泡沫轻质土+钢管桩在高陡斜坡路基拼宽中的应用

■杨为品

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

1 引言

随着社会的发展和道路通行压力的与日俱增， 在丘陵、山区公路建设过程中不可避免遇到路基拼宽的问题。传统的路基拼宽一般以衡重式路肩墙、 放坡式的仰斜式重力式挡墙为主，因此在陡坡地段出现了大量的高挡墙、高填方。

泡沫轻质土为不含粗骨料的混凝土中掺和发泡剂，从而形成多孔、轻质、高强的材料。 自从我国引进泡沫轻质土以来，由于其独特的工程特性，在路基工程拼宽中得到了广泛的应用。 目前泡沫轻质土的工程应用主要集中在范围较小、高度较低的路肩拼宽填补，而在地形陡峭、路基高大等特殊情况下的路基拼宽的应用很少遇见。

本文介绍了泡沫轻质土在厦蓉高速公路改扩建漳州段某高陡斜坡段路基的应用，为今后类似工点设计、施工提供参考。

2 工程概况

厦蓉高速公路改扩建工程漳州段某高陡路基位于漳州南靖后眷村，原设计道路路面宽度18m，属于半填半挖路段，路基左侧为三阶高陡挖方边坡，路基右侧为衡重式路肩墙填方路基，挡墙高度最高为8m。

该段路基右侧下方为正在运营的老漳龙高速公路，新旧两条高速公路竖向高差约90m，横向距离约88m，坡面坡度37～45°，如图1 所示。

路基开挖施工过程中，发现地质情况较差，虽以强风化-中风化花岗岩为主，但坡面岩土体风化不均且出现多道顺层不利结构面，节理裂隙发育，夹杂着危岩体，危岩体裂隙张开。 坡体大量岩土体开挖后顺着结构面沿坡面滚落至下方的老漳龙高速公路， 存在着极大的安全隐患(如图2 所示)。 同时，开挖岩土体的剥落造成实际地面线陡于原设计地面线，原设计的挡墙高度、基础净边均不能满足设计要求。

图1 场地图

图2 危岩体裂隙张开

为满足右侧路基拼宽的需要， 提出了原衡重式路肩墙加高的方案，如图3 所示。 根据现有地面线，衡重式路肩墙加高后最大高度为18m。因挡墙基底风化不均，局部岩土体裂隙张开，存在剥落、掉块现象，高挡墙带来的大附加应力势必进一步影响基底的稳定，故采用钢管桩(外径Φ108mm， 内径96mm 的钢管桩， 其中钻孔孔径Φ150mm，间距1.5m×1.5m，管内灌注C30 水泥浆，桩端部进入挡墙1m) 对地基进行加固处理， 挡墙净边不小于2m。 挡墙基础前缘下边坡采用预应力(钢管)锚索框架进行加固， 防止前缘坡体崩落造成， 锚索外套钢管(外径Φ108mm，内径96mm 的钢管桩，钢管外每3m 设置一个对中定位支架，外套于锚索自由段)用来提高锚索的抗剪强度。 为保证挡墙施工过程坡体的临时稳定以及下方老漳龙高速公路的运营安全，墙背坡体按1∶0.5 坡率进行放坡。

图3 原衡重式路肩墙加高方案

该方案虽然可以实现路基拼宽，但也有明显的缺陷：①因需满足挡墙基础净边和坡体临时稳定的要求， 造成土石方开挖量较大， 最危险断面开挖量高达174.4m2，严重威胁下方老漳龙高速公路的运营安全。 ②路肩高挡墙对岩土体产生的附加荷载大， 施工过程极有可能造成松动的岩土体剥落引发二次灾害。③高陡坡上预应力(钢管)锚索框架施工难度大且安全难以保证。

3 泡沫轻质土+钢管桩方案设计及控制要点

3.1 设计方案

为最大限度降低填方路基高度，减少土石方开挖量，减轻基底岩土体的附加荷载，提高路基边坡稳定性，保障施工过程中原漳龙高速公路的运营安全， 考虑在高陡斜坡上采用泡沫轻质土+钢管桩方案进行路基拼宽，实践证明泡沫轻质土路基方案(如图4 所示)可以很好地解决上述问题。 该段泡沫轻质土路基高度为3～13m (如图5 所示)。

下文以高13m 填筑体为典型断面对泡沫轻质土路基方案进行详述：

(1)泡沫轻质土容重采用8kN/m3，立方体抗压强度不小于1.5MPa，最高断面13m 对应的底板横向宽度为5m，泡沫轻质土填筑体底板以及外侧板均采用C30 钢筋混凝土进行浇筑， 厚度分别为30cm、20cm， 板内1/2 处设置Φ8@10cm×10cm 钢筋网，外侧板设置Φ12@1.0m×1.0m 拉结筋。

(2)为保证泡沫轻质土斜坡地基的稳定，在泡沫土填筑体底板处垂直打设3 排钢管桩(外径Φ108mm， 内径Φ96mm 的钢管桩，其中钻孔孔径Φ150mm，间距1.25m×1.25m，管内灌注C30 水泥浆)，桩身进入泡沫土填筑体内1m， 钢管桩嵌固端进入碎块状强风化岩不小于6m 或进入中风化岩不小于3m，具体长度根据基底地质情况进行动态调整并确保进入稳定地层。 每根钢管桩上焊接4 根Φ20 连接钢筋，长度由内向外分别为13m、8m、4m。 净边位置采用Φ22 的系统锚杆(间距1.0m×1.0m)进行竖向加固。

图4 泡沫轻质土+钢管桩路基拼宽方案

图5 泡沫轻质土+钢管桩路基拼宽方案立面图

(3)靠山侧泡沫轻质土路基按三级边坡进行开挖，第一级～第三级边坡坡率均为1：0.5， 每级边坡高度分别为4m、4m、5m。每级边坡平台宽1.5m。坡面上设置Φ22 的抗滑锚杆，锚杆长6m，间距1.25m×1.25m ，伸入泡沫轻质土填筑体1m，端部做成直角弯钩状。

(4) 为提高泡沫轻质土填筑体整体性及抗裂性能，基底以上0.5m、2m、台阶处、路床底部以下1m、0.5m 处分别设置Φ8@10cm×10cm 钢筋网。 钢筋网与钢管桩上的Φ20连接钢筋进行焊接。

(5)为增强泡沫轻质土抗倾覆能力，每级平台处设置Φ32 锚杆，锚杆长12m(要求穿透不利结构面进入稳定地层)，沿路线方向间距1m，锚杆端头做成斜角并与每层钢筋网焊接。

(6)为确保泡沫轻质土有足够的使用年限，须对其进行防水、隔水设计。在泡沫轻质土填筑体钢筋混凝土底板下铺设30cm 厚碎石垫层，以排除开挖面及路基上的水。靠山侧每级台阶坡面采用C20 砼挂网锚喷， 对破碎的坡面进行封闭的同时起到隔水作用。 泡沫轻质土顶面设置防水土工膜。

(7)沿路线方向上应结合每个断面对应的泡沫轻质土的填筑高度，按1∶1 坡率在变高度处设置台阶，台阶高度2～3m。

(8)泡沫轻质土路基与普通路基交界处的水稳层中布置Φ8@10cm×10cm 钢筋网以协调路面变形提高强度。

3.2 控制要点

(1)泡沫轻质土由水泥浆与泡沫混合配制而成，其容重一般为普通混凝土的1/5～1/3，同时强度要远大于普通填土，因此能够有效减轻上部荷载。如何选择泡沫轻质土的参数指标显得尤为重要。 根据现有泡沫轻质土制作技术，其抗压强度介于0.4～7.5MPa，已经可以满足路基填筑强度要求，表观密度则需要根据工程实际情况进行选择。由于本工程案例中泡沫轻质土在高陡斜坡上大量充当高速公路拼宽路基，其强度需满足大型车辆振动荷载、地震等不利工况下的强度要求，综合考虑地质、场地、附近构筑物(下方老漳龙高速)等因素，选取表观密度为8kN/m3，立方体抗压强度不小于1.5MPa。

(2)陡斜坡上进行泡沫轻质土高填方施工，“上大下小”的形态须满足抗倾覆、抗滑移、整体性等要求。 工程设计中采用了抗滑锚杆、钢管桩、钢筋网片、路线纵横向分台阶设置等措施，以确保填筑体满足设计要求。

(3)泡沫轻质土施工过程中应严格做好防水、截水、排水的措施。本案例中泡沫填筑体设置钢筋混凝土底板、侧面板、防水土工膜、挂网锚喷、碎石垫层等隔水设施。值得注意的是， 碎石垫层与靠山侧坡脚交界处须预留出垫层排水空间，防止积水，如图6 所示。倘若施工期遇到暴雨、大雨或持续时间较长的小雨， 应对未固化的泡沫轻质土进行遮挡、覆盖，防止雨水消解气泡，并立即停止施工。

(4)本案例中泡沫轻质土填筑量较大，浇筑过程中会产生大量的水化热，施工过程中应严格控制浇筑厚度，一般控制在0.25～0.8m。 倘若遇到高温天气，浇筑厚度不应大于0.6m。

图6 泡沫轻质土路基拼宽底板构造图

(5)当泡沫轻质土抗压强度高于0.5MPa 后，方可进行路面施工。 施工过程中应严格禁止大型机械在轻质土顶面行驶。 因地形较陡，施工平台受限，若局部地段无法避免， 应在合适的位置采取铺设临时保护层(厚度不小于50cm)或钢板作为临时施工便道。

(6)沿路线方向泡沫轻质土基底突变或台阶部位应设置变形缝，其余段落按10m 间距设置变形缝，变形缝宽10mm～20mm，全断面填塞沥青木板或夹板。

4 方案分析计算

推荐方案中泡沫轻质土在原漳龙高速公路边坡上方进行施工。考虑挡墙基底岩土体不利结构面发育，裂隙张开，路基开挖过程中极易造成岩土体剥落，因此泡沫轻质土挡墙基底应力情况、 路基边坡整体稳定性都须进行分析验证。

传统的边坡稳定分析方法——极限平衡法， 无法考虑岩土体内部的应力应变关系以及结构物与岩土体的协调变形。 为更好地模拟实际情况，采用Midas GTS/NX 中的有限元强度折减法(SRM)进行分析。

Midas GTS/NX 作为一款大型岩土有限元分析软件，强大的前、后处理操作界面，丰富的本构模型，能对复杂边界条件下的工程问题进行评价。

4.1 模型建立

结合工程特点，按平面应变问题进行处理，采用三角形+四边形的网格单元。模型中左右两侧设置水平方向约束边界，底部设置水平及竖向约束边界，荷载组包括自重及车辆荷载。 为更直观地分析基底不利软弱位置的竖向应力，选取典型断面强风化-中风化岩土交界的特征点A进行分析，典型断面有限元模型如图7 所示。

图7 泡沫轻质土+钢管桩方案典型断面有限元简化模型

经现场调查并结合地质勘察资料， 典型断面岩土体材料为碎块状强风化花岗岩、 中风化花岗岩。 泡沫轻质土、岩土体材料采用摩尔库伦本构模型，钢管桩、锚杆采用弹性模型，岩土体物理力学及材料参数分别见表1、表2。

表1 岩土体物理力学参数表

表2 材料参数表

4.2 计算工况

论证建立了五种分析工况：(1) 开挖前路基边坡初始工况；(2)衡重式挡墙加高工况；(3)衡重式挡墙加高+钢管桩工况；(4)泡沫轻质土挡墙工况；(5)泡沫轻质土挡墙+钢管桩工况。

4.3 结果分析

(1) 衡重式挡墙加高工况特征点A 竖向应力为441.19kPa，其值远大于开挖前路基边坡初始工况对应位置的竖向应力235.78kPa。 若衡重式挡墙基底设置钢管桩，则特征点A 竖向应力仍有364.161kPa，如图8～10 所示。 可见衡重式挡墙加高方案产生的较大的附加荷载不利于路基边坡的稳定。

(2) 泡沫轻质土挡墙工况特征点A 竖向应力为286.988kPa， 其值大于开挖前路基边坡初始工况对应位置的竖向应力200.573kPa。 倘若泡沫土挡墙基底设置竖向钢管桩，则特征点A 处竖向应力降低到202.156kPa，如图11～12 所示。可见，钢管桩不但可以起到加固局部不利结构面岩土体的作用， 同时还可以进一步降低泡沫轻质土挡墙基底与岩土体的接触应力，提高了边坡的安全性。

图8 开挖前路基边坡初始工况竖向应力

图9 衡重式挡墙加高工况竖向应力

图10 衡重式挡墙加高+钢管桩工况竖向应力

图11 泡沫轻质土挡墙工况竖向应力

图12 泡沫轻质土挡墙+钢管桩工况竖向应力

(3)根据有限元强度折减法(SRM)可知，衡重式挡墙加高、衡重式挡墙加高+钢管桩、泡沫轻质土挡墙、泡沫轻质土挡墙+钢管桩这四种工况下边坡整体稳定安全系数分别为1.2656、1.2938、1.3273、1.3578，如图13～16 所示。 可见，泡沫轻质土+钢管桩路基拼宽方案加固地基的同时减小了基底附加应力，提高了边坡整体稳定性，满足了规范要求。

图13 衡重式挡墙加高工况滑动面

图14 衡重式挡墙加高+钢管桩工况滑动面

图15 泡沫轻质土挡墙工况滑动面

图16 泡沫轻质土+钢管桩工况滑动面

5 结语

厦蓉高速公路改扩建工程漳州段现已通车运营，实践证明高陡斜坡上泡沫轻质土+钢管桩路基拼宽方案切实可行，且效果较好。

(1)相对原衡重式路肩墙加高方案，泡沫轻质土+钢管桩路基方案在高陡斜坡段拼宽中可以减少土石方开挖量(最高断面挖量为81.9m3)，降低路基高度，减轻基底附加荷载，提高下方老漳龙的运营安全。

(2)泡沫轻质土路基填筑高度较大时，须综合考虑其形态要求，在保证基底稳定基础上，加强抗滑移、抗倾覆、整体抗裂性、隔水排水等设计。另外可采用有限元分析软件进行基底应力、路基边坡整体稳定性分析。

(3)泡沫轻质土填筑质量与合理的施工工序、工艺等密切相关，须加强施工过程把控，严格按照设计说明及相关规范要求施工，同时做好质量检验。