泡沫混凝土在深厚填土边坡治理工程中的实例应用

黄 东

(湖南省勘测设计院,湖南 长沙 410004)

泡沫混凝土是通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡并将泡沫加入到由水泥、骨料、掺合料、外加剂和水制成的浆料中,混合搅拌后经过泵送系统进行现浇施工或模具成型,经养护形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质高强材料。是一种利废、环保、节能、低廉且具有不燃性的新型建筑节能材料[1]。泡沫混凝土具有轻质、保温隔热性能好、吸声隔音性能好、耐火性能好、减震性能好、耐久性能好等优点,已经越来越广泛地应用于房屋建筑、桥台填筑、道路加宽等工程中[2]。同时,由于泡沫混凝土具有其自身的结构特征,导致其存在强度偏低、易开裂、吸水率大、收缩率大等问题[3]。基于泡沫混凝土的各项优缺点,发挥其优良特性,采用相关的设计与施工措施避免其存在的不足,将泡沫混凝土应用于深厚填土边坡支护治理中,通过成功的边坡治理工程案例,验证其可靠性,对以后的工程设计和施工具有较好的指导与借鉴意义。

1 工程概况及地层岩性

1.1 工程概况

边坡场地位于圭塘河西侧,为南北走向,坡长约70 m,坡高约9.5 m,坡顶标高南高(42.30 m)北低(41.75 m),坡底标高平圭塘河河床,河床标高为32.80 m。该段河道边坡上部原为重力式砖砌挡墙支挡,高约2～6 m,现状砖墙及墙后土体已多处发生滑坡,仅部分残余;中部坡面裸露,植被稀疏发育,多为杂草,偶见小树;下部则为圭塘河;边坡顶部现为空地及万家丽路,距离万家丽路人行道约12～16 m。该边坡南、北端均为重力式浆砌麻石挡墙,其中南端挡墙高约8 m,北端挡墙高约5 m,现状稳定性较好,未见变形失稳迹象[4]。边坡治理前照片如图1所示。

图1 边坡治理前照片Fig.1 Photo before slope treatment

1.2 地层岩性

根据现场踏勘情况,场地地层的分布及特征自上而下依次为:人工填土,圆砾层,粉细砂,强风化砾岩,中风化砾岩。

(8) 全风化砾岩⑧(K):紫红、褐黄,碎屑结构,厚层状构造,胶结极差,多风化呈散体状,砾石成分多为板岩、砂岩、石英质,亚圆形,一般粒径2～30 mm。岩石质量指标(RQD=10～20)为极差,岩体基本质量等级为Ⅴ级。

(9) 强风化砾岩⑨(K):褐红色,碎屑结构,厚层状构造,泥质胶结,胶结较差,岩芯破碎,极软岩,岩芯呈短柱状、块状,易断、易分散,局部含少量砾石,成分为砂岩、板岩等,一般粒径为0.1～0.5 cm,最大为5～7 cm。岩体破碎,岩石质量指标(RQD=40～50)为差,岩体基本质量等级为Ⅴ级。

(10) 中风化砾岩⑩(K):褐红色,碎屑结构,厚层状构造,泥质胶结,局部钙质胶结,胶结较好,岩芯较完整,极软岩,局部含少量砾石,一般粒径为0.3～1 cm,最大为4～6 cm,成分为石英、砂岩、板岩等,岩芯呈长、短柱状。岩体较完整,岩石质量指标(RQD=65～75)为较差,岩体基本质量等级为Ⅴ级。

各岩土层物理力学参数见表1所示。

2 边坡治理方案

2.1 边坡工程特点

表1 岩土层物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameter table of rock and soil layer

根据工程地质条件与周边环境的不同,将支护段分为DE段与EF段。具体支护平面图如图2所示。该段边坡西侧紧邻圭塘河,东侧紧邻市政主干道,道路下方分布有电力、燃气、污水等管线。其中EF段垂直坡面埋置有直径1.5 m的混凝土排水管一根。边坡治理工程周边环境复杂,对沉降与位移的敏感度较高,施工空间狭窄。

图2 支护平面图Fig.2 Support plan

2.2 DE段支护方案设计

在掌握和研究已有工程地质和水文地质资料的基础上,从经济、安全且便于施工的角度考虑,对此边坡工程DE段采用双排桩+钢花管注浆的支护型式。

双排桩支护结构充分利用了空间效应,具有较大的侧向刚度,可以有效地限制支护结构侧向位移,而不需要设置锚杆或内支撑结构[5]。DE段采用双排桩支护,桩径1.2 m,桩间距2.5 m,桩排距3.5 m,桩体嵌固段深度9.8 m,桩间设置150 mm厚C30砼面板。桩间土及桩后填土采用花管注浆,增强土体抗剪强度。桩前临水处设置4 m宽雷诺护垫。DE段支护剖面如图3所示。

2.3 EF段支护方案对比与优化设计

EF段为原排口处,垂直边坡支护面的有现状混凝土排水管,管径1.8 m,管壁厚150 mm,埋深约7.9 m。如果施工双排桩,则灌注桩施工时可能会破坏原有混凝土排水管。

综合地质条件与周边环境,针对该段边坡设计了“八字墙排口方案”与“泡沫混凝土挡墙方案”进行对比分析。

八字墙排口方案:边坡上部采用锚杆格构梁支护,下部设置钢筋混凝土八字墙排口,八字墙基础型式为桩基础,共设4根机械旋挖孔灌注桩,桩径1.0 m,以强风化或全风化砾岩为桩端持力层。支护剖面图如图4所示。

图3 DE段支护剖面图Fig.3 DE section support profile

泡沫混凝土挡墙方案:采用泡沫混凝土替换原边坡坡体填土,泡沫混凝土台阶状布置,台阶宽度2 m,支护高度约6.4 m。DE段双排桩桩顶冠梁延伸至F点,嵌入泡沫混凝土挡墙顶部,形成一个支护整体。采用密度等级A10(天然密度为1.0 g/cm3)的泡沫混凝土,置换该区域的杂填土,不会增加D1500排水管上部的附加应力,同时当圭塘河河水上涨时,泡沫混凝土不至于上浮。支护剖面图如图5所示。

采用吸水率等级为MW10、强度等级为FC4的泡沫混凝土,吸水率<10%,抗压强度标准值≥4.0 MPa。施工过程中,在挡土墙的基槽中采用挂网喷砼,喷砼C20厚100,φ6.5@200×200单层双向配筋,坡面设置C30现浇砼面板,厚150 mm,φ8@200×200双层双向配筋,将泡沫混凝土挡墙的四周及顶、底面进行有效封闭,防止河水及地下水渗入。

若采用“八字墙排口方案”,需要到圭塘河河床处施工旋挖钻孔灌注桩,施工存在较大难度,同时八字墙排口存在工程量较大、影响河道景观等缺点。

若采用“泡沫混凝土挡墙方案”,取消混凝土结构的八字墙排口和河床处的旋挖钻孔灌注桩,采用台阶状泡沫混凝土挡墙替换原有杂填土,在控制泡沫混凝土密度与做好泡沫混凝土四周防水封闭的情况下,能够较大程度地缩短支护工期与造价,同时保证良好的河道景观效果。对泡沫混凝土挡墙进行抗滑移与抗倾覆稳定性计算,其安全系数达到规范要求。

3 施工技术要求及边坡监测

3.1 泡沫混凝土施工技术要求

泡沫混凝土强度等级FC4,抗压强度标准值≥4.0 MPa;泡沫混凝土密度等级A10,吸水率等级MW10,吸水率<10%。泡沫混凝土采用普通硅酸盐水泥,其强度等级应为42.5级及以上。泡沫混凝土浇筑宜分层浇筑,单层浇筑设计厚度宜为0.5 m。泡沫混凝土挡墙施工时照片如图6所示。

发泡剂宜采用合成类高分子表面活性剂。发泡剂外观应均匀透明,常温条件下无异物析出或沉淀,无异味或刺激性气味,对环境无不良影响。发泡剂发泡产生的泡沫大小均匀且细密,直径应<1.0 mm。发泡剂应有出厂合格证及质量检验证明书。

图4 EF段支护剖面图(八字墙排口方案)Fig.4 EF section support section

图5 EF段支护剖面图(泡沫混凝土挡墙方案)Fig.5 EF section supporting section plan

3.2 边坡工程监测

共设置沉降与位移监测点9个,其中2个位于DE段支护结构顶部,3个位于EF段支护结构顶部,2个位于坡顶处市政道路处,2个位于支护结构南侧与北侧的已有毛石挡墙墙顶。根据施工期间与工程竣工后的监测情况,EF段监测点最大累计沉降为6.5 mm,最大累计位移为5.8 mm。监测结果表明,边坡工程稳定性良好。为确保该边坡治理工程在运行过程中的安全稳定,工程竣工后应继续对该边坡工程进行沉降与位移监测,监测时间不少于2年[6]。泡沫混凝土挡墙浇筑后照片如图7所示。

4 结论

结合工程监测结果,将泡沫混凝土挡墙用于深厚填土区域边坡治理工程中,具有经济、方便施工、稳定性良好等优点,满足边坡治理的要求。

(1) 泡沫混凝土的密度较小,而且能够在一定范围内对其密度进行调节。在深厚填土边坡支护工程中,采用台阶状泡沫混凝土挡墙进行有效支护,替换原有土体,能够较大程度地减小挡墙底部的基底压力,同时在涉水工况下,可以控制泡沫混凝土不产生向上的浮力。

图6 泡沫混凝土挡墙施工时照片Fig.6 Photo of foam concrete retaining wall in construction

图7 泡沫混凝土挡墙浇筑后照片Fig.7 Photo of foam concrete retaining wall after pouring

(2) 泡沫混凝土存在吸水率大、易开裂等缺点,若将泡沫混凝土用于支护施工中,应采用合理的施工工艺控制其吸水率与强度等级达到设计要求,同时做好泡沫混凝土四周的防水封闭工作。

(3) 泡沫混凝土挡墙对周边环境影响较小,能够适用于狭窄的施工场地,并且施工方便、快捷,能够有效地缩短工期,节约工程造价。

(4) 该边坡治理工程已经竣工,并进行了沉降与位移监测,施工期间与工程竣工后的监测数据表明,台阶状泡沫混凝土挡土墙支护体系是稳定的,治理后的边坡是稳定安全的。

(5) 为确保台阶状泡沫混凝土挡墙支护体系在使用过程中的稳定,工程竣工后应继续对该支护体系进行工程监测,一旦发现异常,及时采取“沙袋反压坡脚”等应急措施。