，所以需要针对工程的软土性质、施工条件、建设环境等情况进行综合分析，选取合适的处理方法。

目前，已有许多学者将泡沫轻质土应用于道路改扩建工程中，并对其性质及效果进行研究，如陈忠平将泡沫轻质土应用到京珠高速道路加宽工程中，有效地解决了拆迁困难和不均匀沉降等问题；李思清等对广佛高速公路扩建工程的泡沫轻质土试验段进行分析和监测，发现轻质土可以减轻填土荷载，有效解决了路基不均匀沉降的问题［1］；吕锡岭以三高高速公路扩建工程为例，从数学角度分析了轻质土扩建路基的附加应力分布规律和沉降特性，验证了轻质土的工程应用效果［2］。

本文以某道路改扩建工程为背景，分析工程中存在的限制因素，选用泡沫轻质土处理软土地基，对其设计和施工技术进行研究，通过工后检验证明泡沫轻质土密度和强度可达到设计要求，有效解决已通车道路在不封路施工的前提下处治扩建道路路基沉降的问题。

1 工程项目概况

某道路路线全长6.64km，于1995年建成，由于受当时社会经济水平、技术水平和建设思路等多方面的限制，道路路基宽仅为8m，软土路基只换填5m厚碎石，未进行深层处理。运营至今路基有一定的沉降，局部路段累计沉降约60～70cm，路面狭窄、破损，路况较差，已经不能适应交通和地区经济发展的需求。因此，对其进行改扩建，以提高交通运输承载能力，确保车辆、行人通行的安全。

改扩建道路处于珠江三角洲河网区，全线均分布有大量的淤泥和淤泥质软土，厚度较大，埋深较浅，具有压缩性高、天然孔隙比大、抗剪强度低、透水性差等特点。根据室内土工试验结果，对地基软土物理力学性质指标进行分层统计，见表1。

表1 各土层力学参数

2 软土地基处理方案分析

2.1 原设计方案

处理深厚软土地基常用的方法为采用塑料排水板并堆载预压，本工程原计划方案如下。

（1）在软基埋深小于15m的路段，排水板间距1.2m；在埋深为15～20m的路段，排水板间距1.1 m；在埋深大于20m的路段，排水板间距1.0m。砂垫层厚60cm（排水板深入砂垫层30cm），上铺1层单向土工格栅。软土深度小于25m的路段，排水板需进入持力层10cm左右；深度大于25m的路段，排水板最大处理深度按25m控制。

（2）采用堆载预压时，应在预压期内及时填补沉降土方，以保证预压高度。路基填筑至设计的预定高程后，排水固结区域应确保6～12个月的预压期，当符合连续3个月沉降不超过5mm标准时才能卸载。

针对本工程具体情况，此方案存在的问题如下：对预压时间及荷载条件的要求较为严格，经计算预压时间（含堆载、卸载时间）至少为12个月，而且堆载土方需要的临时用地较大，不能保障路基施工用地条件和项目既定的通车时间目标；全线右侧有民居、商铺和厂房，堆载预压期达9个月，施工期间对居民生产和生活有较大影响；全线路口数量多达40个，堆载预压的高度达到2.5～3.0m，严重影响居民出行；由于地下水位较高，在工期紧迫的情况下，塑料排水板结合堆载预压的方法无法达到预期固结效果；现有道路下的软土已沉降20多年，安装塑料排水板可能会对其产生影响，从而导致附加沉降。

2.2 变更后方案

根据工期要求、建设条件、建设期交通安全、沿线出入口分布及工程造价等方面的需求，并结合软土性质进行综合分析，按照图1的优化设计思路提出了“换填泡沫轻质土”的处理方案。该方案的优点如下：可多区域同时作业、连续施工，施工速度快，能保证达到项目既定的通车时间目标；征用临时土地少，有效改善施工征地问题；不用堆载土方，对项目附近村庄和工厂的路口影响较小，减少对附近村民日常出行造成堵塞；对临时交通组织的影响比塑料排水板结合堆载预压的方案小，利于施工期间交通通畅及安全。

图1 方案优化分析

3 泡沫轻质土换填方案的设计分析

3.1 轻质土的特性及应用

泡沫轻质土的容重比土体小，且其容重和强度可根据工程需求进行自由调整；施工准备期短，填筑工程通过管路泵送实现，无需修建便道；因该方案作业面积小，能减少一些地区的线缆、通讯管道等的拆迁；填筑工程能持续作业，不需因碾压工程而间断；可垂直填筑，减少永久占地和征地拆迁问题；填筑泡沫轻质土属于非隐蔽工程，施工质量可控性高［3－6］。

20世纪80年代，日本研制出容重和强度可自由调整的泡沫轻质土，并于1987年在横滨市内路桥维修中，首次将其作为填土原料应用，随后泡沫轻质土在诸多工程领域得到广泛应用。21世纪初，陈忠平等学者将泡沫轻质土技术引进国内，应用泡沫轻质土解决桥涵跳车、道路加宽时新老路基的差异沉降、市政交叉路的减荷换填、高填土路堤的稳定性、寒冷地区路基的隔热保温等工程技术难题。此外，在工程应用的基础上，中国也颁布了泡沫轻质土设计和施工的相关技术规范，如《现浇泡沫轻质土技术规程》（CECS 249—2008）、《现浇泡沫轻质土路基设计施工技术规程》（TJG F10 01—2011）、《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》（CJJ／T 177—2012）。

图2 拓宽路基设计断面

3.2 具体方案设计

3.2.1 方案设计图

泡沫轻质土置换软土路基处理方案的设计见图2。

3.2.2 泡沫轻质土设计参数

本工程泡沫轻质土的主要性能指标见表2。

3.2.3 设计计算分析

（1）泡沫轻质土置换厚度的确定。泡沫轻质土治理软土路基的加固机理为应力置换，即适当挖除原状土体置换为轻质土。依据路基修筑高度演算适当的置换厚度，回填轻质土的附加荷载不大于被置换的土体自重荷载，当地下水位较高时，需按水位线上下分别计算式（1）。从理论上讲，处理后地基土处于超固结状态，应该没有工后沉降［7－8］。

表2 泡沫轻质土主要性能指标

式中：γW、γWa分别为原状土的天然容重和饱水容重（kN·m－3）；γ、γa为气泡轻质土的湿容重和表干容重（kN·m－3）；γi为换填后各个结构层的容重（kN·m－3）；hi为路面结构层填筑厚度（m）；H1为泡沫轻质土在地面以下、水位以上的浇筑厚度（m）；H2为泡沫轻质土在水位以下的浇筑厚度（m）；P为填筑体上部的压力（kN）。

图3 轻质土置换厚度计算

（2）强度验算分析。根据国内外学者对泡沫轻质土的室内试验结果和已有工程的长期随访，得知浸水对轻质土的强度无明显影响，且能够保持长期稳定的状态［9－11］。因此，泡沫轻质土的强度设计只需确保轻质土的设计抗压强度不小于规范要求的qu值即可。

式中：qu为填筑体自立稳定的抗压强度（kPa）；Fs为安全系数，取3；H 为填筑高度（m）；W 为填筑体顶部的荷载（kPa）。

（3）抗浮稳定性分析。安全系数Fs的计算如式（3）所示。由于工程区域内地表水较发育且地下水位较浅，在使用泡沫轻质土置换地基时，挖掘面处于地下水位以下，因此考虑到地下水的影响。

式中：V1为填筑体体积（m3）；V2为计算水位以下的填筑体体积（m3）；γS为水的容重（kN·m－3）。

（4）腐蚀性分析。泡沫轻质土处理软弱地基时，若地下水腐蚀性为弱腐蚀及以上，需考虑腐蚀性影响，置换深度不宜进入地下水位以下。根据地质勘察报告中水质的腐蚀性分析可知，工程范围内地下水及地表水中氯含量很低，对混凝土及结构中的钢筋具微腐蚀性。依据《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB 50046—2008）中的条例，微腐蚀环境可按正常环境进行设计。

综合上述设计分析，通过式（1）计算得出适宜置换深度为1.0～1.5m。依照式（2）、式（3）的验算分析得知，设计置换泡沫轻质土的抗压强度和抗浮稳定性均满足规范要求。参照地质勘察报告中给予的水质腐蚀性并结合相关规范进行分析，可知位于水位以下的泡沫轻质土不需要进行抗腐蚀特殊处理。

4 泡沫轻质土施工技术

4.1 工艺流程

泡沫轻质土填筑路基的施工工艺流程见图4。

4.2 施工控制要点

轻质土填筑前应依据施工现场边界条件进行填筑区和填筑层的划分，并对填筑区基底进行杂物和积水的清理，保证基底高程符合设计需求。填筑施工控制要点如下。

（1）相同区域上下相邻填筑层的填筑间隔时间需以下层轻质土是否硬化为控制基准，且应不小于6h。

（2）在水泥浆初凝时间内完成填筑工作，填筑时间不应大于3h；水泥浆从制备完成到开始制造泡沫轻质土的间隔时间应不大于3h。

（3）沿填筑区域的长轴方向从一端向另一端填筑，若使用多条填筑管作业时采取并列式填筑或对角式填筑。

（4）填筑轻质土时，若需挪动填筑管，可沿填筑管放置的方向前后挪动，严禁左右挪动。

（5）填筑轻质土时，出料管口尽量处于填筑面以下；在扫平填筑表面时，出料管口与当前填筑面之间距离应小于1.5m。

（6）填筑轻质土时，实时检测泡沫密度、水泥浆密度和泡沫轻质土湿密度，其各项控制指标允许误差分别为±5%、±2%和±3%。

图4 泡沫轻质土施工流程

4.3 养护与维护

泡沫轻质土填筑至设计高程后，需使用塑料薄膜覆盖表层，从而达到保湿养护目的，养护时间不少于7d，泡沫轻质土路基表层养护见图5。

图5 泡沫轻质土表层养护

当泡沫轻质土的养护强度大于设计强度时方可开展其顶部的路面结构层工程，若工期紧迫时，养护强度至少达到0.6MPa。在施工作业过程中严禁大型设备直接在泡沫轻质土顶面走动，若局部地段无法回避时，应在合适位置铺设临时保护层以便设备通行。

5 应用效果及监测

5.1 室内试验分析

为了预测轻质土现场使用的效果，按照相似原则进行室内试验。水泥、矿粉、粉煤灰等材料以及各材料配合比均与施工现场相同。泡沫轻质土的试件尺寸为100mm×100mm×100mm，放置在（20±2）℃温度、98%的恒温恒湿条件下养护至设计龄期（28d）。经试验测得试样的平均密度为603kg·m－3，平均无侧限抗压强度为1.37MPa，以上试验结果可以较好地满足工程需求。

5.2 现场测试分析

（1）经密度测量仪测试，轻质土的密度平均值为606kg·m－3，较普通土的竖向土体压力降低了65.9%。

（2）现场将混合搅拌好的轻质土装入尺寸为100mm×100mm×100mm的模具中制成试块，进行龄期为7d和28d的养护。经抗压强度测试，7d和28d的强度分别为0.89MPa和1.49MPa，满足设计要求。

（3）在填筑完毕后的8～12h内进行外观检验，其沉陷距小于3cm、开裂宽度小于2mm，均满足性能指标要求，轻质土路基顶面高程及其长度和宽度也满足设计要求。

5.3 监测情况分析

为保证道路安全运营，分析泡沫轻质土的应用效果，在道路沿线布置4个沉降监测断面。据沉降观测数据显示，深厚软土地基经泡沫轻质土置换处理后，既有道路和拓宽道路的最大沉降量分别为8.96mm和9.23mm，最小沉降量分别为0.78mm和7.54mm，通车后新旧道路的工后沉降很小。可见，泡沫轻质土路基可以降低加宽路基引起的附加应力，减小拓宽路基沉降变形，同时避免施工对既有道路的扰动，保证了既有道路的安全。

6 结 语

以某道路扩建工程为依托，介绍泡沫轻质土的基本特性、应用状况、设计方案、施工工艺和控制要点等，结合泡沫轻质土在工程中的实际应用，得出如下结论。

（1）现场施工获得的泡沫轻质土密度为606 kg·m－3，强度为1.49MPa，较普通土的竖向土体压力降低了65.9%，有效减轻了新路基填筑荷载，提升了地基整体强度。

（2）采用泡沫轻质土处理深厚软土地基时，以密度小的填筑材料置换密度大的原状土体，使地基软土层的附加应力小于有效应力，软土地基竣工时最大沉降仅有9.23mm，同时施工过程中对土层扰动小，对既有道路的影响较小，保证了工程质量。

（3）结合泡沫轻质土在道路改扩建工程中应用，从置换厚度、强度、抗浮稳定性和腐蚀性等方面分析轻质土路基设计方案，并对施工控制要点和关键技术进行分析，对类似深厚软基道路扩建工程中轻质土设计和施工具有一定的借鉴意义。