气泡轻质混合土在山区城市道路高填方设计中的应用

汪旻磊

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 研究背景

1.1 山区城市特点

山区城市与大多数其他城市相比具有城区内地势起伏明显，可利用有效面积少，土地资源愈显珍贵，往往出现在狭小的空间中布设有大量城市市政、生活设施与管线的现象。

随着城市发展的深入，对既有城区进行改建提升的呼声迫切而强烈，但由此也产生了不少山区城市特有的困难。在实施较大规模的市政工程时，不可避免的要面临在起伏剧烈的地形基础上进行高填深挖和局促狭小用地内保护其他用地和管线设施之间的矛盾。简而言之，就是高填方所带来的地基承载力、荷载提高与现有地质条件，地下管线之间的矛盾，和高填方所带来的放坡用地与现状紧张的用地条件之间的矛盾。

1.2 气泡轻质混合土简介

用物理方法将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、掺和料、外加剂等按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。

气泡轻质混合土具有多种特性

（1）轻质性：常用于施工的湿容重为5.5～6.5 kN/m3；

（2）多孔性：其孔隙率可达到60%～70%；

（3）强度特性：抗压强度优于一般路基填料；

（4）流动性：具有较好的流动性，可自流平；

（5）自立性：固化后垂直临空面侧压力为0。

2 工程设计中的关键性控制要素[1，2]

2.1 天然地基承载力和地基承载力特征值fa

地基承载力特征值是指由载荷试验确定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值，其最大值为比例界限值。通常用于检验各类构筑物是否具有放置于现状地质上的条件并判断是否需要进行进一步地基处理，在实际设计，施工过程中还需进行进一步修整

式中：fa为修正后的地基承载力特征值；fak为地基承载力特征值；ηb、ηd为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数；γ为基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；b为基础底面宽度，m；γm为基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度；d为基础埋置深度，m。

2.2 管线等构筑物现状荷载条件

在已建城区多采用现状管线局部搬迁或增设保护设施等方式减少工程建设对现有地下设施的影响。尤其在山区城市的高填方工况，更应核对新增填土荷载对地下现有管线造成的影响，评估设施保护方案，增设保护设施或者对高填方路基进行针对性设计，采用先卸载再采用特殊材料进行填筑，确保新旧路基荷载基本一致，减少不利影响。

路基整体稳定性：山区城市其自身特点决定了其地势起伏较大，加之工程自身填土等工况，确保路基或其边坡支挡结构整体稳定，对于工程建设安全具有重大的意义。在计算整体稳定性时，通常采用滑动面系数稳定法，对土体进行多点圆心，多种半径的全局搜索后确定稳定系数最小的滑动面作为最不利滑动面。

3 广西柳州某工程实践案例

3.1 工程现场场地概况

本文设计案例为广西柳州某大型路桥项目工程，柳州市为河流阶地地貌与岩溶地貌迭加，故工程所在地地势起伏明显，工程某路段现场，沿道路前进方向200 m距离内天然地形落差达20 m余，经工程方案设计后，设计标高距天然地坪仍有10 m以上高差，属高填方路基。在周边用地条件方面，高填方路段沿线为现状市政污水厂设施，用地资源十分受限；工程场地下方分别有柳州城北地区最大的污水暗涵和污水厂新建的箱涵，十字交叉，且埋设达8～10 m，箱涵现状荷载堆土顶标高与本工程实际需要堆土高度相差约5～6 m。

3.2 方案设计

3.2.1 总体方案设计

（1）总体布置方案

本工程具有工程现场地势起伏剧烈，地下管线、设施复杂，周边用地紧张3大难点。其中地下设施走向曲折且两条管线呈十字上下交叉的状态使采用新建外部结构进行保护的方式难以实现。同时现状管线设计堆土荷载与工程实际需求值之间有着较大的差距，加之用地条件受限，传统的路基填土放坡的填筑方式也难以契合本工程的需求。故几经方案比较和专家论证，最终采用气泡轻质混合土进行超挖卸载后再换填的方式进行高路堤建设并在边坡处用垂直扶壁式挡土墙进行支护。

气泡轻质混合土填筑平面范围：地下涵洞平面位置及其深度扩散角范围均进行换填。

超挖换填深度：现状管线实际管顶覆土厚度2.0 m，设计覆土厚度3.0 m。当地现状素土重度为18 kN/m3，则现状管顶设计荷载为P源=γ素×H1=48 kPa。换填气泡轻质混合土选用W6.0型，即重度γ换为6.0 kN/m3，需要换填的高度为 γ换×H2≤P原，则 H2限制高度为8.0 m以内。现状荷载堆土顶标高与本工程实际需要堆土高度相差约5～6 m，可采用超挖2.0 m+新增填髙6.0 m，总计8.0 m正好与当前管顶荷载基本相当，见图1。

图1 气泡轻质混合土填筑示意图

（2）设计要求

a.气泡混合轻质土地面需铺设20 cm的级配碎石作为防水隔离层兼做调平层，垫层顶部设置一层防渗土工布。

b.为保护气泡混合轻质土，减少吸水后自重增加，换填开挖基坑侧壁应设置防渗土工布。

c.气泡混合轻质土应分层浇筑，每次浇筑高度0.5 m。气泡混合轻质土浇筑体底部应设置两层钢丝网，设置在距底部上方40～60 cm范围之内。浇筑体顶面也设置两层钢丝网，钢丝网设置在距顶部下方40～60 cm位置。顶部与底部钢丝网间每隔5 m高度水平铺设两层钢丝网；焊接钢丝网的钢丝直径 ø3.0～ø6.0mm，边长50mm×50mm或100mm×100 mm。相邻两层钢丝网间距宜为30～50 cm。钢丝网搭接时，相邻两块钢丝网间的重叠宽度应为20～30 cm，并用镀锌钢丝绑扎连接。

3.2.2 荷载相关验算

（1）地基承载力检验

按照工程相关材料及工艺要求，施工后气泡轻质混合土的承载力应不小于120 kPa。扶壁式挡墙埋置深度不小于1.5 m。按照地基承载力修正公式

扶壁式挡土墙地板宽度长度8.0～12.0 m，墙高8.0～10.0 m，挡墙本身支挡高度较高，但墙背填料也均采用轻质填料，自立性较好，对挡墙的侧向压力较小，经计算验证墙底地基承载力不应小于100 kPa。则修正后的气泡轻质混合土所提供的承载满足设计要求。

（2）整体稳定性验算

整体稳定性验算采用常用的圆弧滑动法进行分析，抗滑力矩MR和滑动力矩MS之比，即为挡墙所在的稳定安全系数FS。在工程计算中采用简化BISHOP法，使用理正岩土计算程序进行验证计算，地震工况下安全系数计算为6.931，满足设计要求。

4 结语

通过工程实践，气泡轻质混合土作为对荷载条件、用地条件较为苛刻的山区城市地区的路基填筑是一种较能满足各项设计需求的材料，在材料强度，重量和自立性等方面均具有良好的表现，且山区地区普遍地下水位较低，材料抗浮稳定性上也具有一定的保障。考虑到气泡轻质混合土的综合单价较高，如大范围普通路段内采用则工程整体造价过高，经济性上有所欠缺，但对于有特定环境和特殊需求性的局部山区城市市政建设，仍具有极其可观的实用价值，值得在更大的范围内推广应用。